PAGE42內(nèi)容摘要近年來，隨著交通事業(yè)的迅速發(fā)展，越來越多的跨海大橋在建或已建成通車，而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性失效己逐漸成為困擾土建工程界的一個世界性問題，尤其是處于海洋或惡劣環(huán)境下，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的問題更加突出。跨海大橋工程不僅耗資巨大，而且關(guān)系著國計民生，如果因?yàn)槟途眯圆蛔愣蔀椤岸堂こ獭保瑢以斐刹豢晒懒康膿p失。本文在分析影響混凝土橋梁耐久性各方面因素的基礎(chǔ)上，相應(yīng)提出了提高混凝土橋梁耐久性的不同措施，對推動我國混凝土橋梁的耐久性研究提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：耐久性；氯離子擴(kuò)散；鋼筋銹蝕；耐久性評估；時變可靠度

目錄內(nèi)容摘要 I引言 11緒論 21.1跨海混凝土橋梁耐久性研究的意義 21.2跨海混凝土橋梁耐久性研究的主要內(nèi)容 52氯離子環(huán)境下鋼筋銹蝕的研究 102.1氯離子環(huán)境下鋼筋銹蝕機(jī)理 102.2鋼筋銹蝕的主要特點(diǎn) 112.3影響跨海大橋混凝土中鋼筋銹蝕的主要因素 122.4海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋防銹措施 143跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估 163.1可靠度理論 163.2海洋環(huán)境下基于可靠度的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估 224混凝土橋梁耐久性改善措施 294.1重視混凝土橋梁耐久性的設(shè)計 294.2在施工工程中重視橋梁的耐久性問題 294.3采用高性能混凝土 304.4加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)及維修工作 304.5在鋼筋表面涂刷防腐蝕涂層 315案例分析 325.1杭州灣跨海大橋混結(jié)構(gòu)耐久性研究與應(yīng)用 325.2混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的兩個基本問題及對策 325.3案例分析小結(jié) 376結(jié)論 39參考文獻(xiàn) 40致謝 41引言本文按照現(xiàn)場檢測→耐久性分析→耐久性評估→剩余使用壽命預(yù)測→耐久性優(yōu)化設(shè)計的思路對跨海大橋混凝土構(gòu)件耐久性進(jìn)行了研究，研究的主要內(nèi)容如下：(1)介紹了跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的重要意義、研究內(nèi)容以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。(2)在前人研究的基礎(chǔ)上歸納總結(jié)了氯離子侵蝕作用下鋼筋的銹蝕機(jī)理，對海洋環(huán)境下鋼筋銹蝕的主要影響因素進(jìn)行了分析，尤其對氯離子的侵蝕機(jī)理和滲透模型進(jìn)行了重點(diǎn)研究，總結(jié)了海洋環(huán)境下鋼筋銹蝕模型，并闡述了銹后鋼筋的力學(xué)性能及其對承載力的影響，結(jié)合已有的鋼筋防銹措施提出了海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋防銹措施。(3)根據(jù)一般大氣環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估準(zhǔn)則提出了海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估準(zhǔn)則，重點(diǎn)研究了蒙特卡羅方法在可靠度分析中的應(yīng)用，提出了應(yīng)用蒙特卡羅方法計算鋼筋混凝土偏心受壓短柱和鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的抗力統(tǒng)計參數(shù)，重點(diǎn)分析了其各自的可靠度影響因素。

1緒論1.1跨海混凝土橋梁耐久性研究的意義橋梁建設(shè)是國家重要的基礎(chǔ)建設(shè)之一，橋梁工程是關(guān)系社會和經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的生命線工程。近十幾年以來，隨著我國交通事業(yè)的迅速發(fā)展，越來越多的跨海橋在建或已建成通車，例如杭州灣跨海大橋，東海大橋，廣西杭州灣跨海大橋等，見圖1.1～1.4。表1.1國內(nèi)已建和正在建設(shè)的跨海大橋耐久性情況橋名結(jié)構(gòu)形式耐久性措施杭州灣大橋全長36公里，北通航孔為雙塔雙索面斜拉橋，跨徑448米。南通航孔為獨(dú)塔斜拉橋跨徑228米,半飄浮體系。中國第一座將結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計作為獨(dú)立章節(jié)納入結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容的橋梁。為使該橋在設(shè)計使用基準(zhǔn)期內(nèi)100年鋼筋不銹蝕，采取了一系列措施，如:控制裂縫寬度、加大混凝土保護(hù)層厚度、使用海工耐久混凝土等。東海大橋全長27.4公里，主通航孔為雙塔單索面鋼混疊合梁橋，主跨420米。在國內(nèi)首次采用100年設(shè)計基準(zhǔn)期。根據(jù)工程調(diào)研和環(huán)境條件分析，影響東海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的首要因素是cl?的滲透，根據(jù)具體情況，東海大橋采取以高性能混凝土技術(shù)為核心的綜合耐久性策略和方案。深圳灣大橋全長4770米，主跨為210米和180米不等跨獨(dú)塔鋼梁斜拉橋，是國家主干線直通香港的唯一高速公路通道。設(shè)計壽命120年，所有混凝土抗氯離子滲透性≤1000C，水下鋼筋為不銹鋼和環(huán)氧鋼筋。杭州灣跨海大橋全長2898米，剛構(gòu)－連續(xù)結(jié)構(gòu)體系，是合山高速公路連接北海杭州灣跨海與合浦縣山口鎮(zhèn)的一座跨海特大橋，有“廣西第一橋”之稱。設(shè)計使用壽命100年，采取了一系列耐久性措施，如：控制水灰比、限制裂縫寬度、使用鋼筋阻銹劑以及混凝土表面涂敷保護(hù)層等。混凝土是目前跨海橋梁工程建設(shè)的主導(dǎo)材料，在許多國家，混凝土結(jié)構(gòu)都面臨著耐久性不良的嚴(yán)重問題，尤其是處于海洋或惡劣環(huán)境下，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的問題更加突出。由于跨海大橋處在海洋環(huán)境中，受到氯離子侵蝕、干濕作用、海浪沖擊等復(fù)雜作用的影響，鋼筋銹蝕情況比較嚴(yán)重。鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性失效的主要表現(xiàn)之一，鋼筋銹蝕引起混凝土結(jié)構(gòu)的過早破壞，已成為世界各國普遍關(guān)注的一大災(zāi)害，大量混凝土結(jié)構(gòu)由于鋼筋銹蝕導(dǎo)致耐久性失效，不得不維修或拆除，甚至發(fā)生倒塌，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。圖1.1杭州灣大橋圖1.2杭州灣跨海大橋圖1.3東海大橋圖1.4深圳灣大橋在美國，最普遍的耐久性破壞形式是混凝土橋梁、路面、停車場及海港結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕，每年總損失高達(dá)1260億美元。鐵路由于鋼筋銹蝕每年維修費(fèi)用約200億美元，僅撒化冰鹽引起的鋼筋銹蝕每年造成的損失就達(dá)10億美元。截至1980年，因鋼筋銹蝕有50萬座橋梁橋面板需要維修。在英國，根據(jù)運(yùn)輸部門1989年的報告：英格蘭和威爾士有75%的鋼筋混凝土橋梁受到氯離子侵蝕，維護(hù)維修費(fèi)用是原來造價的兩倍，為解決海洋環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹蝕與防護(hù)問題，每年花費(fèi)近20億英鎊。在日本，大約有21.4%的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損失是由于鋼筋銹蝕引起的，著名的新干線使用不到10年，就出現(xiàn)大面積混凝土開裂、剝落等現(xiàn)象。前蘇聯(lián)有關(guān)統(tǒng)計資料表明：僅廠房受鋼筋銹蝕損壞的總額就占其固定資產(chǎn)的16%，有些廠房的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用10年左右即嚴(yán)重破壞，經(jīng)常需要維修，有些建筑維修費(fèi)用已超過其原始造價。我國臺灣重修澎湖大橋和不斷發(fā)生的“海砂屋”事件，也是氯鹽腐蝕鋼筋所造成的。在我國大陸，近年來也日益暴露出因耐久性不足引起的混凝土結(jié)構(gòu)破壞，如20世紀(jì)50年代初建的大壩，許多已成為陷入危境的“病壩”。截至到1997年底，佛子嶺、梅山、響洪甸三座老壩共虧損1億多元。20世紀(jì)80年代原水電部水工混凝土耐久性調(diào)查組對全國32座大型混凝土壩進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)論為：被查壩體全部存在裂縫。2001年河海大學(xué)對處于內(nèi)陸河的江蘇省淮陰閘工程調(diào)查，也發(fā)現(xiàn)明顯的鋼筋銹蝕引起的裂縫，并有發(fā)展趨勢。交通部等有關(guān)單位分別于1963年、1965年、1980年、1996年，針對我國沿海港口工程混凝土結(jié)構(gòu)破壞狀況組織過四次調(diào)查，調(diào)查結(jié)果指出：80%以上都發(fā)生了嚴(yán)重或較嚴(yán)重的鋼筋銹蝕破壞，出現(xiàn)銹蝕破壞的時間有的僅有5～10年。南京水科院對1980年建成的寧波北侖港10萬噸礦石碼頭進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該碼頭使用不到10年，其上部結(jié)構(gòu)就發(fā)生了嚴(yán)重的銹蝕破壞。天津港客運(yùn)碼頭1979年建成，使用不到10年，就發(fā)現(xiàn)前承臺板有50%左右出現(xiàn)銹蝕破壞。天津新港從1958年到1985年共建25個碼頭泊位，岸線長達(dá)6000m，其結(jié)構(gòu)均為高樁承臺式，使用時間長的有30多年，短則5～6年，在使用過程中不斷發(fā)現(xiàn)梁、板、樁等構(gòu)件有不同程度的損壞，影響碼頭的正常使用。1996年，交通部四航局科研所對1986年后建成的華南地區(qū)的C港和E港的20個泊位進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)E港大部分縱、橫鋼筋的銹蝕年限均不足10年和5年，在碼頭建成5～6年后即發(fā)現(xiàn)大量銹蝕裂縫。2001年河海大學(xué)對某港西大堤鋼筋混凝土護(hù)欄工程進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，該工程雖運(yùn)行不足4年，但已出現(xiàn)嚴(yán)重鋼筋銹蝕、保護(hù)層開裂、混凝土剝落和鋼筋銹斷。江蘇省水科所對華東84座沿海混凝土擋潮閘進(jìn)行了調(diào)查，鋼筋銹蝕嚴(yán)重需要維修或大修的為71座，其中有些擋潮閘胸墻、啟閉機(jī)工作橋大梁鋼筋已經(jīng)銹斷。開展對混凝土橋梁耐久性的研究，一方面能對已有的混凝土橋梁進(jìn)行科學(xué)的耐久性評定和剩余壽命預(yù)測，以選擇對其正確的處理方法；另一方面也可對新建工程項(xiàng)目進(jìn)行耐久性設(shè)計與研究，提示影響橋梁生命全過程的主要因素。因此，它既有服務(wù)于現(xiàn)役結(jié)構(gòu)的現(xiàn)實(shí)意義，又有指導(dǎo)待建橋梁進(jìn)行耐久性設(shè)計的重要作用，同時，對于豐富和發(fā)展鋼筋混凝土橋梁可靠度理論也具有一定的理論價值。1.2跨海混凝土橋梁耐久性研究的主要內(nèi)容影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素分為內(nèi)在因素和外在因素兩個方面。內(nèi)在因素主要為混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層厚度、水灰比和密實(shí)度、水泥品種、標(biāo)號和用量、外加劑類型、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的構(gòu)造、混凝土和鋼筋的應(yīng)力大小、裂縫等。外部因素主要為氣候、潮濕、高溫、氯離子侵蝕、化學(xué)介質(zhì)侵蝕、還有凍融、磨損破壞等。跨海大橋處于海洋環(huán)境下，屬于強(qiáng)氯離子侵蝕環(huán)境，其研究內(nèi)容與普通混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不同的是應(yīng)重點(diǎn)突出氯離子侵蝕及其對鋼筋銹蝕影響的研究。結(jié)合一般大氣環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究內(nèi)容，跨海大橋耐久性研究的主要內(nèi)容用圖1.5示出。1.2.1材料層次的耐久性研究材料的耐久性研究主要是從影響結(jié)構(gòu)耐久性的因素入手，分析它們在單因素或多因素作用下的破壞機(jī)理，建立耐久性損傷的預(yù)報模型和經(jīng)驗(yàn)公式，實(shí)現(xiàn)由定性分析到定量分析的過程。從己有的文獻(xiàn)來看，目前海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)材料耐久性的研究主要集中在氯離子侵蝕和鋼筋銹蝕等方面圖1.5跨海大橋耐久性研究的主要內(nèi)容氯離子侵蝕氯離子侵蝕是引起沿海地區(qū)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕的最主要原因。氯離子半徑小，活性大，具有很強(qiáng)的穿透氧化膜的能力。當(dāng)混凝土中含有氯離子時，氯離子就吸附在膜結(jié)構(gòu)有缺陷的地方，如位錯區(qū)或晶界區(qū)等，使難溶的氫氧化鐵轉(zhuǎn)變成易溶的氯化鐵，致使鋼筋表面的鈍化膜局部破壞。鈍化膜破壞后，露出的金屬便是活化－鈍化原電池的陽極。由于活化區(qū)小，鈍化區(qū)大，構(gòu)成大陰極、小陽極的活化－鈍化電池，鋼筋就產(chǎn)生坑蝕現(xiàn)象。由于坑蝕引起鋼筋截面局部減小，將造成應(yīng)力集中，因而其對結(jié)構(gòu)承載力的危害遠(yuǎn)大于鋼筋的均勻銹蝕破壞。氯離子進(jìn)入混凝土有兩個來源：一種是施工過程中通過細(xì)骨料、拌和用水和摻加的外加劑而摻入混凝土的氯離子，各國規(guī)范對這部分的氯離子含量都有嚴(yán)格限定。例如我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》(JTJ275-2000)規(guī)定，混凝土拌合物中氯離子的最高限值(按水泥質(zhì)量百分率計)鋼筋混凝土不超過0.10%，預(yù)應(yīng)力混凝土不超過0.06%。氯離子進(jìn)入混凝土的另一種方式是外界使用環(huán)境中的氯離子通過滲透、擴(kuò)散、毛細(xì)作用侵入混凝土。研究表明外界遷移進(jìn)入混凝土中的氯離子只有極少量可被混凝土固化成難溶的化合物，大多數(shù)是以自由氯離子的狀態(tài)存在，當(dāng)氯鹽重量達(dá)混凝土重量的0.1-0.2%時就可能引起鋼筋銹蝕。因此由外界進(jìn)入的氯離子對混凝土的危害程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通過摻入進(jìn)入混凝土內(nèi)部的氯離子。鋼筋銹蝕的研究從目前己經(jīng)取研究已經(jīng)取得了一些成果，但還沒達(dá)到共識。(2)鋼筋銹蝕影響因素的研究鋼筋銹蝕受許多因素的影響，其中內(nèi)部因素包括鋼筋位置、鋼筋直徑、水泥品種、混凝土密實(shí)度、保護(hù)層厚度及完好性、混凝土的液相組成等；外部因素有溫度、濕度、周圍介質(zhì)的腐蝕性、周期性的冷熱交替作用等。我國的洪乃豐對鋼筋銹蝕的測試方法、鋼筋銹蝕與堿儲量之間的關(guān)系做了大量的研究。不少學(xué)者研究過不同水泥品種對鋼筋銹蝕的影響；研究過水泥成份對引起的鋼筋銹蝕的影響。(3)鋼筋銹蝕的測定方法我國《普通混凝土長期性能和耐久性試驗(yàn)方法》(GBJ82-85)規(guī)定了用于鋼筋銹蝕試驗(yàn)研究的稱重測量方法；用于現(xiàn)場檢測非破碎測量方法多為電化學(xué)方法，如自然電位法、極化技術(shù)測量法和交流阻抗法；還可以通過破碎直接量取銹蝕深度或與按銹脹裂縫寬度推算值相結(jié)合的方法。目前，檢測鋼筋銹蝕狀態(tài)的方法除了傳統(tǒng)的破損檢測方法之外，無損檢測鋼筋銹量是許多國家正在探求的新技術(shù)。(4)銹蝕鋼筋的力學(xué)性能鋼筋銹蝕后的力學(xué)性能，國內(nèi)外己得的研究成果來看，鋼筋銹蝕的研究主要集中在鋼筋的銹蝕機(jī)理、鋼筋銹蝕影響因素、鋼筋的銹蝕速度、鋼筋的銹蝕程度、鋼筋的銹蝕防護(hù)、鋼筋銹蝕量的預(yù)測及銹蝕后鋼筋力學(xué)性能的研究。鋼筋銹蝕機(jī)理的研究混凝土中的鋼筋銹蝕一般為電化學(xué)銹蝕。《CEB耐久混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計指南》中對鋼筋銹蝕機(jī)理及其影響有詳細(xì)闡述。混凝土中鋼筋銹蝕機(jī)理的研究是認(rèn)識混凝土銹蝕破壞規(guī)律的前提，是建立鋼筋銹蝕模型的基礎(chǔ)，也是研究混凝土耐久性評估方法的基礎(chǔ)。國內(nèi)外對鋼筋銹蝕機(jī)理的有較多的研究，鋼筋銹蝕將會引起鋼筋性能的變化，主要體現(xiàn)在屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、極限延伸率方面。根據(jù)銹蝕鋼筋試驗(yàn)結(jié)果，提出銹蝕后鋼筋屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度降低，銹蝕嚴(yán)重時屈服平臺縮短，甚至消失，并給出根據(jù)鋼筋截面損失率推算銹蝕后鋼筋屈服強(qiáng)度的表達(dá)式。1.2.2構(gòu)件層次的耐久性研究在外界環(huán)境作用下，當(dāng)材料性能劣化后，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力和適用性也隨之降低，從而影響結(jié)構(gòu)的安全和正常使用。因而，混凝土構(gòu)件耐久性的研究是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的前提和基礎(chǔ)。鋼筋銹蝕引起混凝土保護(hù)層脹裂，銹脹裂縫產(chǎn)生后鋼筋的銹蝕加速，大大影響鋼筋混凝土構(gòu)件的耐久性能。因此，鋼筋銹蝕與混凝土脹裂及裂縫寬度的研究對鋼筋混凝土構(gòu)件耐久性研究有重要意義。構(gòu)件的耐久性研究主要內(nèi)容是混凝土強(qiáng)度的經(jīng)時變化、鋼筋的塑性性能變化、構(gòu)件的截面變化、鋼筋與混凝土協(xié)同工作性能的變化等對鋼筋混凝土構(gòu)件力學(xué)性能的影響。1.2.3結(jié)構(gòu)層次的耐久性研究研究結(jié)構(gòu)耐久性的目的主要在于解決新建結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計和己建結(jié)構(gòu)的耐久性評估問題；同時，對于不同耐久性等級的混凝土結(jié)構(gòu)，給出不同的構(gòu)造措施，在保證結(jié)構(gòu)可靠、耐久的前提下，使工程造價最低。混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究包括結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計、耐久性評定和壽命預(yù)測三個方面。耐久性設(shè)計耐久性設(shè)計是指在考慮影響結(jié)構(gòu)耐久性的內(nèi)外因素下，使新設(shè)計的結(jié)構(gòu)可靠度在設(shè)計工作年限內(nèi)不低于規(guī)范要求，也即無需花費(fèi)大量資金維修與加固，在設(shè)計階段就考慮耐久性的影響，無疑是保證結(jié)構(gòu)具有足夠耐久性的最有效方法。1989年歐洲出版的《CEB耐久混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計指南》通過制定結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面的措施，明確了耐久性設(shè)計的意義。1989年日本土木學(xué)會制定了《混凝土結(jié)構(gòu)耐久設(shè)計準(zhǔn)則》(試行)，要求構(gòu)件各部位的耐久指數(shù)T大于或等于環(huán)境指數(shù)S，這種方法雖然簡單實(shí)用，但與目前規(guī)范采用的以近似概率為基礎(chǔ)的設(shè)計方法不協(xié)調(diào)，且取值主觀性較大。我國的《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南》也規(guī)定對于重要的工程以及處于明顯侵蝕環(huán)境下的各種結(jié)構(gòu)工程，應(yīng)該強(qiáng)制規(guī)定在結(jié)構(gòu)設(shè)計中納入耐久性設(shè)計的內(nèi)容。結(jié)構(gòu)耐久性評定結(jié)構(gòu)的耐久性評定是通過現(xiàn)場采集到的大量特征參數(shù)，應(yīng)用適合的分析方法，對當(dāng)前的耐久狀況進(jìn)行等級評定，最終確定結(jié)構(gòu)今后可靠性降低的情況。由于混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性是一個由相互關(guān)聯(lián)、相互制約的眾多因素構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，因此研究單一因素作用下的結(jié)構(gòu)耐久性沒有實(shí)際意義。有關(guān)結(jié)構(gòu)的耐久性評定，從己取得的成果來看，主要包括基于構(gòu)件耐久性損傷加權(quán)的耐久性評定、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的耐久性評定和基于可靠度的耐久性評定等。本文主要應(yīng)用基于可靠度的耐久性評定方法對杭州灣跨海跨海特大橋進(jìn)行耐久性評定，并回歸出評估模型，以便用于同類型橋梁的耐久性評估。結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測建筑結(jié)構(gòu)與其它產(chǎn)品一樣，都具有使用壽命，建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命可以分為自然壽命和無形壽命。建筑結(jié)構(gòu)的自然壽命也稱為結(jié)構(gòu)的使用壽命或耐久年限，是指建筑結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護(hù)條件下，仍然具有其預(yù)定使用功能的時間。結(jié)構(gòu)的無形壽命是指建筑結(jié)構(gòu)尚未達(dá)到其自然壽命之前，由于種種原因終止其原有使用功能的時間。海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的預(yù)測主要包括氯離子侵蝕壽命預(yù)測、銹脹開裂壽命預(yù)測和結(jié)構(gòu)承載力壽命預(yù)測三個部分。在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行壽命預(yù)測時，關(guān)鍵是確定結(jié)構(gòu)壽命終結(jié)的標(biāo)準(zhǔn)，也就是結(jié)構(gòu)壽命的評估準(zhǔn)則。由于不同國家、不同學(xué)者對結(jié)構(gòu)壽命認(rèn)識的角度不同，就出現(xiàn)了不同的對結(jié)構(gòu)壽命狀態(tài)的界定。結(jié)構(gòu)作為一個復(fù)雜系統(tǒng)，影響因素錯綜復(fù)雜，因而對壽命預(yù)測的研究有一定的難度。

2氯離子環(huán)境下鋼筋銹蝕的研究混凝土中水泥水化后在鋼筋表面形成一層致密的鈍化膜，故在一般情況下鋼筋不會銹蝕，但鈍化膜一旦遭到破壞，在有足夠水和氧氣的條件下會產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。由于鋼筋銹蝕，一方面使鋼筋有效截面積減小，另一方面，銹蝕產(chǎn)物體積膨脹使混凝土保護(hù)層脹裂甚至脫落，鋼筋與混凝土粘結(jié)作用下降，破壞它們共同工作的基礎(chǔ)，從而嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)物的安全性和正常使用性能。本章主要從氯離子環(huán)境下鋼筋銹蝕機(jī)理、影響因素以及預(yù)測模型等方面進(jìn)行探討。2.1氯離子環(huán)境下鋼筋銹蝕機(jī)理混凝土孔隙中是堿度很高的Ca(OH)2飽和溶液，pH值在12.5左右，由于混凝土中還含有少量Na2O、K2O等鹽分，實(shí)際pH值可超過13。牢固地吸附在鋼筋表面，使鋼筋處于鈍化狀態(tài)，即使在有水分和氧氣地條件下鋼筋也不會發(fā)生銹蝕，故稱“鈍化膜”。在海洋環(huán)境下混凝土中鋼筋銹蝕的機(jī)理與一般大氣環(huán)境下鋼筋銹蝕的機(jī)理有所差異，一般大氣環(huán)境下鋼筋銹蝕主要是由混凝土中性化破壞鋼筋表面的鈍化膜所致；而海洋環(huán)境下主要是由于氯離子侵蝕引起的，許多調(diào)查表明，即使混凝土碳化深度較淺，在氯離子含量較高的情況下鋼筋也容易遭受腐蝕。這是由于氯離子的半徑小、活性大，穿透力非常強(qiáng)，當(dāng)鋼筋周圍混凝土孔隙液中氯離子達(dá)到一定濃度時，氯離子吸附在膜結(jié)構(gòu)有缺陷的地方，如位錯區(qū)或晶界區(qū)等，使難溶的氫氧化鐵轉(zhuǎn)變成易溶的FeCl2，致使鋼筋表面的鈍化膜局部破壞，形成坑蝕現(xiàn)象。如果在鋼筋表面分布比較均勻，這種坑蝕現(xiàn)象便會廣泛地發(fā)生，點(diǎn)蝕坑擴(kuò)大、合并，發(fā)生大面積地腐蝕。在鋼筋銹蝕過程中氯離子僅起到催化作用，并不改變銹蝕產(chǎn)物的組成，氯離子在混凝土中的含量也不會因腐蝕反應(yīng)而減少。由此可見，一旦氯離子的含量超過臨界值，若不采取處理措施，腐蝕工程將會不斷進(jìn)行下去。氯離子導(dǎo)致的鋼筋銹蝕是一個非常復(fù)雜的電化學(xué)過程，銹蝕過程見圖2.1。(1)在陽極，鐵失去電子變成鐵離子，由于水溶性氯化鐵的形成，鋼筋表面鈍化膜破壞。陽極反應(yīng)如下：(2)在陰極，電子、水、氧轉(zhuǎn)化成氫氧根離子。陰極反應(yīng)不引起鋼筋的任何損傷，反而起到保護(hù)鋼筋的作用。陰極反應(yīng)如下：(3)氫氧根離子通過陰陽極之間所產(chǎn)生的帶電區(qū)域向陽極方向傳遞帶有負(fù)電荷的離子。在陽極附近向含氧量高的混凝土孔溶液中遷移，。根據(jù)周圍條件，這些產(chǎn)物可能繼續(xù)反應(yīng)，生成最終的鐵銹。圖2.1氯離子侵蝕鋼筋銹蝕圖混凝土中的鋼筋一旦發(fā)生銹蝕，在鋼筋表面生成一層疏松的銹蝕產(chǎn)物，同時向周圍混凝土孔隙中擴(kuò)散。銹蝕產(chǎn)物體積比未腐蝕鋼筋的體積要大得多，因銹蝕產(chǎn)物最終形式不同而異，一般可達(dá)鋼筋腐蝕量的2-4倍。銹蝕產(chǎn)物的體積膨脹使鋼筋外圍混凝土產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力，當(dāng)環(huán)向拉應(yīng)力達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度時，在鋼筋與混凝土界面處將出現(xiàn)內(nèi)部徑向裂縫，隨著鋼筋銹蝕的進(jìn)一步加劇、鋼筋銹蝕量的增加，徑向內(nèi)裂縫向混凝土表面發(fā)展，直到混凝土保護(hù)層開裂產(chǎn)生順筋方向的銹脹裂縫，甚至保護(hù)層脫落，嚴(yán)重影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的正常使用。2.2鋼筋銹蝕的主要特點(diǎn)2.2.1混凝土具有較好的抗壓性能，但其抗折、抗裂性差，尤其鋼筋表面混凝土缺乏足夠的厚度時，鋼筋銹蝕產(chǎn)物體積發(fā)生膨脹，足以使鋼筋表面發(fā)生混凝土順筋開裂。大量試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐表明，鋼筋表面銹層厚度很薄時，便可導(dǎo)致混凝土順筋開裂。換言之，鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土開裂是容易發(fā)生的。設(shè)計、施工、使用、管理及維護(hù)人員，認(rèn)識到這一點(diǎn)十分重要。欲使混凝土不發(fā)生順鋼筋開裂，提高結(jié)構(gòu)物的耐久性，其著眼點(diǎn)就是要最大限度地阻止鋼筋生銹，而不應(yīng)立足于銹蝕發(fā)生后再采取補(bǔ)救措施。混凝土一旦發(fā)生順筋開裂，腐蝕介質(zhì)更容易到達(dá)鋼筋表面，鋼筋銹蝕的速度將會大大加快。研究和工程實(shí)踐表明，這時鋼筋銹蝕的速度，有可能快于裸露于大氣中的鋼筋。這是由于裂縫處更易促成電化學(xué)腐蝕的發(fā)生和發(fā)展。由此引出兩個重要觀念：一是要阻止鋼筋生銹，二是鋼筋銹蝕一旦發(fā)生或初見混凝土順鋼筋開裂時，就立即采取防護(hù)措施。這是被提高了的新認(rèn)識，對于預(yù)防鋼筋銹蝕破壞、提高結(jié)構(gòu)物的耐久性具有重要指導(dǎo)意義，更具有巨大經(jīng)濟(jì)價值。2.2.2初見混凝土發(fā)生順筋開裂時，結(jié)構(gòu)物物理力學(xué)性能、承載能力等，可能還沒有發(fā)生明顯變化(這是人們不重視初始順鋼筋開裂的重要原因之一)。然而，隨著裂縫的不斷加寬，混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)力也隨之下降(下降速度取決于鋼筋銹蝕速度)，滑移增大，構(gòu)件變形。當(dāng)“粘結(jié)力”喪失到一定程度時，局部或整體失效便會發(fā)生。這時的鋼筋銹蝕程度也并不一定十分嚴(yán)重。那些對“粘結(jié)”敏感的構(gòu)件，更具重要性。2.2.3鋼筋斷面損失混凝土中鋼筋銹蝕，一般分為局部腐蝕(如坑蝕)和全面腐蝕(均勻腐蝕)，常常是局部腐蝕為主而造成鋼筋斷面損失，其損失率達(dá)到極限時，構(gòu)件便會發(fā)生破壞。應(yīng)該說明的是，從鋼筋銹蝕、混凝土順筋開裂到構(gòu)件破壞，是一個復(fù)雜的演變過程，不僅取決于鋼筋銹蝕的發(fā)展速度，也取決于構(gòu)件的承載能力及鋼筋的受力狀態(tài)等。故有時鋼筋銹蝕并不十分嚴(yán)重，構(gòu)件就破壞了，而有時鋼筋出現(xiàn)明顯的斷面損失，構(gòu)件卻還在支撐著。對于鋼筋斷面損失與構(gòu)件承載能力之間的關(guān)系，尚待進(jìn)一步研究。2.3影響跨海大橋混凝土中鋼筋銹蝕的主要因素2.3.1混凝土的水分越多，混凝土的導(dǎo)電性能越好，鋼筋的電化學(xué)腐蝕越快。鋼筋發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的另一個必要條件是鋼筋表面的水膜中必須有氧氣。水中溶解的氧氣越多，鋼筋的腐蝕速度越快。2.3.在相同的環(huán)境下，混凝土越密實(shí)，保護(hù)層越厚，外界腐蝕介質(zhì)、氧氣和水分等滲入的速度就越慢，鋼筋腐蝕的速度就越慢。2.3.3混凝土裂縫對鋼筋銹蝕的影響混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫與鋼筋的腐蝕相互作用，可以加劇混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕破壞。一方面，混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫會增加混凝土的滲透性，加速混凝土的碳化和侵蝕性介質(zhì)的侵蝕，使鋼筋的腐蝕加重；另一方面，鋼筋的腐蝕膨脹又會造成混凝土的開裂，進(jìn)一步加重鋼筋的電化學(xué)腐蝕。2.3.4氯離子對鋼筋銹蝕的影響氯離子進(jìn)入混凝土有兩個來源：一種是在攪拌、澆注時摻入的，如加入氯化鈣、氯化鈉等氯化物速凝劑、早強(qiáng)劑及抗凍劑；用海水進(jìn)行混凝土攪拌混料或用未經(jīng)清洗或未經(jīng)充分清洗的海撈砂作骨料時進(jìn)入的海鹽，這部分氯離子含量有嚴(yán)格限定（不超過水泥重量的1%）。另一種是在凝結(jié)硬化后由外界通過擴(kuò)散滲入的，例如氯離子可以直接由海水?dāng)U散進(jìn)浪濺區(qū)、水位變動區(qū)、水下區(qū)的混凝土中，而漂浮在空氣中的氯離子可以隨臺風(fēng)等進(jìn)入大氣區(qū)或近海的混凝土中。研究表明外界遷移進(jìn)入混凝土中的氯離子大多是以自由氯離子的狀態(tài)存在，當(dāng)氯鹽重量達(dá)到混凝土重量的0.1-0.2%時就可能引起鋼筋銹蝕，其危害程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通過摻入進(jìn)入混凝土內(nèi)部的氯離子。氯離子通過混凝土內(nèi)部的孔隙和裂縫體系從周圍環(huán)境向混凝土內(nèi)部傳遞，氯離子的傳輸過程是一個復(fù)雜的過程，涉及到許多機(jī)理，目前已經(jīng)了解的氯離子侵入混凝土的方式主要有以下幾種：毛細(xì)管作用，即鹽水向混凝土內(nèi)部干燥的部分移動；滲透作用，即在水壓力作用下，鹽水向壓力較低的方向移動；擴(kuò)散作用，即由于濃度差的作用，氯離子從濃度高的地方向濃度低的地方移動；電化學(xué)遷移，即氯離子向電位較高的方向移動。通常氯離子的侵入是幾種方式的組合，另外還受到氯離子與混凝土材料之間的化學(xué)結(jié)合、物理粘結(jié)、吸附等作用的影響。氯離子進(jìn)入混凝土后對鋼筋銹蝕的主要作用為：①破壞鈍化膜氯離子進(jìn)入混凝土中并到達(dá)鋼筋表面，當(dāng)它吸附于局部鈍化膜時，可使該處的PH值迅速下降，PH值可降低到4以下，破壞鋼筋鈍化膜。②形成腐蝕電池氯離子對鋼筋表面鈍化膜的破壞首先發(fā)生在局部(點(diǎn))，使這些部位(點(diǎn))露出鐵基體，與尚完好的鈍化膜構(gòu)成電位差，鐵基體作為陽極而受腐蝕，大面積的鈍化膜區(qū)為陰極。腐蝕電池的結(jié)果是鋼筋表面開始發(fā)生點(diǎn)蝕(坑蝕)。③陽極去極化作用鋼筋陽極反應(yīng)過程是2Fe→2Fe2++4e,如果生成的Fe2+不能及時搬運(yùn)走而累積于陽極表面，則陽極反應(yīng)由于Fe2+飽和而減慢停止。但由于與Fe2+反應(yīng)生成FeCl2，能消耗Fe2+，從而加速了陽極反應(yīng)。不僅如此，F(xiàn)eCl2是可溶的，當(dāng)它向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散時遇到，立即反應(yīng)生成Fe(OH)2(鐵銹)和。由此可見，進(jìn)入混凝土中的只是起到了搬運(yùn)作用，不被消耗，會周而復(fù)始的起破壞作用。④的導(dǎo)電作用腐蝕電池的要素之一是要有離子通道。混凝土中的存在，強(qiáng)化了離子通道，降低了陰、陽極之間的電阻，提高了腐蝕電池的效率，從而加速了電化學(xué)腐蝕。2.4海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋防銹措施海洋環(huán)境下防止鋼筋銹蝕的措施主要針對氯離子侵蝕，可采取基本措施和補(bǔ)充措施兩類。前者的主要目的是提高混凝土本身的性能，以增加對鋼筋的防護(hù)能力，后者是在因環(huán)境侵蝕特別嚴(yán)重或因混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工不當(dāng)，使基本防腐措施不足以保證時，增加的其他保護(hù)措施。2.4.11．控制原材料中氯化物的含量除按照施工質(zhì)量的要求選擇合適的原材料，嚴(yán)格控制材料的氯化物含量和避免氯化物的污染是混凝土中氯離子不超標(biāo)的前提條件，混凝土的原材料主要有水泥、水、砂、石子和外加劑等，因特殊需要在生產(chǎn)過程加入氯化物的水泥要嚴(yán)格控制氯離子含量，并對其使用范圍有所限制。如在潮濕并含有氯離子環(huán)境中的鋼筋混凝土，氯化物總含量不得超過水泥重量的0.1%。2．提高混凝土本身的密實(shí)性，加強(qiáng)對鋼筋的防護(hù)能力正常情況下，優(yōu)質(zhì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有長期抵制環(huán)境介質(zhì)侵蝕的能力，因此，最大限度提高混凝土本身的密實(shí)性和保持對鋼筋的防護(hù)能力，是預(yù)防混凝土中鋼筋銹蝕的措施中最有效和經(jīng)濟(jì)的根本方法。提高混凝土本身密實(shí)性的主要方法有：適當(dāng)增加混凝土保護(hù)層的厚度；改善混凝土結(jié)構(gòu)，如選擇優(yōu)質(zhì)原料，引入外加劑、合理施工、使用新型混凝土等。2.4.21．采用耐腐蝕鋼筋耐腐蝕鋼筋的主要品種有：耐腐蝕低合金鋼、包銅鋼筋、鍍鋅鋼筋。環(huán)氧涂層鋼筋，目前應(yīng)用較多的是環(huán)氧涂層鋼筋，使用環(huán)氧涂層鋼筋使鋼筋成本增加1/3-1/5，施工工藝要求高，環(huán)氧涂層鋼筋在裝卸、運(yùn)輸和彎曲等過程中必須保證涂層完整，否則，即使在鋼筋涂層上有一點(diǎn)小損壞，也會使該處發(fā)生鋼筋“坑蝕”，從而導(dǎo)致鋼筋在該處加速腐蝕，腐蝕速率比普通鋼筋要快。2．應(yīng)用鋼筋阻銹劑鋼筋阻銹劑加入混凝土中，通過單分子層的化學(xué)反應(yīng)阻止或減緩鋼筋腐蝕。阻銹劑能有效抑制混凝土內(nèi)氯離子的活化作用，主要用于預(yù)防氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕，使用方便，可均勻分布于混凝土保護(hù)層中，且費(fèi)用相對較低，是一種經(jīng)濟(jì)有效的防護(hù)措施。3．陰極保護(hù)陰極保護(hù)能直接抑制鋼筋自身的電化學(xué)腐蝕過程，尤其適用于易受氯化物污染的混凝土中鋼筋的保護(hù)，是目前保護(hù)混凝土中鋼筋最有效且經(jīng)濟(jì)的方法之一。陰極保護(hù)可分為犧牲陽極保護(hù)法和外加電流陰極保護(hù)法。前者是采用比鋼電位更負(fù)的鋁合金等作為陽極與鋼筋電連接，靠自身的腐蝕提供自由電子實(shí)現(xiàn)對鋼筋的保護(hù)；后者則是以直流電源的負(fù)極與被保護(hù)的鋼筋連接，正極與難溶性的輔助鋼筋相接，提供保護(hù)電流使鋼筋發(fā)生陰極極化而受到保護(hù)。外加電流陰極保護(hù)法的應(yīng)用較廣泛，發(fā)展迅速，近10年已應(yīng)用于新的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。4.混凝土表面涂覆為防止水、氯化物、氧氣和二氧化碳等侵蝕介質(zhì)滲入混凝土，以延緩鋼筋銹蝕，對于修補(bǔ)過的混凝土或新澆注的混凝土結(jié)構(gòu)，在混凝土表面涂覆各種保護(hù)層，作為混凝土第一道紡線，往往是一種比較簡便、經(jīng)濟(jì)、有效的輔助性保護(hù)措施。

3跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久壽命可以表示為：式中：TC—承載力決定的壽命,按可靠度方法計算；TD—耐久性決定的壽命。對于承載力極限狀態(tài)的要求，結(jié)構(gòu)的可靠度用可靠指標(biāo)β表示,計算出銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)β隨時間下降曲線，按照規(guī)范容許可靠度指標(biāo)[β]的要求，可預(yù)測銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的剩余壽命。但是對于正常使用極限狀態(tài)的要求，尤其是耐久性的要求，用可靠度計算時涉及不確定因素及未知因素過多。因此，關(guān)于結(jié)構(gòu)正常使用的可靠度研究處于探索階段，專門對于耐久性的可靠度研究則更少。本章主要從承載力耐久性方面，研究了海洋環(huán)境下基于可靠度的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估。3.1可靠度理論3.1.1基本概念1．極限狀態(tài)整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)，就不能滿足預(yù)定的功能要求，此特定狀態(tài)稱之為極限狀態(tài)。2．功能函數(shù)結(jié)構(gòu)功能函數(shù)是用來描述結(jié)構(gòu)各種功能的，以受到的影響因素作為自變量的函數(shù)。簡寫成Z=R-S(3.3)3．極限狀態(tài)方程結(jié)構(gòu)功能函數(shù)的值可反映結(jié)構(gòu)所處狀況：Z=R-S>0結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)Z=R-S<0結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)Z=R-S=0結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)所以承載能力極限狀態(tài)方程可寫成：Z=R-S=0(3.4)式中S-作用效應(yīng)；R-結(jié)構(gòu)抗力。結(jié)構(gòu)的抗力取決于結(jié)構(gòu)所用材料的強(qiáng)度和構(gòu)件的幾何尺寸，無論是鋼筋或是混凝土的強(qiáng)度都是有變異的，構(gòu)件的幾何尺寸由于制造工藝和操作技術(shù)的因素也是隨機(jī)變量，另外受外界環(huán)境的影響，如混凝土炭化和氯離子侵蝕導(dǎo)致的鋼筋銹蝕，使結(jié)構(gòu)抗力隨時間降低，因此，結(jié)構(gòu)抗力是隨時間變化的，確切的表示應(yīng)為R(t)，另外，結(jié)構(gòu)荷載在時間和強(qiáng)度上是隨機(jī)發(fā)生的，因此結(jié)構(gòu)的可靠度模型可以表示為：Z(t)=R(t)-S(t)(3.5)式中：t一結(jié)構(gòu)使用時間；S(t)一荷載效應(yīng)隨機(jī)過程；R(t)一結(jié)構(gòu)抗力隨機(jī)過程；S(t)一極限狀態(tài)隨機(jī)過程。上式稱為可靠度的全隨機(jī)過程模型，又稱為極限狀態(tài)方程。極限狀態(tài)可分為：承載能力極限狀態(tài)一彎曲破壞、剪切破壞、受拉破壞等；正常使用極限狀態(tài)一裂縫、變形、振動等。4．結(jié)構(gòu)的可靠概率與失效概率由于荷載效應(yīng)S與結(jié)構(gòu)抗力R都具有隨機(jī)性，結(jié)構(gòu)功能函數(shù)Z=R-S也具有隨機(jī)性，是隨機(jī)過程，其統(tǒng)計值都可以用概率分布曲線來表示，假定S與R都服從正態(tài)分布，那么Z=R-S也服從正態(tài)分布，如圖3.1和圖3.2所示。可靠狀態(tài)和失效狀態(tài)的大小用概率表示，前者稱為可靠概率，也就是結(jié)構(gòu)可靠度，后者稱為失效概率。可靠概率：失效概率：式中Z的概率密度函數(shù)為μZ是Z的平均值；σZ是Z的標(biāo)準(zhǔn)差。可靠概率與失效概率之和ps+pf=100%令并作積分變換得：結(jié)構(gòu)可靠概率ps=φ(β)；結(jié)構(gòu)失效概率pf=φ(-β)。式中φ為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。5．結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)β圖3.3和圖3.4中的陰影面積表示失效概率，由圖可見Zσ相同時Zμ越大，陰影面積越小，Zμ相同時Zσ值越大，陰影面積越大，因此可靠概率的大小可以用平均值Zμ和標(biāo)準(zhǔn)差Zσ同時來反映，不能只用其一。目前工程上常用可靠指標(biāo)β來表示結(jié)構(gòu)的可靠度，引入隨時間變化的β表達(dá)式如下：6.可靠度與失效概率的關(guān)系由表3.1可以看出隨著可靠指標(biāo)β的提高，失效概率減少，即可靠概率越大。7.目標(biāo)可靠指標(biāo)[β]為設(shè)計規(guī)范所規(guī)定的作為設(shè)計結(jié)構(gòu)或構(gòu)件時所應(yīng)達(dá)到的可靠指標(biāo)，稱為設(shè)計可靠指標(biāo)，它是根據(jù)設(shè)計所要求達(dá)到的結(jié)構(gòu)可靠度而選定的，所以又稱為目標(biāo)可靠指標(biāo)。公路橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的目標(biāo)可靠指標(biāo)規(guī)定值見表3.2。目標(biāo)可靠度的確定從理論上應(yīng)根據(jù)各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重要性、破壞性質(zhì)及失效后果等因素，并結(jié)合國家技術(shù)政策以優(yōu)化方法分析確定。但實(shí)際上限于目前統(tǒng)計資料還不夠完備，并考慮到規(guī)范的現(xiàn)實(shí)繼承性，采用“校準(zhǔn)法”，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)加以確定。所謂“校準(zhǔn)法”就是根據(jù)各種變量的統(tǒng)計參數(shù)和概率分布類型，運(yùn)用可靠度的計算方法，揭示以往規(guī)范隱含的可靠度，以此作為確定目標(biāo)可靠指標(biāo)的主要依據(jù)。這種方法在總體上承認(rèn)了以往規(guī)范的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和可靠度水平，同時也考慮了淵源于客觀實(shí)際的調(diào)查統(tǒng)計分析資料，是比較現(xiàn)實(shí)和穩(wěn)妥的。可靠度概念中的“規(guī)定時間”即設(shè)計基準(zhǔn)期，是在進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性分析時，考慮持久設(shè)計狀況下各項(xiàng)基本變量與時間關(guān)系所采用的基準(zhǔn)時間參數(shù)。設(shè)計基準(zhǔn)期不能簡單地理解為結(jié)構(gòu)的使用壽命，兩者有聯(lián)系但不等同。當(dāng)結(jié)構(gòu)的使用年限超過設(shè)計基準(zhǔn)期時，表明它的失效概率可能會增大，不能保證其目標(biāo)可靠指標(biāo)，但不等于結(jié)構(gòu)喪失所要求的功能甚至報廢。根據(jù)我國公路橋梁的使用現(xiàn)狀和以往的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，我國公路橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準(zhǔn)期統(tǒng)一取為100年。3.1.2可靠度計算的蒙特卡羅方法蒙特卡羅方法是一種采用統(tǒng)計抽樣近似理論近似地求解數(shù)學(xué)問題或物理問題的方法，所以蒙特卡羅方法又稱統(tǒng)計實(shí)驗(yàn)方法或隨機(jī)模擬方法，是隨著電子計算機(jī)的發(fā)展而逐步發(fā)展起來的一種獨(dú)特的數(shù)值方法。用蒙特卡羅方法解決問題的基本思想是：首先建立與描述問題有相似性的概率模型，并利用這種相似性把這個概率模型的某些特征（如隨機(jī)變量的均值、方差等）與數(shù)學(xué)計算問題的解答聯(lián)系起來，然后對模型進(jìn)行隨機(jī)模擬或統(tǒng)計抽樣，最終利用所得結(jié)果求出這些特征的統(tǒng)計估計值作為原來的數(shù)學(xué)計算問題的近似解。就結(jié)構(gòu)可靠度分析（失效概率的計算）而言，用蒙特卡羅方法來研究事件的隨機(jī)性是非常自然的。蒙特卡羅方法就是以最簡單的方法，隨機(jī)地對每一個隨機(jī)變量Xi進(jìn)行抽樣以得出一個樣本值Xi，然后對是否出現(xiàn)功能函數(shù)G(Xi)0∧≤進(jìn)行檢查，如果超過了極限狀態(tài)，則認(rèn)為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件已經(jīng)“失效”了。用蒙特卡羅方法求解結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)的步驟如下：1.利用隨機(jī)抽樣以獲得每一個變量的樣本值X1,X2,Xn，如圖3.1所示。2.根據(jù)上述的抽樣值，計算功能函數(shù)式的值Z:Zg(X1,X2,Xn)3.設(shè)進(jìn)行了N次這樣的試驗(yàn)（抽樣），求出N次試驗(yàn)得到的Z的平均值μZ和標(biāo)準(zhǔn)差σZ，那么結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)可用下式近似計算：蒙特卡羅方法研究可靠度的優(yōu)點(diǎn)是，回避了結(jié)構(gòu)可靠度分析中的數(shù)學(xué)困難，不需要考慮極限狀態(tài)曲面的復(fù)雜性；缺點(diǎn)是計算量大。因此實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中必須選擇一項(xiàng)合適的、經(jīng)濟(jì)可靠的模擬技術(shù)或抽樣策略，并能夠確定合理的抽樣數(shù)量。結(jié)構(gòu)可靠度分析的蒙特卡羅方法正逐步為廣大的工程技術(shù)人員所接受，并成為結(jié)構(gòu)可靠度分析和設(shè)計的一個重要組成部分。3.1.3橋梁結(jié)構(gòu)抗力模型和荷載模型抗力模型現(xiàn)行的工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不考慮結(jié)構(gòu)抗力隨時間的變化，而抗力衰減是銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化的必然結(jié)果。影響結(jié)構(gòu)抗力的因素很多，包括環(huán)境侵蝕、材料劣化、截面尺寸、加載齡期以及加載速度等，在做抗力統(tǒng)計分析之前，須先確定構(gòu)件材料性能的不確定性、構(gòu)件幾何參數(shù)的不確定性和構(gòu)件計算模式的不確定性三個因素的統(tǒng)計參數(shù)。(1)構(gòu)件材料性能的不確定性主要是指由于材料品質(zhì)以及制作工藝、受荷狀況、外形尺寸、環(huán)境條件等因素一起的構(gòu)件中材料性能的變異性，用隨機(jī)變量KM表示。在結(jié)構(gòu)工程中，各種材料性能的標(biāo)準(zhǔn)值是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試件和標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法確定的，由于標(biāo)準(zhǔn)試件本身的材料性能具有不確定性，且它與真實(shí)材料之間也有不確定因素，因此，對于構(gòu)件材料性能的不確定性，不僅要考慮標(biāo)準(zhǔn)試件性能的變異，還要進(jìn)一步考慮實(shí)際構(gòu)件材料性能和標(biāo)準(zhǔn)試件材料性能的差異、構(gòu)件實(shí)際工作條件與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件的差異產(chǎn)生的不確定性等。表3.3和表3.4分別給出了鋼筋和混凝土兩種材料性能不確定性統(tǒng)計參數(shù)。(2)構(gòu)件幾何參數(shù)的不確定性主要是指制作尺寸偏差和安裝誤差等引起的結(jié)構(gòu)構(gòu)件幾何參數(shù)的變異性，用隨機(jī)變量KA表示。構(gòu)件幾何參數(shù)的統(tǒng)計參數(shù)，可根據(jù)正常情況下結(jié)構(gòu)構(gòu)件幾何尺寸的實(shí)測數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計分析而獲得。表3.5給出了部分幾何參數(shù)不確定性AK的統(tǒng)計分析結(jié)果。(3)構(gòu)件計算模式的不確定性主要是指抗力計算過程中采用的基本假設(shè)和計算公式的不確定性引起的變異性，用隨機(jī)變量KP表示。表3.6給出了五種橋梁基本構(gòu)件的KP統(tǒng)計結(jié)果。通過對上述不確定性因素的綜合分析，鋼筋混凝土構(gòu)件抗力統(tǒng)計參數(shù)匯總表見表3.7，總的說來，表3.7中的抗力統(tǒng)計參數(shù)基本反映了目前我國橋梁工程各類構(gòu)件的實(shí)際狀況，用其進(jìn)行可靠度分析所得的可靠度指標(biāo)也能與工程經(jīng)驗(yàn)相吻合。荷載模型車輛荷載以多個參數(shù)(車重或軸重、車間距、軸距)影響著產(chǎn)生于橋梁結(jié)構(gòu)中的效應(yīng)，直接引入橋梁可靠度分析有較大困難，為此，可通過不同橋型、各種跨徑的大量計算求得具有控制作用的各類荷載效應(yīng)。為使統(tǒng)計結(jié)果適用于各類橋型和各種跨徑，取與現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)荷載效應(yīng)值的比值做效應(yīng)的統(tǒng)計分析，即以無量綱參數(shù)KSQ=SQ/SQK為統(tǒng)計分析對象，其中SQ為實(shí)測車輛荷載計算的效應(yīng)值，SQK為現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)車輛計算的效應(yīng)值。一般運(yùn)行狀態(tài)時汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)采用汽車20級，密集運(yùn)行狀態(tài)時汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)采用汽車－超20級，其統(tǒng)計分析結(jié)果見表3.8。3.2海洋環(huán)境下基于可靠度的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估結(jié)構(gòu)耐久性是指結(jié)構(gòu)在正常設(shè)計、正常施工、正常使用和正常維護(hù)條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)，雖然結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能隨時間劣化，但仍能滿足預(yù)定功能的能力。結(jié)構(gòu)耐久性評估是指對現(xiàn)有的混凝土結(jié)構(gòu)，通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄔu價其現(xiàn)有的可靠性，預(yù)測該結(jié)構(gòu)今后可靠性降低情況，最終預(yù)測該結(jié)構(gòu)的使用壽命。海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性失效原則一般采用承載力壽命原則，承載力壽命原則是考慮鋼筋銹蝕等引起的抗力退化，以構(gòu)件的承載力降低到某一界限值作為耐久性失效的極限狀態(tài)，從可靠度理論分析可以描述為：對表征承載力極限狀態(tài)的功能函數(shù)Z(t)，當(dāng)可靠指標(biāo)β下降到某一水平時，稱為該極限狀態(tài)耐久性失效。3.2.1海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命評估準(zhǔn)則結(jié)構(gòu)的使用壽命或耐久年限的定義為結(jié)構(gòu)在正常使用和正常維護(hù)條件下，仍然具有其預(yù)定使用功能的時間。海洋環(huán)境下影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素之一是混凝土中的鋼筋銹蝕，由于人們目前尚不能較好地把握混凝土中鋼筋銹蝕的全過程，致使在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性極限狀態(tài)的確定上未能達(dá)成共識。3.2.2鋼筋混凝土偏心受壓短柱的時變可靠度分析偏心受壓短柱時變可靠度分析偏心受壓柱是混凝土結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件之一，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的可靠度分析中，偏心受壓柱一直是人們感興趣的研究內(nèi)容，對混凝土偏心受壓柱進(jìn)行可靠度分析的難點(diǎn)在于柱所受的軸力和彎矩的相互作用，這種作用使得可靠度計算必須處理相關(guān)隨機(jī)變量。圓形柱是橋墩常采用的截面形式，在跨海橋梁中，橋墩受到氯離子侵蝕最嚴(yán)重。本文在前人研究的基礎(chǔ)上著重對圓形截面混凝土偏心受壓短柱的可靠度進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。計算簡圖如圖3.6所示。圖3.6沿周邊均勻配筋的圓形截面偏心受壓構(gòu)件計算沿周邊均勻配置縱向鋼筋的圓形截面鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件正截面承載能力的計算表達(dá)式為：在對鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行可靠度計算時，由于軸力和彎距相對大小不同，截面受力狀態(tài)不同，最后的破壞形態(tài)就不同。因此，對偏心受壓構(gòu)件必須先判別構(gòu)件的破壞形態(tài)，即判斷大小偏心，然后根據(jù)不同的計算模型計算正截面抗壓承載能力。大偏心受壓狀態(tài)下的計算較為簡單些，而小偏心受壓的計算相對復(fù)雜的多，構(gòu)造閉合解十分困難，比較而言，采用蒙特卡羅方法直接模擬要方便得多。對于給定的偏心矩，結(jié)構(gòu)抗力采用蒙特卡羅方法可得到不同時刻N(yùn)R和MR的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。具體計算步驟如下：(1)建立混凝土偏心受壓構(gòu)件的抗力函數(shù)，輸入不同時刻各設(shè)計變量的統(tǒng)計參數(shù)和偏心距值；(2)應(yīng)用乘余同法產(chǎn)生一組隨機(jī)數(shù)；(3)將材料強(qiáng)度和幾何尺寸等設(shè)計變量進(jìn)行隨機(jī)模擬，進(jìn)而得到設(shè)計變量隨機(jī)模擬的統(tǒng)計參數(shù)；(4)根據(jù)式3.23計算混凝土偏心受壓構(gòu)件的軸力和彎矩的抗力模擬值；(5)重復(fù)上述步驟(2)-(4)，直至n=100000次為止；(6)對已產(chǎn)生的n組抗力（即軸力和彎矩值）進(jìn)行統(tǒng)計分析，可得到抗力的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；(7)給出一組偏心距，可求得相應(yīng)的混凝土受壓構(gòu)件截面的M-N曲線及抗力平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。根據(jù)求得的M、N的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差用中介紹的蒙特卡羅方法求得該構(gòu)件的可靠度指標(biāo)。偏心受壓短柱可靠度指標(biāo)的影響因素偏心受壓構(gòu)件為一沿海地區(qū)使用35年的混凝土偏心受壓短柱，r=150cm圓形截面，均勻配筋，材料選用C30混凝土和HRB335鋼筋。計算參數(shù)：d0=150cm，水灰比W/C=0.40，保護(hù)層厚度c=7.5cm，混凝土表面氯離子濃度C0和氯離子擴(kuò)散系數(shù)D用表2.2中的統(tǒng)計結(jié)果。認(rèn)為結(jié)構(gòu)抗力的分布類型為對數(shù)正態(tài)分布，其變異系數(shù)VR=0.15。該柱承受永久荷載產(chǎn)生的軸向壓力為SG，其平均值為4630kN，標(biāo)準(zhǔn)差454kN，活載產(chǎn)生的軸向壓力為SQ，其平均值為884kN，標(biāo)準(zhǔn)差265.2kN。1．偏心距對可靠度指標(biāo)的影響假定荷載完全相關(guān)，即e0R=e0S=常數(shù)，極限狀態(tài)方程如(3.25)式所示，用蒙特卡羅方法求得的可靠度指標(biāo)曲線如圖3.6所示，由圖可以看出偏心距對可靠度的影響很大，當(dāng)e0/h0<0.408時，對結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）可靠度指標(biāo)的影響很小，當(dāng)e0/h0≥0.408，隨著偏心距的增大，結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）可靠度呈明顯的下降趨勢。2．配筋率ρ對可靠度指標(biāo)的影響圖3.7中給出了四條不同配筋率ρ下混凝土偏心受壓構(gòu)件的可靠度指標(biāo)變化曲線，計算中用到的截面尺寸，材料選用以及參數(shù)的選用均與圖3.6的情況相同。由圖中可以看出，當(dāng)偏心距較小時，配筋率對偏心受壓構(gòu)件可靠度指標(biāo)的影響不大，當(dāng)偏心距超過一定數(shù)值之后，配筋率對可靠度的影響就顯現(xiàn)出來了，配筋率越小，可靠指標(biāo)的變化曲線越陡，說明可靠度降低速度越快。圖3.8給出了某一固定偏心距下鋼筋配筋率對可靠度指標(biāo)的影響曲線，由圖可以看出在固定偏心距下結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）可靠度隨鋼筋配筋率變化近似呈線性關(guān)系。3．混凝土強(qiáng)度對可靠度指標(biāo)的影響圖3.9給出了三種不同標(biāo)號混凝土偏心受壓構(gòu)件的可靠度指標(biāo)隨偏心矩變化的曲線，計算中用到的截面尺寸，材料選用以及參數(shù)的選用仍與圖3.6的情況相同。從圖中可以看出，混凝土強(qiáng)度對偏心受壓構(gòu)件可靠度指標(biāo)的影響規(guī)律跟配筋率對偏心受壓構(gòu)件可靠度指標(biāo)的影響規(guī)律是相同的，偏心距較小時，混凝土強(qiáng)度偏心受壓構(gòu)件可靠度指標(biāo)的影響很小，隨著偏心距的增大，混凝土強(qiáng)度對偏心受壓構(gòu)件的可靠度指標(biāo)影響越來越明顯，混凝土強(qiáng)度越低，可靠度指標(biāo)的變化曲線下降越快，可靠度降低的速度也越快。4．保護(hù)層厚度對可靠度指標(biāo)的影響圖3.10給出了四條不同保護(hù)層厚度混凝土偏心受壓構(gòu)件的可靠度指標(biāo)隨偏心距變化的曲線，圖3.11給出了固定偏心距下偏心受壓構(gòu)件可靠度指標(biāo)隨混凝土保護(hù)層厚度變化的曲線，計算中用到的截面尺寸，材料選用以及參數(shù)的選用仍與圖3.6的情況相同。從圖中可以看出，保護(hù)層厚度對偏心受壓構(gòu)件可靠度指標(biāo)的影響規(guī)律跟配筋率對偏心受壓構(gòu)件可靠度指標(biāo)的影響規(guī)律是相同的，偏心距較小時，保護(hù)層厚度對偏心受壓構(gòu)件可靠度指標(biāo)的影響很小，隨著偏心距的增大，保護(hù)層厚度對偏心受壓構(gòu)件的可靠度指標(biāo)影響越來越明顯，保護(hù)層厚度越小，可靠度指標(biāo)的變化曲線下降越快，可靠度降低的速度也越快，混凝土保護(hù)層達(dá)到一定厚度之后，可靠指標(biāo)的相對變化就十分微小了，如圖所示c=7.5cm和c=10cm時，兩條可靠度曲線接近重合。5．水灰比對可靠度指標(biāo)的影響圖3.12給出了四條不同水灰比混凝土偏心受壓構(gòu)件的可靠度指標(biāo)隨偏心距變化的曲線，圖17給出了固定偏心距下偏心受壓構(gòu)件可靠度指標(biāo)隨水灰比變化的曲線，計算中用到的截面尺寸，材料選用以及參數(shù)的選用仍與圖3.6的情況相同。從圖中可以看出，水灰比對偏壓構(gòu)件可靠度的影響有一個峰值，也就是說對于偏心受壓構(gòu)件總有一個適合的水灰比，使構(gòu)件的可靠度保持在一個較高的水平，這是結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計中應(yīng)該考慮的一個因素。3.2.3鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的時變可靠度分析銹蝕鋼筋混凝土受彎構(gòu)件時變的可靠度指標(biāo)受彎構(gòu)件是混凝土結(jié)構(gòu)的另一主要構(gòu)件，目前對銹蝕鋼筋混凝土受彎構(gòu)件承載力的研究已經(jīng)基本成熟，國內(nèi)外學(xué)者對銹蝕鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的承載力進(jìn)行了大量的研究，包括試驗(yàn)研究和理論分析。其中惠云玲等對混凝土基本構(gòu)件鋼筋銹蝕前后性能試驗(yàn)研究中銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件平均應(yīng)變沿截面高度分布的試驗(yàn)分析表明，混凝土中的鋼筋發(fā)生銹蝕后，在使用荷載范圍內(nèi)，宏觀上仍然可以采用平截面假定。因此在計算銹蝕鋼筋混凝土受彎構(gòu)件承載力時仍以平截面假定為依據(jù)，采用協(xié)同工作系數(shù)近似考慮粘結(jié)性能的降低，按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范進(jìn)行計算，計算簡圖如圖3.14所示。鋼筋銹蝕、混凝土保護(hù)層脹裂后，鋼筋與混凝土間的粘結(jié)錨固性能降低，對受拉鋼筋必須乘以協(xié)同工作降低系數(shù)，以考慮粘結(jié)退化對鋼筋混凝土構(gòu)件承載能力的影響。前人通過大量的試驗(yàn)研究已經(jīng)得出協(xié)同工作降低系數(shù)的不同表達(dá)式，如惠云玲等通過在混凝土中摻氯化物養(yǎng)護(hù)3-5年，模擬構(gòu)件在使用一定時期后的銹蝕狀態(tài)，對24根梁和9根柱進(jìn)行了試驗(yàn)研究，陶峰等對某軋鋼車間已使用36年的10根受彎構(gòu)件和10根偏壓構(gòu)件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，文獻(xiàn)通過對6根銹蝕鋼筋混凝土梁的粘結(jié)錨固性能試驗(yàn)研究分別得出了協(xié)同工作降低系數(shù)與混凝土銹脹裂縫的關(guān)系，如圖3.15所示。從圖中可以看出，混凝土保護(hù)層脹裂寬度達(dá)到2.0-3.0mm時，承載力約為未銹蝕構(gòu)件的80%。由于鋼筋的銹蝕使得鋼筋有效截面減小、鋼筋力學(xué)性能下降、鋼筋與混凝土粘結(jié)力下降、銹脹力的存在降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度、混凝土保護(hù)層開裂剝落等，從而降低了結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力，因此，銹蝕鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的承載力是隨時間變化的，由此式3.26和3.27中各參數(shù)均為隨時間變化的隨機(jī)變量。隨著鋼筋銹蝕的發(fā)展，受拉鋼筋有效配筋率降低，可能導(dǎo)致受彎梁由適筋梁轉(zhuǎn)化為少筋梁，發(fā)生脆性破壞。對于銹蝕鋼筋混凝土受彎構(gòu)件，鋼筋面積、屈服強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度均隨時間減小，混凝土構(gòu)件性能隨時間劣化，由于環(huán)境作用和荷載作用都是復(fù)雜的隨機(jī)過程，因此，銹后鋼筋混凝土構(gòu)件抗力隨時間變化規(guī)律是一個非常復(fù)雜的問題，在這里仍然采用概率統(tǒng)計的方法，用蒙特卡羅方法直接模擬不同時刻鋼筋混凝土受彎構(gòu)件承載力的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，再根據(jù)中介紹的蒙特卡羅方法求得該構(gòu)件的可靠度指標(biāo)。具體的計算步驟與偏心受壓短柱相同。銹蝕鋼筋混凝土受彎構(gòu)件可靠度指標(biāo)的影響因素1．受拉鋼筋配筋率ρ對可靠度指標(biāo)的影響鋼筋銹蝕導(dǎo)致鋼筋截面積損失，隨著鋼筋銹蝕程度的增加，鋼筋銹蝕延性顯著降低，受彎梁的彎曲破壞將由適筋梁破壞轉(zhuǎn)化為少筋破壞，圖3.16給出了不同受拉鋼筋配筋率下受彎梁可靠度變化曲線，由圖中可以看出，截面受拉鋼筋配筋率對受彎構(gòu)件可靠度有較大影響，在其他條件相同時，配筋率越大，可靠指標(biāo)的變化速度越慢，截面受拉鋼筋配筋率跟可靠度基本呈線性關(guān)系，增大截面配筋率是提高結(jié)構(gòu)可靠度的有效辦法，應(yīng)該在結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中充分考慮。2．混凝土強(qiáng)度對可靠度指標(biāo)的影響混凝土強(qiáng)度也是影響受彎構(gòu)件可靠度指標(biāo)的主要因素，其對可靠度的影響主要體現(xiàn)在對截面抗力的影響上，由圖3.17可以看出，混凝土強(qiáng)度越高，氯離子滲透速度越慢，鋼筋越不容易銹蝕，構(gòu)件的可靠度也越大。3．保護(hù)層厚度對可靠度指標(biāo)的影響混凝土對鋼筋的保護(hù)作用主要包括兩個方面：一是混凝土的高堿性使鋼筋表面形成鈍化膜；二是保護(hù)層對外界腐蝕介質(zhì)、及水分等滲入的阻止作用。混凝土保護(hù)層厚度是影響鋼筋銹蝕的重要因素，為了保證鋼筋不銹蝕，使構(gòu)件在一定時期內(nèi)滿足目標(biāo)可靠度的要求，必須使其具有一定厚度的混凝土保護(hù)層，但是鋼筋混凝土沖切課題試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)：混凝土保護(hù)層厚度過大不僅會降低混凝土構(gòu)件的極限抗彎能力，而且會改變沖切破壞的斜截面角度，略微降低混凝土構(gòu)件的極限抗沖切能力。保護(hù)層厚度對可靠度指標(biāo)的影響見圖3.18，由圖中可以看出，混凝土保護(hù)層厚度對受彎構(gòu)件可靠度影響極大，是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計中應(yīng)重點(diǎn)考慮的影響因素之一。4．裂縫寬度對可靠度指標(biāo)的影響混凝土裂縫對鋼筋銹蝕有明顯的影響，特別是對處于海洋環(huán)境中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)影響更大，鋼筋銹蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)可靠度降低，裂縫寬度對受彎構(gòu)件可靠度的影響見圖3.19，由圖中可以看出，單純考慮裂縫寬度引起的鋼筋和混凝土協(xié)同工作系數(shù)的降低對可靠度的影響不大，但是，混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫與鋼筋的腐蝕相互作用，會加劇混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。一方面，混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫會增加混凝土的滲透性，加速侵蝕性介質(zhì)的侵蝕，使鋼筋腐蝕加速；另一方面，鋼筋的銹蝕膨脹加大保護(hù)層的縱向裂縫寬度，如此惡性循環(huán)的結(jié)果必然導(dǎo)致混凝土保護(hù)層的徹底剝落和結(jié)構(gòu)的最終破壞。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實(shí)測混凝土裂縫寬度進(jìn)行耐久性評定。5．水灰比對可靠度指標(biāo)的影響水灰比使混凝土內(nèi)在質(zhì)量的重要標(biāo)志，它既反映混凝土強(qiáng)度，同時也反映了混凝土的孔結(jié)構(gòu)、密實(shí)性和耐久性。水灰比越低，混凝土孔隙率越低，環(huán)境中的氧氣、水、侵蝕性介質(zhì)等就越難滲透進(jìn)入混凝土中，鋼筋電化學(xué)速度越低。由圖3.20可知，水灰比對可靠度的影響也基本符合上述規(guī)律。6．混凝土表面氯離子濃度和氯離子擴(kuò)散系數(shù)對可靠度指標(biāo)的影響海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕主要是由于氯離子侵蝕引起的，混凝土表面氯離子濃度和氯離子擴(kuò)散系數(shù)對受彎構(gòu)件可靠度的影響見圖3.21和圖3.22所示。兩者對受彎構(gòu)件可靠度的影響規(guī)律是相同的，隨著混凝土表面氯離子濃度的增加混凝土結(jié)構(gòu)可靠度降低，但降低速度越來越慢，氯離子擴(kuò)散系數(shù)對可靠度的影響規(guī)律也是如此。4混凝土橋梁耐久性改善措施混凝土橋梁耐久性的降低是由多方面因素共同作用的結(jié)果，有許多不確定因素相互影響、相互制約，是一種由多種隨機(jī)因素綜合作用并隨時間隨機(jī)變化的過程。這就大大增加了解決橋梁耐久性問題的復(fù)雜性，因此，提高混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性必須從諸多方面綜合考慮。4.1重視混凝土橋梁耐久性的設(shè)計

考慮到混凝土橋梁耐久性的多方面因素，在設(shè)計時必須從材料、環(huán)境等各個因素著手，不斷完善混凝土橋梁的耐久性設(shè)計，有效減少其維修費(fèi)用并延長結(jié)構(gòu)的使用年限。混凝土橋梁的耐久性應(yīng)根據(jù)其周圍的環(huán)境類別以及橋梁設(shè)計使用年限進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計。只有保證措施得當(dāng)才能有效的延長橋梁的使用年限。目前我國大部分大型橋梁都實(shí)行終身負(fù)責(zé)制，這將有利于保證橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。設(shè)計中增加橋梁耐久性比較常見的措施主要有加大橋體內(nèi)部混凝土保護(hù)層的厚度，降低水中氯化物對鋼筋的腐蝕作用，延緩或阻止鋼筋鈍化膜的破壞；適度贈大橋體的結(jié)構(gòu)尺寸，減少配筋密度過密的情況，降低混凝土澆筑難度，使骨料均勻分布，增大混凝土密實(shí)度，從而提高橋梁的防撞擊能力，保證防撞系統(tǒng)與主體結(jié)構(gòu)的耐久性。

4.2在施工工程中重視橋梁的耐久性問題

施工工程對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性具有舉足輕重的影響作用，在施工過程中必須滿足施工規(guī)范、施工質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以及設(shè)計要求，對施工質(zhì)量必須進(jìn)行嚴(yán)格控制。在施工中必須控制好以下幾點(diǎn)：（1）控制混凝土水泥用量和水灰比。在海水水位變化區(qū)和大氣區(qū)等侵蝕環(huán)境下，混凝土的水泥用量不得低于360kg/m3，水灰比不得低于0.5，在海水浪濺區(qū)水泥用量及水灰比則分別不得低于400kg/m3和0.4，在海水水下區(qū)分別不得低于300kg/m3和0.5。（2）限制混凝土中各種組成材料中氯離子的有效含量，在侵蝕環(huán)境下普通混凝土水泥用量應(yīng)低于0.10%，預(yù)應(yīng)力混凝土水泥用量則應(yīng)低于0.06%。（3）確保混凝土所采用的集料不會使混凝土發(fā)生超過容許值的堿骨料反應(yīng)，保證混凝土試件在6個月內(nèi)的膨脹率不超過0.1%。（4）在環(huán)境惡劣部位應(yīng)優(yōu)先采用強(qiáng)度高、工作性強(qiáng)、耐久性好的高性能混凝土。（5）施工中應(yīng)注意對鋼筋保護(hù)層的施工，確保鋼筋保護(hù)層的厚度。（6）對大體積混凝土應(yīng)采用分層澆筑法，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)和溫控措施，設(shè)置冷卻水管防止水化熱裂縫的產(chǎn)生。（7）對設(shè)計中要設(shè)置環(huán)氧涂層鋼筋的混凝土結(jié)構(gòu)，在施工中應(yīng)特別注意不要對環(huán)氧涂層產(chǎn)生破壞，否則會導(dǎo)致鋼筋加劇腐蝕。（8）在施工過程中應(yīng)避免發(fā)生泌水、離析等現(xiàn)象，在鋼筋密集區(qū)應(yīng)加強(qiáng)振搗密實(shí)。（9）對加入減水劑、引氣劑、阻銹劑等外加劑的混凝土應(yīng)進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁黾油饧觿┑姆栏Ч＃?0）預(yù)應(yīng)力混凝土的施工應(yīng)盡量采用真空壓漿，保證管道壓漿密度，防止預(yù)應(yīng)力材料銹蝕。（11）在混凝土的養(yǎng)生過程中，應(yīng)加強(qiáng)保水養(yǎng)護(hù)。對外露面做到保濕保溫，應(yīng)在混凝土達(dá)到足夠強(qiáng)度時再進(jìn)行脫膜。

4.3采用高性能混凝土

高性能混凝土不論是從強(qiáng)度還是耐久性都優(yōu)于一般的普通混凝土，高性能混凝土中通常會加入比水泥顆粒小約100倍的膠凝材料，并使用高效HYPERLINK"/cpro/ui/uijs.php?rs=1&u=http%3A%2F%2Fwww%2Exzbu%2Ecom%2F6%2Fview%2D2256177%2Ehtm&p=baidu&c=news&n=10&t=tpclicked3_hc&q=52066088_cpr&k=%BC%F5%CB%AE%BC%C1&k0=%BC%F5%CB%AE%BC%C1&k1=%B9%A4%B3%CC&k2=%B8%D6%BD%EE%BB%EC%C4%FD%CD%C1&k3=%C9%E