谈 跨 海 大 桥 混 凝 土 结 构 寿 命 预 测 模 型
Research on Service Life Prediction M odel of Concrete Structure of Sea—crossing
Bridge
刘慧 军
(石家庄交通勘察设计院，石家庄 050000)
LIUHui-jun
(Shijiazhuang Traffic Survey andDesign Institute，Shijiazhuang 050000，China)
【摘 要】根据水中氟离子的腐蚀作用，通过菲克第二定律和全概率计算方法预测跨海大桥的寿命。通过优化蒙特卡罗方法
来改进混凝土结构的寿命预测方法。同时，与Life一365的计算结果进行比较，确定该预测程序的可靠性。最后，利用金塘大桥
来验证预测模型的准确性。
【Abstract]According to the chloride corrosion environment，service life prediction model ofconcrete structure ofsea—crossing bridge
was built using modified Fick’S second law and the whole probability calculation method，which was suitable for China．Furthermore，a
visualservicelifepredictionprogramofconcretestructurewasdevelopedbyoptimizedMonteCarlomethod．Meanwhile，Life365program
wascompared，indicatingreliabilityofthepredictionprogram．Fina11y，ⅡleVa1idityofpredictionmodelwasverifiedinJin—TangBridge．
【关键词】跨海大桥；混凝土结构；使用寿命；预测
【Keywords]sea-crossingbridge；concretestructure；servicelife；prediction
【中图分类号]U448．33 【文献标志码】A 【文章编号】1007．9467(2016)10．0100．03
[DOI]10．13616~．cnki．gcjsysj．2016．10．028
1 引 言
跨海立交桥的自然条件十分复杂，它的腐蚀等级从 c级
(中度)到 F级(极其严重)。正常隋况下，该混凝土结构寿命可
达 50～120年，但许多混凝土结构的使用寿命比实际的寿命
少得多[1】。当结构被腐蚀后，十几年甚至是几年结构就被破坏
了。研究表明，氯离子的腐蚀是影响跨海大桥使用寿命的决定
性因素嘲。鉴于氯离子腐蚀，预测和估计跨海大桥的寿命是设
计的一个重要组成部分。
目前 ，用于评价混凝土结构在氯化物环境下寿命的预测
模型有 Life．365，DuraCrete等，都是基于菲克第二定律建立
的。这些模型在很多海外项目中得到应用13]。在我国，由于对混
【作者简介】刘慧军(1972 )，男，河北石家庄人，高级工程师，从事
道路桥梁设计与研究。
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凝土结构使用寿命研究起步较晚 ，同时对桥梁工程中缺乏长
期有效的数据调查 以及原材料 、施工管理水平及环境的不
同，国外预测模型中的参数并不一定适用于国内，如果我们直
接使用，会产生很多不良效应。因此，必须利用国外的成功经
验，建立适合我国国情的跨海大桥寿命预测模型。
2 寿 命 预 测 模 型
在氯化物腐蚀环境下，跨海大桥的混凝土结构使用寿命
运用数学模型进行预测，模型建立在菲克第二定律计算的基
础之上。
熹 _D鲁 (1)
2．1 氯离子 扩散 系数 为 固定值
假定混凝土作为半无限体，氯离子浓度在边界 x=O是
恒定值 ，也就是c =0，t)：c ，混凝土的初始氯离子浓度是
c(x，f=0)=c。=0，并假定 D为常数 D。。根据菲克第二定律，混
凝土结构一侧暴露于氯化物的环境中，氯离子浓度随时间和
深度改变，其变化规律为：
c(x，f)=：c [1一erf(— )】 (2) 、／4Dot
如果混凝土的初始氯离子浓度从原料等加入时为 C。，式
(2)可以写为：
c(x，t)==c0+(c。一c。)[1一erf(—兰：： )] (3) V4D0t
此时 ，氯离子导致钢筋钝化失效的临界浓度为 cl ，在式
(3)中c(x， )=c。⋯钢筋的腐蚀时间可以表达为 ：
t=[erf一 (1一一c,m-~o)1 (4Do)一 (4) V Cs—CO
2．2 氯 离子 扩散 系数视 为 随时 间衰减
研究发现 ，实际混凝土物质的扩散系数 D可以随许多因
素如水灰比 、物质种类、水泥质材料和环境条件的比率来改
变。随着时间的推移，混凝土的水化反应变得更加紧凑，氯离
子扩散系数变得更小，这与指数衰变规律相一致。而实际的扩
散系数 D也受环境温度的影响。在实际工程中，我们通常只能
得到氯离子扩散系数在 28d的检测值(Dn)，而实际混凝土结
构的氯离子扩散系数与实验结果之间的关系如下：
U，I 1、 D(t)=19oe _ ( ) k k (5)
式中，。 U‘寺一丁1 为显示温度对扩散系数的影响 ；to为测试温度；Do为扩
散系数；￡为混凝土结构中的平均温度；To和 表示开尔文温度；U为
活化能，它与混凝土的密度相关，为35 000J／mol； 为气体常数，8．314
472J／(mol·K)； 为环境系数； 为保护系数。
根据菲克第二定律，将式(5)代入式(1)，得：
OC = [D0e 昔‘抖 ( ) ]鲁 (6)
假设半无限混凝土暴露于单一的氯化物环境的条件下，可以得
到解析解：
C( ，t)=
Co+(C。一co)[1一er ——=二二二二二 — l_—丁 ———一 )] (7) 、／ e 百 ( ) 。
所以，当c(x，t)=c ，混
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