考虑徐变、收缩和腐蚀的预应力混凝土桥梁的时变可靠性外文翻译资料

考虑徐变、收缩和腐蚀的预应力混凝土桥梁的时变可靠性

Tong Guo; Richard Sause, M.ASCE; Dan M. Frangopol, Dist.M.ASCE; and Aiqun Li

副教授，混凝土及预应力混凝土结构重点实验室，教育部，东南大学，南京210096，中国；以前在光学中心，美国 Lehigh大学，117 ATLSS Dr., Bethlehem PA 18015从事过研究。电子邮件：guotong77@gmail.com.

Joseph T.Stuart Professor of Structural Engineering and Director,Dept. of Civil and Environmental Engineering, ATLSS Center, LehighUniv., 117 ATLSS Dr., Bethlehem, PA 18015. E-mail: rs0c@lehigh.edu.

Professor and Fazlur R. Khan Endowed Chair of Structural Engineering and Architecture, Dept. of Civil and Environmental Engineering, ATLSS Center, Lehigh Univ., 117 ATLSS Dr., Bethlehem, PA 18015. E-mail: dan.frangopol@lehigh.edu.

教授，土木工程学院，南京210096，东南大学，中国。电子邮件：aiqunli@seu.edu.cn.

摘 要：当桥梁暴露在恶劣的环境中时，桥梁的性能将随时间的变化而变化，虽然对桥梁的可靠性做了很多的研究，但是对混凝土桥梁收缩徐变的可靠性知道的却很少。在本次研究中，CEB-FIP模型采用了有限元分析和概率的结合对收缩和徐变进行了分析。通过比较分析结果和测试的数据来进行验证，更具体的说，一个关于时间依存性的可靠性报告是通过将预应力混凝土桥梁暴露在氯盐环境中来得到的。这需要通过一个先进的概率有限元方法来实现，通过复合退化壳的理论对薄壁箱梁进行模拟，然后提取重要信息来提高可靠性分析的可靠度。结果表明混凝土的收缩徐变控制桥梁早期的结构性能，这是一个收缩、徐变和腐蚀的综合作用减少结构可靠度的过程。在桥梁达到使用年限之前，适用性和钢筋屈服指标都低于理论指标，因此，前期对桥梁的维护和维修都是必要的。

DOI: 10.1061/ASCEBE.1943-5592.0000135

CE数据库主题词：预应力混凝土；箱梁；徐变；收缩；腐蚀；概率；有限元法。

关键词：时变可靠性 预应力混凝土箱梁 收缩徐变 腐蚀 概率有限元法

引言

维护、加强和修护老化的民用基础设施需要对老化的界都进行一个准确的评估，影响结构耐久性的因素应该着重关注。对于钢筋混凝土结构，长期以来一直认为，钢材的腐蚀和混凝土的徐变和收缩是造成结构破坏的主要原因，特别是在恶劣的环境下，腐蚀、开裂和混凝土保护层剥落可能导致横截面区域钢筋的减少，降低桥梁的适用性。在严重的情况下，腐蚀甚至可能引发结构倒塌。由于混凝土徐变和收缩，随着时间的推移，结构应力和位移随时间的变化逐渐变化。对于预应力混凝土结构，徐变和收缩导致预应力损失，造成应力重新分布和结构安全性降低。随着时间变化的预应力损失研究的结果列于表1，其中测量的结构年龄范围从6个月到46年。经过观察发现预应力损失随时间变化总是存在的，而这种损失的具体值可能会受一些参数的影响，如结构类型，环境温度，湿度和混凝土材料性能等。

考虑到收缩、徐变和腐蚀的精确建模对结构的设计和评估的重要性，我们已经进行了几十年的广泛调查。现有的混凝土徐变和收缩模型包括有效模量法（McMillan 1916），徐变二次幕定律（Bazant and Osman 1976），ACI的209模型[美国混凝土研究院（ACI）1982]，徐变双幂对数律（Bazant and Chern 1984），CEB-FIP模型（CEB-FIP 1994），B3模型（RILEM TC-107-GCS 1995）和GL2000模型（Gardner and Lockman 2001）。这些模型是由Goel et al.（2007）提出的比较，得出的结论是最近开发的GL2000模型的设计，B3模型，与ACI 209模型比以前的徐变模型更可靠。

高强度钢筋的腐蚀是一种复杂的现象，包括各种不同的情况，如均匀腐蚀，点蚀，腐蚀引起的开裂等。许多关于腐蚀模型的研究已经列举了，在这里不重复。结合有效的腐蚀研究，可以对时间依存性进行可靠性分析。1998年，Enright and Frangopol对钢筋混凝土桥梁在均匀腐蚀下的结构性能的衰减进行了研究，然后用一个概率模型预测了腐蚀的起始时间。1997年，Val and Robert开发的钢筋混凝土桥梁可靠性分析随时间变化的腐蚀模型，其中包括局部腐蚀。这一模型被Stewart在2004年采用和改进。2007年，Darmawan and Stewart 加快局部腐蚀测试来获取被时间和空间限制的预应力钢束的数据，2009年Stewart进一步研究了加强构建的抗弯和抗剪承载力对结构性能的影响。然而，以前的研究主要集中在腐蚀的影响，而没有考虑混凝土的收缩徐变。

本次研究的目的是建立一个预应力结构随时间变化的可靠性评估方法，其中包括了混凝土的收缩、徐变和腐蚀，这种方法适用于对处于氯盐环境中的预应力箱梁做出性能评估。这些箱梁广泛应用于公路桥梁，像混凝土开裂这种早期损坏容易被察觉，造成损坏的原因包括材料变质、施工缺陷，超载和不准确的设计。薄壁箱梁独特的剪切滞后效应（Luo et al. 2002）及预应力筋的布置给结构设计带来了许多的困难。虽然已经提供了一些设计规范中的剪切滞后效应的计算公式（Deutsches Institut fuuml;r Normung（DIN）1981; AASHTO 2004），但这些公式适用于弹性阶段，但是在对弹塑性阶段的可靠性分析是不够充足的(Guo and Li 2009)。采用概率有限元法对预应力箱梁做一个更合理的评估，其中采用复合退化壳的理论对薄壁箱型桥梁进行建模，然后采用有效的抽样方法进行可靠性分析。分析中包含了比较宽广范围的随机变量，如氯离子扩散率，氯离子浓度的临界阈值，局部腐蚀深度，混凝土材料性能，混凝土保护层厚度，和外部荷载。

表1 时变预应力损失测量

时变性模型

混凝土收缩徐变

采用CEB-FIP（CEB-FIP 1994）模型对混凝土材料性能随时间的变化进行建模，并且考虑多个参数的影响，如水泥类型、环境温度、相对湿度、混凝土强度、混凝土加载龄期。

在CEB-FIP模型中，混凝土收缩徐变的变化是通过徐变函数来表示的，公式如下：

（1）

式中表示在的龄期内混凝土的弹性模量，表示28天的龄期内混凝土的弹性模量，徐变系数由下面的双曲率函数中确定：

（2）

式中，为环境相对湿度；等于100%；为混凝土构件标准尺寸（mm）其中；为截面面积，为与空气接触的周长；为28天的平均抗压强度。其中如下：

用下面式子来表示混凝土强度随时间的变化：

（）

式中

（）

是一个随时间变化的系数，式中s取0.20,0.25和0.38的值分别表示快速硬化的高强度水泥，快速硬化的正常强度水泥和缓慢硬化的水泥。具体的凝固时间用以下式子确定：

（）

式中为混凝土在天的温度。

混凝土的在t天的弹性模量可以估计为：

（4）

混凝土在t天的收缩变形量为：

（）

式中为取决于混凝土类型的收缩徐变系数；表示混凝土开始收缩的时间；与

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