桥梁混凝土强度经时变化规律及其历时模型分析
摘要：混凝土强度是确定混凝土结构构件抗力的基本参数，其经时变化规律是建立服役结构抗力变化模型的基础。
本文就混凝土劣化的机理进行了分析，研究了混凝土强度经时变化规律，并建立其强度的时随模型，对桥梁结构的耐久性分析与使用寿命评估具有重要的实际意义。
关键词：混凝土劣化；强度衰减；耐久性
作为城市道路桥梁的主要形式，钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁的应用越来越广泛，而建成后桥梁所处的环境又是非常复杂而且是多变的，空气中的二氧化碳、水汽和氯离子等有害物质从混凝土表面通过孔隙进入混凝土内部造成混凝土性能逐步退化，从而使承载能力下降，影响结构的安全和正常使用性能，缩短结构的使用寿命。
因此，研究混凝土强度经时变化规律、建立其强度的时随模型，对混凝土桥梁结构的耐久性分析与使用寿命评估具有重要的实际意义。
1. 混凝土强度衰减模型
一般来说，混凝土强度在初期随时间增大，但增长速度逐渐减慢，在后期则随时间下降。
文献[2]研究表明：经年建筑物混凝土强度仍服从正态分布，但平均值和标准差是结构服役时间的函数。
因此，可利用回归分析方法建立混凝土平均强度和标准差的经时变化数学模型。
混凝土平均强度历时模型可用经过t年后混凝土强度平均值来表示:
（1）
式中是混凝土28天强度平均值; 是随时间变化的函数，可由回归分析确定。
一般大气环境下混凝土强度平均值的历时模型可以表示为：
（2）
其曲线如图1所示：
图1 混凝土平均强度经时变化散点图和回归曲线
2.混凝土强度标准差的历时模型
经过t年后混凝土强度的标准差可表示为
（3）
式中是混凝土28天强度的标准差;是表示标准差随时间变化的函数。
混凝土强度的标准差随时间增大，且不受平均值的影响。
表1列出了回归所用的试验和实测数据，其散点图如图2所示。
从图2的散点图可以看出，标准差随经过时间大致呈直线增加趋势。
因此，用线性回归方法可得一般环境下混凝土强度标准差的经时模型为
（4）
表1混凝土强度标准差回归数据
图2混凝土强度标准差经时变化散点图和回归曲线
其相关系数为0.906。
混凝土强度变化的总趋势是：旱龄期强度不断增高，之后又在环境腐蚀介质的侵蚀下缓慢降低，从前述可知，一般大气环境下t年后混凝土平均强度和标准差的经时变化模型分别为：
（5）
（6）
式中：、分别为混凝土28d立方体试件抗压强度的均值和标准差。
3.混凝土强度设计值的历时模型
3.1混凝土抗压强度设计值的历时模型
取保证率为95%时，立方体试件抗压强度的标准值
（7）
设计应用的棱柱体试件抗压强度与边长为150mm立方体试件抗压强度有一定关系，其平均值的关系为：
（8）
式中，为棱柱体强度与立方体强度的比值。
按以往试验资料和《高强度混凝土结构设计和施工指南》建议取值，C50及以下混凝土，；C55～C80混凝土，。
另外，考虑C40以上混凝土具有脆性，取折减系数C40～C80为1.0～0.87，中间按直线插值。
构件中混凝土与试件混凝土因品质、制作工艺、受荷情况和环境条件等不同，有一定的差异，按《公路统一标准》条文说明建议，其抗压强度平均换算系数，则构件混凝土棱柱体抗压强度的平均值为：
（9）
假定构件混凝土强度的变异系数与立方体抗压强度的变异系数相同，即：，则构件混凝土棱柱体抗压强度标准值为：
（10）
式中，为取保证率为95%时，立方体试件抗压强度的标准值。
构件混凝土轴心抗压强度设计值，由混凝土轴心抗压强度标准值除以混凝土材料分项系数1.45求得。
（11）
式中，为混凝土28d抗压强度的设计值。
3.2混凝土抗拉强度设计值的历时模型
构件混凝土轴心抗拉强度与边长150mm立方体试件抗压强度之间的平均值关系为：
（12）
构件混凝土轴心抗拉强度标准值（保证率为95%）为：
（13）
构件混凝土轴心抗拉强度设计值（保证率为95%）为：
（14）
4. 混凝土材料强度修正
混凝土强度可由超声回弹等多种方法测得，若可统计出实测资料均值及标准差，并由预测模型式(5)、式(6)分别计算出实测时刻时的预测值为、,取，，为了保证参数的变化趋势和原来相同，在后续使用期各时点对混凝土强度进行同幅修正，则修正后的混凝土强度均值和标准差为：
（15）
（16）
混凝土强度服从正态分布，平均值和标准差是结构服役时间的函数。
当取保证率为95%时，其抗压强度设计值为：
（17）
抗拉强度设计值（保证率为95%）为：
（18）
5.小结
本文主要就影响桥梁结构耐久性的混凝土劣化因素进行了介绍，对混凝土强度及强度标准差的衰减模型进行了修正。
混凝土强度的时随模型对建立混凝土桥梁结构抗力时随变化模型，进行桥梁结构的耐久性分析与使用寿命评估具有重要的实际意义。
参考文献：
[1]牛荻涛.混凝土结构耐久性与寿命预测[M].北京：科学出版社,2003.
[2] 牛荻涛,王庆霖.一般大气环境下混凝土强度经时变化模型[J].工业建筑,1995(6)
[3]《高强度混凝土结构设计和施工指南》. 中国建筑工业出版社,( 2001.3)
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