截面抗力修正方法.docx

截面抗力修正方法 对于钢筋混凝土构件而言，其截面抗力包含抗弯承载力、抗剪承载力、抗压承载力和抗拉承载力。不同类型的构件考虑的重点亦不相同，如对于主梁主要考虑弯剪承载力，墩台主要考虑压弯承载力，中承式拱桥的系梁则以拉弯承载力为主。同时考虑结构损伤识别（第 3、4、5 章）的目标一般均为抗弯刚度，而抗剪刚度等常借助于桥梁检测而进行识别。因此，本节以结构损伤识别结果为主，同时考虑桥梁检测信息，对截面抗弯承载能力进行系统修正。 1 截面抗弯承载能力计算 04 版《桥规》中规定预应力钢筋混凝土主梁的抗弯承载能力按下式进行，计算简图如图 7-9 所示. 式中，γ0——桥梁结构的重要系数，一级、二级、三级分别取用 1.1、1.0、0.9； Md——弯矩组合设计值； fcd——混凝土轴心抗压强度设计值； fsd——纵向普通钢筋抗拉强度设计值； fpd—纵向预应力钢筋抗拉强度设计值； As——受拉区纵向普通钢筋的截面面积； Ap——受拉区纵向预应力钢筋的截面面积； b——矩形截面跨度或T形截面腹板跨度； h0——有效截面高度； as——受压区普通钢筋合力点到受压区边缘距离； ap——受压区预应力钢筋合力点到受压区边缘距离； σp0——受压区预应力钢筋合力点处混凝土法向应力等于零时，预应力钢筋的应力； x ——相对受压区高度，由内力平衡条件可得 从式（7-6）中可以出，截面抗弯承载能力由 3 部分组成，即受压区混凝土、受拉区钢筋和受拉区钢筋，其中受压区混凝土贡献最大，又从式（7-7）中可知，受压区混凝土高度由受拉区钢筋面积决定，因此，受拉区钢筋面积是决定截面抗弯承载力的主要因素。 桥梁在正常运营过程中，常见病害和损伤主要有混凝土碳化、剥落、裂缝和钢筋锈蚀等。其中对截面抗弯刚度有显著影响的是混凝土裂缝，可借助损伤识别方法判断其开展程度（刚度下降程度）。然而从图 7-9 可看出，截面抗弯承载力是在构件充分开裂的假设下计算得到的，即裂缝是否出现和裂缝的开展程度并不影响截面抗弯承载力，而钢筋锈蚀是（钢筋面积减少）影响截面抗弯承载力的主要因素。一般的常规检测（如氯离子含量、半电池电位法和混凝土电阻率）只能得到钢筋是否锈蚀的信息，不能给出钢筋锈蚀程度。而桥梁健康监测系统中也没有专门监测钢筋锈蚀的传感器和方法。英国桥梁检测规范规定，检测时应去除混凝土保护层，暴露钢筋，根据钢筋的锈蚀形状，采用近似公式估计钢筋发生锈蚀后的有效面积（见图 7-10），由于此方法对结构有一定的破坏，因此应用并不广泛。综上所述，利用桥梁健康监测系统或桥梁检测方法提供的信息均无法直接对截面抗弯承载能力进行有效的修正。 2 受拉区钢筋面积估算 钢筋锈蚀是导致钢筋面积减少的直接原因，而钢筋锈蚀又可以分为局部锈蚀和均匀锈蚀两种。局部锈蚀是由于混凝土出现开裂而导致，而均匀锈蚀是由混凝土碳化和氯离子渗透造成。一般局部锈蚀对钢筋截面的影响较大，而均匀锈蚀对钢筋与混凝土的粘结有一定影响。 2.1 钢筋均匀锈蚀 由于混凝土的保护作用，钢筋一般处于碱性环境（PH12.5）之中，其周围将会产生一层钝化膜而阻止锈蚀作用，但随着氯离子的入侵或混凝土的碳化作用，混凝土逐渐失去其强碱性，而使钢筋钝化膜破坏。若构件处于潮湿环境下，带有二氧化碳、氧气和水蒸气的空气充斥于钢筋周围的混凝土微孔，从而在钢筋周围形成了电解质，进而导致钢筋锈蚀的电化学反应。由 Faraday 定律可知，钢筋的锈蚀程度与电化学过程中的电流密度有关，即 将上式带入式（7-8）中可得 式中，Cl——氯离子含量，单位 Kg/cm3; Rc——混凝土保护层电阻，单位 ?； T——环境温度，单位 K； t ——锈蚀时间，单位年。 该模型考虑了氯离子含量、温度、和混凝土电阻及锈蚀时间，其中前三项数据可以通过桥梁检测数据得到。 联立公式（7-10）和公式（7-11）可得钢筋锈蚀面积，即 上式给出了通过桥梁检测数据估计钢筋锈蚀程度的近似计算方法。 2.2 钢筋局部锈蚀 与均布锈蚀相比，局部锈蚀对结构刚度有显著影响，因此，若能获得桥梁健康监测信息，则可借助损伤识别算法对结构的刚度退化程度进行识别，进而对钢筋的局部锈蚀程度进行判断。 混凝土主梁从开始受力在最终完全破坏一般经历三个阶段。第 I 阶段为裂缝出现前阶段，钢筋和混凝土均处于弹性阶段；第 II 阶段为出现裂缝，但钢筋和混凝土仍处于弹性阶段；第 III 阶段为裂缝急剧发展，钢筋和混凝土已经达到其屈服强度。桥梁在正常运营过程中，预应力主梁在出现裂缝前为全截面受压（第I 阶段），此时钢筋对截面刚度的贡献可以忽略不计。而当裂缝出现后（第 II 阶段），受拉区混凝土退出工作（假设混凝土无受力能力），基本由受拉区钢筋承受拉应力，如图 7-11 所示。由于在 II 阶段材料