粘贴CFRP加固钢筋混凝土梁桥的时变可靠度分析

摘 要:采用时变可靠度理论,分析了桥梁加固后抗力和荷载的变化规律。讨论了钢筋锈蚀、混凝土碳化及荷载变化等因素对加固后既有桥梁结构承载力的影响,并结合一工程实例进行了加固后可靠度计算。

关键词:既有桥梁结构 时变可靠度 加固

中图分类号: TU74 文献标识码:A文章编号:1007-3973 (2010) 07-022-02

1引言

随着使用时间的推移,桥梁结构会出现各种各样的病害,再加上材料性能退化、车辆荷载等级提高和交通量增大等原因,致使承载力不足,严重影响人民的生命和财产安全,从而需要进行维修和加固。采用碳纤维加固既有桥梁已成为公路桥梁加固的一种常用的方法,该方法可以有效地提高既有桥梁的承载力。

2 外贴碳纤维加固后既有桥梁的可靠度分析方法

2.1桥梁结构的时变可靠度

桥梁结构的时变可靠度定义为:在规定的继续使用期内,在正常使用、正常维护条件下,考虑环境和结构抗力衰减等因素的影响,在任意服役期内完成预定功能的概率。用可靠度表示为:

(1)

(2)

式中,为桥梁结构服役分析时刻; 为继续使用期,目前,公路桥梁结构的设计基准期定为100年;Z (t)为考虑桥梁结构 时刻预期技术状况的功能函数;R (t)为考虑时刻预期桥梁结构状态修正和后续服役期变化的抗力随机过程;S(t)为考虑 时刻预期桥梁结构状态修正和后续服役期变化的荷载效应随机过程。

外贴碳纤维加固后的极限状态方程为:

(3)

式中,R为结构抗力;SG和SQ分别为恒荷载效应和活荷载效应。

2.2 加固后结构抗力的影响因素

混凝土桥梁构件主要由混凝土和钢筋两种材料组成,因此抗力的影响因素应主要考虑混凝土的强度变化和钢筋的锈蚀。

2.2.1 混凝土强度变化

在加固过程中往往采用环氧树脂和聚合物混凝土进行修复,为混凝土提供了外部保护,因此加固后混凝土强度的均值和标准差为:

(4)

(5)

式中,u0和分别为混凝土28天强度的平均值和标准差。

2.2.2 钢筋锈蚀

一般地,钢筋混凝土结构的抗力衰减主要是受力钢筋锈蚀、截面积减小引起的。根据文献[3],钢筋锈蚀发展可分为初始期和传播期2个阶段。对于需要加固的既有桥梁结构构件,钢筋有了一定程度的锈蚀。本文对钢筋锈蚀引起的截面积减小采用下面的公式:

(6)

式中, 1为混凝土成型养护影响系数; 2为水泥品种影响系数; 3为环境等因素的影响系数;为混凝土抗压强度标准值;C为主筋保护层厚度;d为主筋直径;tc为混凝土碳化到钢筋表面的时间。

根据Fick第一扩散定律的碳化模型,大气环境下混凝土的碳化深度与时间的关系为:

(7)

式中,k为混凝土碳化系数,mm/年;t为混凝土在大气中暴露的时间,年。

3荷载效应

一般情况下,结构承受的荷载多而复杂,在进行结构可靠性分析时一般将结构所承受的荷载分为恒载和车辆荷载。

3.1恒载

桥梁的恒载属于永久作用,根据《公路工程结构可靠度设计统一标准》GB/T 50283-1999,恒载服从正态分布,分布参数见表1。

表1 恒载统计参数

3.2车辆荷载

加固后桥梁的时变可靠度分析中,车辆荷载效应最大值分布依然服从极值I型。时段T内可变荷载效应的平均值和均方差为:

(8)

(9)

式中, ; , 分别为可变荷载的平均值和标准差;,分别为设计基准期T0内荷载效应极大值的平均值和标准差。

3.4可靠度计算步骤

(1)根据对桥梁结构进行的承载力试验数据(包括碳化深度、弹性模量和钢筋的锈蚀率等)计算加固前桥梁的实际抗力;

(2)根据加固方案和相应规范,计算加固后结构的抗力;

(3)根据实际的交通量统计数据,确定桥梁实际所承受的荷载等级;

(4)建立有限元模型,计算结构的恒载和活载的弯矩值;

(5)采用验算点法,对加固后正常使用期内结构构件的可靠指标进行计算。

4算例分析

4.1基本情况

玉罗岭三桥桥梁跨径组合为26m+28.4m+26m,桥梁全长119.591m。上部结构为预应力混凝土简支空心板。桥梁分为左右两幅,桥梁全宽31.1m,即0.43m(防撞护栏)+14.52m(行车道)+0.43m(防撞护栏)+0.34m(中央分隔带)0.43m(防撞护栏)+14.52m(行车道)+0.43m(防撞护栏)。桥梁原设计荷载标准:汽-超20级,挂-120

加固后设计荷载为公路-I级。

4.2可靠度计算

考虑抗弯失效模式,根据实际检测数据计算加固前边梁实际抗力为 恒载弯矩为。

服役40年后该桥可靠度指标已不满足使用要求,加之交通流量的日益增加、环境因素的侵袭及车辆超载等的影响,桥梁已出现不同程度的病害,需要加固。经过专家论证,对梁底板粘贴两层碳纤维布进行加固。采用本文前述方法计算其后续服役期内加固后承载力时变可靠度,为: ;恒载弯矩为,。

5结论

本文建立了加固后结构抗力模型、荷载模型。结合一粘CFRP加固的桥涵实例,利用JC法计算加固前后结构的可靠指标,得到如下结论:

(1)通过适当的粘贴CFRP加固既有结构,可以提高结构的可靠性,为桥梁提供较大的安全储备,从而延长结构的剩余使用寿命;

(2)汽车活载对结构有较大的影响,应根据桥梁的实际服役情况,计算服役桥梁的汽车荷载参数。

参考文献:

[1]郑国栋,侯发亮.二次受力对CFRP加固混凝土梁正截面极限承载力计算结果的影响[J].工业建筑,2004,34(5):73-75.

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[4]金伟良,赵羽习.混凝土结构耐久性[M]. 北京:北京科学出版社,2002.

[5]Enright.M.P.,and Frangopol.D.M.Probabilistic Analysis of Resistance Degradation of Reinforced Concrete Bridge Beams and Corrosion.Engineering Structures,1998(20):11.