面向保护层非均匀锈胀的桥梁结构耐久性评价及加固研究

吕崇志

(湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙 410015)

面向保护层非均匀锈胀的桥梁结构耐久性评价及加固研究

吕崇志

(湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙 410015)

钢筋锈蚀对混凝土结构损伤较大，但以往的研究大多基于均匀锈胀。对保护层锈胀致裂机理及规律进行了研究，以有限元ABAQUS软件施加非均匀位移场而模拟钢筋的非均匀锈胀，计算结果表明钢筋锈蚀更趋向于保护层一侧锈胀而形成椭圆形锈胀圈，并提出基于锈胀的桥梁结构剩余寿命评定方法及加固措施。以广东某连续梁桥为工程实践，验证了基于钢筋锈胀的耐久性评定及加固方案的正确性。

非均匀锈胀； 锈胀力； 开裂规律； 剩余寿命； 加固

0 引言

钢筋混凝土桥梁由于受碳化或氯离子影响，钢筋会发生一定程度的锈蚀并产生锈胀力，进而使混凝土保护层产生顺筋裂缝，裂缝的产生又使得钢筋劣化加速，从而使得结构安全稳定储能加速下降[1]。因此对于混凝土结构保护层因钢筋锈蚀膨胀引起开裂的研究，已经具有一定的研究成果[2-5]。但是大多从理论研究、试验研究或数值分析集中在以均匀锈蚀为假设的前提下(即假定钢筋锈蚀层为与钢筋同轴的圆形)，且无法解释锈胀发生机理及发展规律[6]。而在实际环境下钢筋发生非均匀锈蚀，且靠近保护层侧锈蚀速度更快，基本呈椭圆形状[7]，因此对钢筋发生非均匀锈蚀情况下的锈胀力的分布及裂缝的发展规律进行理论分析，并基于钢筋的锈胀研究混凝土桥梁结构的剩余寿命估计与加固技术研究。

1 钢筋非均匀锈胀理论

以往研究钢筋锈蚀大多假设其为均匀锈胀，而事实上钢筋锈蚀的轮廓近似于椭圆状，且靠近保护层侧锈蚀量大，为简便计算不考虑径向位移及剪切应变，取平面应力应变计算，建立钢筋开裂锈蚀示意图见图1。

图1 钢筋不均匀锈胀计算示意图Figure 1 Schematic calculation of reinforced non-uniform rust expansion

令R为原钢筋半径，ds为钢筋最大锈蚀半径值，d1为钢筋锈蚀膨胀名义最大半径值，钢筋锈蚀率ξ由下式可知：

(1)

引入钢筋锈蚀体积膨胀率n，则钢筋锈蚀变形协调关系式为：

d1+ds=2Rξ(n-1)

(2)

基于弹性力学可求得ds与d1的关系式：

(3)

式中：c为保护层厚度；μc、Ec分别为钢筋泊松比及弹性模量；μr、Er分别为钢筋锈蚀产物的名义泊松比及名义弹性模量。

在极坐标中任一θ角处轨迹半径为：

Rθ=R+daθ+d1θ

(4)

因假定钢筋锈蚀线轨迹半径符合椭圆关系式，因而轨迹半径也可由式(5)决定：

(5)

进而可求得保护层钢筋非均匀锈胀力Qnon-u：

(6)

而基于钢筋均匀锈胀，即锈蚀圈为均匀圆环时所得到的锈胀力Qu为：

(7)

由上可知：均匀锈胀与非均匀锈胀的原理不同，均匀锈胀仅在钢筋保护层足够厚的情形下才满足，而非均匀锈胀假定钢筋锈蚀基本呈椭圆状，由锈胀力计算式可知考虑钢筋非均匀锈胀时钢筋径向锈胀力与椭圆中θ角有关并沿保护层向扩展。这显然更接近于工程实际情况。

2 多钢筋非均匀锈胀数值分析

采用有限元分析软件ABAQUS建立平面模型，通过在预留的钢筋孔洞内壁施加非均匀位移场，来模拟锈蚀层的不均匀膨胀。在考虑钢筋锈蚀沿钢筋截面径向的不均匀性时，假定沿轴向为均匀锈蚀，模型分析可简化为平面问题。在模型中预留孔洞来模拟钢筋，建立多根钢筋模型(含边中钢筋与边角钢筋)见图2。

图2 多钢筋非均匀锈胀计算模型Figure 2 Calculation model of multi-reinforced non-uniform rust expansion

2.1 钢筋间混凝土锈胀应力分析

分析多根钢筋发生锈蚀时钢筋间混凝土主拉应力分布情况，假设钢筋同时发生锈蚀，其中计算模型参数为钢筋ft为2.01 MPa、钢筋直径18 mm、保护层厚度20 mm、钢筋间距40 mm。图3为多根钢筋发生锈蚀时混凝土主拉应力分布等值线图。

图3 混凝土主拉应力等值线图Figure 3 Concrete principal tensile stress contours

边中区钢筋发生锈蚀时，钢筋与混凝土交界面上的主拉应力将首先达到开裂极限，裂纹首先在此处产生；两侧裂纹产生区域靠近保护层一侧，此处的裂纹将逐渐向两侧扩展，并最终与相邻钢筋锈蚀产生的裂缝贯穿；保护层外缘主拉应力较大，保护层裂缝将首先在保护层外边缘发生，并逐渐向内扩展，直至贯穿。在边角区钢筋与混凝土交界面处，主拉应力较大的点将首先出现微裂缝；随后，左侧和下侧混凝土边缘也将达到开裂极限，出现裂缝，与边中区钢筋不同的是，裂纹的扩展将由交界面与混凝土边缘共同扩展，直至贯穿。在钢筋锈蚀情况相同时，裂缝首先在边中区钢筋与混凝土交界面上出现。就贯穿混凝土保护层的裂缝而言，边中区钢筋与混凝土交界面上的主拉应力小于混凝土边缘，混凝土边缘先出现裂纹；而边角区钢筋锈蚀后，裂纹将首先在钢筋与混凝土交界面上出现，同一构件中，边角区混凝土开裂早于边中区混凝土。

2.2 钢筋间裂缝扩展规律

选取混凝土抗拉强度ft为2.01 MPa，钢筋直径为18 mm，保护层厚度为20 mm的模型，施加非均匀位移场直至裂纹贯穿保护层，裂缝出现及扩展见图4。

(a) 裂纹形成前

(b) 裂缝出现

(c) 边角区裂缝贯穿保护层

(d) 钢筋间裂缝贯穿

边中区保护层锈胀开裂时，裂缝首先在钢筋与混凝土交界面出出现，随后保护层边缘处开裂，裂缝开始扩展；在钢筋周围靠近混凝土边缘一小块区域内，由于非均匀位移场的作用，将出现局部压应力区，裂缝在此处向两侧扩展。边角区钢筋发生锈蚀时，裂缝首先在钢筋与混凝土交界面上出现，随后保护层边缘出现裂缝并形成贯穿保护层的主裂缝。由于非均匀位移场的存在，钢筋周围出现了局部微裂缝，这些裂缝将导致钢筋间的裂缝贯穿。在钢筋间裂缝贯穿前，边角区保护层已经发生了开裂现象。钢筋间裂缝呈现扁“V”字形贯穿钢筋间保护层，此时边中区的保护层裂缝开始扩展，时间上晚于钢筋间裂缝贯穿。

2.3 钢筋间保护层锈胀开裂影响因素分析

通过施加径向位移场的方法，观察边角区—边中区，边中区—边中区钢筋间裂缝发生和扩展的全过程，并对钢筋间距，钢筋直径和混凝土强度对临界截面损失率的影响进行了分析，分析结果见图5～图7。

图5 截面损失率与钢筋间距的关系Figure 5 Relations section loss rate and reinforcement spacing

图6 截面损失率与钢筋直径的关系Figure 6 Relations section loss rate and reinforcement diameter

图7 截面损失率与ft的关系Figure 7 Relations section loss rate and concrete ft

由图5～图7可知：钢筋间的锈胀开裂临界截面损失率与钢筋间距和混凝土抗拉强度成正比，与钢筋直径成反比，但混凝土抗拉强度的影响程度不大。因此，在保障构件安全稳定的前提下，增大钢筋间距和选用较小直径的钢筋有利于延缓钢筋间的锈胀开裂。

3 基于锈胀开裂的桥梁剩余寿命评估及加 固

混凝土桥梁因钢筋锈胀而使保护层开裂，且裂缝的产生将进一步加速钢筋的锈蚀。因此将钢筋混凝土保护层产生顺筋裂缝作为评定桥梁安全及进行维修加固的指标[8]。混凝土结构剩余寿命预测主要基于碳化及氯离子速度而进行分析，因碳化分析方法原理简单、操作方便，因此本文主要以碳化法进行钢筋锈胀下桥梁混凝土结构剩余寿命的评估。

3.1 考虑钢筋锈蚀的混凝土结构剩余寿命

混凝土保护层锈胀开裂剩余耐久年限按下列公式计算：

Tcra=Ti+Tcr-Tu

(8)

式中：Ti为钢筋开始锈蚀时间，a；Tcr为钢筋开始锈蚀到保护层开裂时间，a；Tu为混凝土构件已使用年限，a。Tcr与Tu的数值由下式决定：

(9)

因钢筋保护层在碳化过程中存在碳化反应区，在碳化深度到达钢筋表层前，钢筋即已发生锈蚀并形成锈胀区。在碳化区的一定范围内，碳化残量由钢筋锈蚀物及钢筋的脱钝速度控制，并且在该过程中，碳化依然进行，因而采用碳化系数k、局部环境系数kcc以及保护层厚度c为参数能更接近于碳化残量实际情况[9]。碳化系数k及碳化残量x0按下式计算：

(10)

式中：Kcc为微环境影响系数。

3.2 锈胀混凝土加固措施

随着保护层厚度的增加，试件所能承受的最大锈胀力增大。因而可通过增加保护层厚度而增大桥梁结构的耐久性，另外增大钢筋间距、选用较小直径的钢筋及设置箍筋有利于延缓钢筋间的锈胀开裂。而在实际工程中采用增加保护层厚度、增大钢筋间距及选用小直径钢筋对已锈胀混泥土进行加固并不实际[10，11]。

裂缝是混凝土结构损伤最直观的体现，由于裂缝的存在，钢筋受到腐蚀的威胁便进一步增大，保护层混凝土的裂缝受钢筋锈胀力及应力集中的影响也随之增长与增宽，从而对桥梁结构的耐久性与安全性产生不容小觑的影响。因此为增加结构的整体性及安全性能，必须对裂缝进行有针对性的修补处治。压力注浆法处治裂缝是桥梁结构加固常用方法之一，通过注浆材料对混凝土裂缝进行封堵防治环境中有害物质接触钢筋，且注浆材料可粘结开裂混凝土使整体性得到恢复，从而延缓或阻止钢筋的锈胀与保护层的劣化以延长桥梁结构的使用寿命及提高其安全储能[12]。

碳纤维复合材料加固法是一种新型的补强加固技术，通过树脂类胶结材料可有效提高锈蚀钢筋与混凝土间的粘结性能并形成整体，具有加固效果强、适用面广、施作便捷等优点，因而在桥梁维修与加固中大放异彩[13]。

4 工程实例分析

广东某连续梁桥为3垮总长共224 m，建成通车至检测时已历时29 a，由于服役时间较长目前已经出现不等程度的病害，对行车安全具有较大的隐患。因此需对其进行耐久性检测，以评定其剩余寿命及进行相关加固处治措施。该桥混凝土设计强度等级为C25，保护层厚度设计值为25 mm，所处河流上方常年相对湿度74%，对中跨梁某处进行测量知其实测最大碳化深度为31 mm，保护层实测厚度为24 mm，混凝土实测抗压强度值32.1 MPa，保护层裂缝大多狭短，宽度平均值为0.12 mm。因此可计算得该桥的剩余服役寿命为22 a。考虑到该桥位处交通要道，为保证该区域的交通运输，经技术经济对比采用注浆补缝的方法对该桥进行加固处治，以延缓钢筋的锈胀与增大构件的整体性，从而提高其整体安全储能。

5 结论

钢筋锈蚀膨胀而引起保护层开裂是桥梁混凝土结构最常见的病害之一，目前基于钢筋锈蚀主要集中于均匀锈胀分析且对锈胀机理并不明朗，因此本文基于钢筋非均匀锈胀机理研究保护层开裂规律、混凝土结构剩余寿命及加固措施的研究，主要研究结论如下：

① 钢筋在混凝土中呈椭圆形非均匀锈胀，且沿保护层方向锈蚀量更大，由于钢筋的锈胀引起顺筋向裂缝产生，而锈胀产物吸水性更强能进一步增大钢筋的锈胀。通过均匀与非均匀锈胀下钢筋锈胀力的计算式对比可知，非均匀锈胀力考虑了实际锈蚀椭圆圈的情况而更有实际意义。

② 以有限元ABAQUS计算软件通过施加非均匀位移场而模拟钢筋的非均匀锈胀，通过数值计算可知边中区钢筋发生锈蚀时，钢筋与混凝土交界面上的主拉应力将先达到开裂极限，两侧裂纹产生区域靠近保护层一侧并逐渐向两侧扩展最终与相邻钢筋锈蚀产生的裂缝贯穿；保护层外缘主拉应力较大，保护层裂缝将首先在保护层外边缘发生，并逐渐向内扩展直至贯穿。在边角区钢筋与混凝土交界面处，主拉应力较大的点首先出现微裂缝，随后左侧和下侧混凝土边缘出现裂缝，裂纹的扩展将由交界面与混凝土边缘共同扩展，直至贯穿。

③ 面向钢筋非均匀锈蚀采用测试碳化法进行混凝土结构的剩余寿命估计简便并切近实际情况，加固方法常用方法为压力注浆填缝及碳纤维复合材料黏结等方法。经广东某连续梁桥检测分析，验证了基于钢筋非均匀锈胀用于桥梁结构耐久性评定、剩余寿命估计及选定加固技术的可行性。

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Durability Evaluation and Reinforcement of Bridge Structure Oriented Protective Layer Non-uniform Rust Expansion

LU Chongzhi

(Hunan Communications Research Institute， Changsha， Hunan 410015， China)

Steel corrosion in concrete structural damage is large，but most previous studies based on uniform corrosion expansion.The protective layer of rust on the expansion fracturing mechanism and disciplinarian were studied in order to apply the finite element software ABAQUS non-uniform displacement field and simulated stainless steel non-uniform expansion，the results tend to indicate that steel corrosion protection layer formed on one side oval rust expansion shaped expansion ring rust and rust proposed expansion of the bridge structure and remaining life assessment method based on reinforcement measures.A continuous girder bridge in Guangdong as for the engineering practice，to verify the correctness of the durability of steel corrosion-based assessment and strengthening program.

non-uniform rust expansion； corrosion expansion force； crack rule； residual life； reinforcement

2015 — 11 — 16

吕崇志(1980 — )，男，湖南邵东人，工程师，从事工程监理工作。

U 445.7+2

A

1674 — 0610(2016)06 — 0155 — 04