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摘要：随着社会的发展与进步，重视混凝土结构的耐久性设计分析具有重要的意义。本文主要简单地介绍基于耐久性的混凝土结构分析。
关键词混凝土 结构 耐久性 设计 极限
中图分类号：TV331 文献标识码：A 文章编号：
引言
钢筋混凝土结构是一个多尺度、多体、非平衡系统具有多因素的强相互作用，各种因素在实际工程中很难绝对分开,尤其是外部环境因素与内部因素的相互作用,由单个影响因素的研究结论并不能确切推知各种因素综合作用下的混凝土的耐久性性能,也就是说,各种因素的相互作用是非线性的;实际工程中各种因素又具有高度不确定性随机性和未确知性如实际的水灰比水泥用量是一随机变量。
1.耐久性不足对结构的危害
建筑物在长期使用过程中， 在内部的或外部的人为的或自然的因素作用下，随着时间的推移将发生材料老化与结构损伤，这是一个不可逆的过程。这种损伤的累积将导致结构性能劣化承载力下降，耐久性能降低。长期以来， 人们受混凝土是一种耐久性良好的建筑材料的影响，忽视了钢筋混凝土结构的耐久性问题，造成了钢筋混凝土结构耐久性研究的相对滞后并因此付出了巨大的代价。由于耐久性不足导致结构破坏的事故时有发生其中因混凝土碳化和钢筋锈蚀需要处理的工程具有普遍性造成的损失也是难以估量的。因此钢筋混凝土结构的耐久性问题已受到国内外土木工程界和学术界的高度重视。美国标准局 NBS 1975 年的调查表明美国全年各种因腐蚀造成的损失为700多亿美元。其中混凝土中钢筋锈蚀造成的损伤约占40%。在美国州际公路网56 万座桥中处于严重失效的就有9万座，1969 年，一年用于修复因钢筋锈蚀而损坏的公路桥面板的费用高达26 亿美元，1978 年增至63 亿美元，美国材料咨询委员会NMAB1987 年的报告中指出，有253000 座混凝土桥处于不同程度的损伤状态且以每年35000座的速度在增加。1991 年用于修复由于耐久性不足而损坏的桥梁就耗资910 亿美元。
2、混凝土耐久性结构设计方法
2.1 耐久性设计实用方法
日本东京大学罔村甫教授提出耐久性设计应全面考虑材料质量、施工程序、结构构造等。在一定环境中正常工作,在要求的期限内不需要维修的条件是：
SP≤ TP
式中SP为环境指数SP=S0+△ SP;TP为耐久性指数TP=50+ΣTP(i,j)。环境指数SP的取值是以一个在中等环境条件下工作的混凝土结构,若有95%把握不需维修,取一个SP初值S0=100;根据使用环境不同对环境指数增值,如在含有氯化物环境中,视其腐蚀作用大小,可取△ SP=40～ 70;有冻融作用时,可取△SP=10～70等等。耐久性指数TP是反映设计施工各工序(序号为i)中影响耐久性的诸因素(序号为j),分别赋予不同数值然后叠加,如视混凝土材料(i=1)中骨料含水率(j=8)不同,可分别取TP(1,8)=8～ -15等。
2.2 耐久性极限状态设计法
设计原则是在使用寿命内抵抗环境作用的能力大于环境对结构作用的效应,即满足：
F≤ R
式中F—环境作用效应;R—结构构件抵抗环境作用的能力。按环境类别确定環境作用效应,将工作环境划分为大气环境、土壤环境、海洋环境、受环境水影响的环境和特殊工作环境等6类。根据结构工作环境状况,确定耐久性极限状态极其标志,对大气环境下的混凝土结构耐久性极限状态分为:对不允许钢筋锈蚀的结构构件(如预应力钢筋、直径较小的钢筋、结构塑性铰区的主筋、地问下受拉主筋等),以混凝土炭化达到主要钢筋表面为耐久性极限状态标志;对允许有限锈蚀的构件,以钢筋截面质量损失率达1%作为耐久性极限状态的标志。
2.3 基于近似概率法的极限状态设计法
耐久性设计包括计算和构造部分。计算部分与现行混凝土结构设计规范设计方法相协调,引入耐久性设计概念,其表达式为:
S≤ ηR
式中:S-内力设计值;R-构件抗力设计值;η -耐久性设计系数,为构件经t时刻后的可靠指标β (t)的函数,η =f[β (t)],用蒙特卡罗法根据可靠性数学及规范给出:
η =β 0/[β 0+β t-β (t)]
式中:β0—现行设计规范公式的可靠指标;β t— 在t时刻要求的可靠指标确定值;β (t)— 随时间增长,结构构件抗力R将下降,假定主要由混凝土强度和钢筋强度降低引起,经统计回归求得某地某种结构构件经t时刻后的可靠指标。
3、高性能混凝土耐久性设计分析
(1)按耐久性设计应首先满足低渗透性的要求。按工程设计抗渗性指标,确定氯离子扩散数要求,作为初选水胶比的依据(水胶比一般不大于0.42)。
(2)胶凝材料总量应大于设计相同强度等级传统混凝土的水泥用量,以保证良好的施工性并提高混凝土的耐久性。对不同强度等级的混凝土, 胶凝材料不小于400kg/m3且不大于400kg/m3。
(3)砂率按混凝土施工性调整。为不影严重响混凝土弹性模量。砂率不易大于45%。
(4)由于胶凝材料中各组分密度相差较大,宜采用绝对体积法进行配合比计算。混凝土拌合物应有最小的砂石孔隙率。
(5)试配后应检验是否满足设计要求,检验按配制强度进行。混凝土配制强度(MPa)
f cu,o=f cu.k+1.645ó
式中:fcu.k为混凝土设计强度(MPa),ó为混凝土强度标准差。fcu.k＜C50时ó5.0MPa,fcu.k≧C50时ó取6.0MPa。
(6)按绝对体积法计算出的配合比进行试拌,检验施工性。调整其坍落度和坍落流动度,观察体积稳定性,测定混凝土的变现密度,调整计算密度和各优选的材料用量。
4、提高混凝土结构耐久性的技术措施
4.1 改进结构构件的设计
(1)要有足够的钢筋保护层厚度《CEB耐久混凝土结构设计指南》提出如果混凝土实际保护层比要求的减少一半,碳化或氯离子侵入钢筋表面的时间就会提前3/4。CEP-FIP模式规范按暴露条件、构件类别及混凝土强度等级,规定了不同保护层厚度, 如一般构件, 混凝土为C25～C30时,保护层不小于35mm,而美国ACI-201委员会规定接近水位或外露与海上的沿海建筑物,其保护层厚度最小75mm,混凝土路面及桥梁护栏最少为50mm;美国ACI-318规范规定室内混凝土梁、柱,筋的最小保护层厚度为38mm;我国现行《混凝土结构设计规范》对室内环境的梁、柱结构最小保护层厚度定25mm,从提高耐久性角度来看,此值偏小。
(2)正确选用水泥品种、水泥用量和水灰比;应优先选用硅酸盐水泥,其抗碳化能力最好,掺有火山灰、高炉矿渣或粉煤灰的混合水泥,其早期硬化慢,后期强度增长快,如养护得当,可以提高抗氯化物侵入能力及抗冻融性能;增加水泥用量(＞300kg/m3)可降低混凝土渗透性;控制水灰比小于0.6,可保证混凝土耐久性。
(3)正确选用钢筋及其间距;尽量不用腐蚀敏感的钢筋,如ф≤4mm的钢筋及经过处理的钢筋,以及持续拉应力大于400MPa的冷加工的钢筋;钢筋的间距要保证易于振捣。
(4)限制含盐量;含盐尤其含氯离子成分对钢,筋腐蚀有严重影响,国外一般限制氯离子含量要小于水泥重量的0.3%～1.0%,德国甚至不允许用CaCl2。
(5)截面等耐久性设计;工程实践多观察到梁柱因钢筋锈蚀引起混凝土膨胀,多首先发生在构件截面拉角区。因此有人从推迟角区钢筋脱钝时间,延缓角区钢筋锈蚀速度,增强角区钢筋抗腐蚀能力出发,提出截面等耐久性设计观点,给出最大保护层厚度取值方法和改变配筋形式的建议。
4.2 加强施工管理
(1)充分振捣和充分养护,可以增加混凝土表面的密实性,降低混凝土渗透性,养护不好对混凝土的碳化合抗腐蚀的能力影响甚大,养护的敏感性随水灰比的增加,水泥用量的减少而增大。
(2)为防止除冰盐剥蚀混凝土,可采用引气剂,形成均匀气泡,降低混凝土渗透性。
(3)对沿海地区氯盐(NaCL、CaCl 2、MgCl2)含量超过70%的盐渍土地区,可采用增加水泥用量、减少水灰比,掺加减水剂或掺加钢筋阻锈剂(水泥用量的1%～3%),提高混凝土密实性并防锈。
4.3 防止继续劣化的措施
(1)涂层法。采用一些防护装饰材料涂盖在构件表面上,如丙乳砂浆、环氧树脂砂浆、过氯乙烯涂料等,或者增涂一层水泥砂浆(厚度20mm左右),均能阻止空气中氧和盐类继续侵入,延缓混凝土碳化合防止钢筋进一步锈蚀。
(2)阴极防腐法。由于混凝土含盐浓度不同,钢筋之间存在电位差,阴极钢筋锈蚀,可采用在混凝土表面涂一层导电涂料或埋设导电材料(铂丝等),与直流电源正极相连,形成新的电位差,使原钢筋骨架转化为阴极,则钢筋锈蚀可得到抑制。
结束语
混凝土结构广泛应用于工业与民用建筑、 道路与桥梁工程、港口与水利工程等各种工程结构中。长期以来，人们认为混凝土结构是一种耐久性能良好的建筑材料，而事实上混凝土结构在长期自然环境和使用条件下会逐渐老化丧失耐久性能。影响了结构物的使用功能和安全。国内外统计事实表明，由于结构耐久性病害而导致的经济损失非常巨大。
参考文献
[1] 国家标准: 建筑结构可靠度设计统一标准GB50068 —2009 . 北京: 中国建筑工业出版社, 2010
[2] 国家标准: 建筑结构设计通用符号计量单位和基本术语GBJ83 —85 . 北京: 中国计划出版社, 2009
[3] 黄兴隶. 工程结构可靠性设计. 北京: 人民交通出版社,2010
[4] 李田, 刘西拉. 混凝土结构的耐久性设计.土木工程学报, 2009,
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词混凝土 结构 耐久性 设计 极限
中图分类号：TV331 文献标识码：A 文章编号：
引言
钢筋混凝土结构是一个多尺度、多体、非平衡系统具有多因素的强相互作用，各种因素在实际工程中很难绝对分开,尤其是外部环境因素与内部因素的相互作用,由单个影响因素的研究结论并不能确切推知各种因素综合作用下的混凝土的耐久性性能,也就是说,各种因素的相互作用是非线性的;实际工程中各种因素又具有高度不确定性随机性和未确知性如实际的水灰比水泥用量是一随机变量。
1.耐久性不足对结构的危害
建筑物在长期使用过程中， 在内部的或外部的人为的或自然的因素作用下，随着时间的推移将发生材料老化与结构损伤，这是一个不可逆的过程。这种损伤的累积将导致结构性能劣化承载力下降，耐久性能降低。长期以来， 人们受混凝土是一种耐久性良好的建筑材料的影响，忽视了钢筋混凝土结构的耐久性问题，造成了钢筋混凝土结构耐久性研究的相对滞后并因此付出了巨大的代价。由于耐久性不足导致结构破坏的事故时有发生其中因混凝土碳化和钢筋锈蚀需要处理的工程具有普遍性造成的损失也是难以估量的。因此钢筋混凝土结构的耐久性问题已受到国内外土木工程界和学术界的高度重视。美国标准局 NBS 1975 年的调查表明美国全年各种因腐蚀造成的损失为700多亿美元。其中混凝土中钢筋锈蚀造成的损伤约占40%。在美国州际公路网56 万座桥中处于严重失效的就有9万座，1969 年，一年用于修复因钢筋锈蚀而损坏的公路桥面板的费用高达26 亿美元，1978 年增至63 亿美元，美国材料咨询委员会NMAB1987 年的报告中指出，有253000 座混凝土桥处于不同程度的损伤状态且以每年35000座的速度在增加。1991 年用于修复由于耐久性不足而损坏的桥梁就耗资910 亿美元。
2、混凝土耐久性结构设计方法
2.1 耐久性设计实用方法
日本东京大学罔村甫教授提出耐久性设计应全面考虑材料质量、施工程序、结构构造等。在一定环境中正常工作,在要求的期限内不需要维修的条件是：
SP≤ TP
式中SP为环境指数SP=S0+△ SP;TP为耐久性指数TP=50+ΣTP(i,j)。环境指数SP的取值是以一个在中等环境条件下工作的混凝土结构,若有95%把握不需维修,取一个SP初值S0=100;根据使用环境不同对环境指数增值,如在含有氯化物环境中,视其腐蚀作用大小,可取△ SP=40～ 70;有冻融作用时,可取△SP=10～70等等。耐久性指数TP是反映设计施工各工序(序号为i)中影响耐久性的诸因素(序号为j),分别赋予不同数值然后叠加,如视混凝土材料(i=1)中骨料含水率(j=8)不同,可分别取TP(1,8)=8～ -15等。
2.2 耐久性极限状态设计法
设计原则是在使用寿命内抵抗环境作用的能力大于环境对结构作用的效应,即满足：
F≤ R
式中F—环境作用效应;R—结构构件抵抗环境作用的能力。按环境类别确定環境作用效应,将工作环境划分为大气环境、土壤环境、海洋环境、受环境水影响的环境和特殊工作环境等6类。根据结构工作环境状况,确定耐久性极限状态极其标志,对大气环境下的混凝土结构耐久性极限状态分为:对不允许钢筋锈蚀的结构构件(如预应力钢筋、直径较小的钢筋、结构塑性铰区的主筋、地问下受拉主筋等),以混凝土炭化达到主要钢筋表面为耐久性极限状态标志;对允许有限锈蚀的构件,以钢筋截面质量损失率达1%作为耐久性极限状态的标志。
2.3 基于近似概率法的极限状态设计法
耐久性设计包括计算和构造部分。计算部分与现行混凝土结构设计规范设计方法相协调,引入耐久性设计概念,其表达式为:
S≤ ηR
式中:S-内力设计值;R-构件抗力设计值;η -耐久性设计系数,为构件经t时刻后的可靠指标β (t)的函数,η =f[β (t)],用蒙特卡罗法根据可靠性数学及规范给出:
η =β 0/[β 0+β t-β (t)]
式中:β0—现行设计规范公式的可靠指标;β t— 在t时刻要求的可靠指标确定值;β (t)— 随时间增长,结构构件抗力R将下降,假定主要由混凝土强度和钢筋强度降低引起,经统计回归求得某地某种结构构件经t时刻后的可靠指标。
3、高性能混凝土耐久性设计分析
(1)按耐久性设计应首先满足低渗透性的要求。按工程设计抗渗性指标,确定氯离子扩散数要求,作为初选水胶比的依据(水胶比一般不大于0.42)。
(2)胶凝材料总量应大于设计相同强度等级传统混凝土的水泥用量,以保证良好的施工性并提高混凝土的耐久性。对不同强度等级的混凝土, 胶凝材料不小于400kg/m3且不大于400kg/m3。
(3)砂率按混凝土施工性调整。为不影严重响混凝土弹性模量。砂率不易大于45%。
(4)由于胶凝材料中各组分密度相差较大,宜采用绝对体积法进行配合比计算。混凝土拌合物应有最小的砂石孔隙率。
(5)试配后应检验是否满足设计要求,检验按配制强度进行。混凝土配制强度(MPa)
f cu,o=f cu.k+1.645ó
式中:fcu.k为混凝土设计强度(MPa),ó为混凝土强度标准差。fcu.k＜C50时ó5.0MPa,fcu.k≧C50时ó取6.0MPa。
(6)按绝对体积法计算出的配合比进行试拌,检验施工性。调整其坍落度和坍落流动度,观察体积稳定性,测定混凝土的变现密度,调整计算密度和各优选的材料用量。
4、提高混凝土结构耐久性的技术措施
4.1 改进结构构件的设计
(1)要有足够的钢筋保护层厚度《CEB耐久混凝土结构设计指南》提出如果混凝土实际保护层比要求的减少一半,碳化或氯离子侵入钢筋表面的时间就会提前3/4。CEP-FIP模式规范按暴露条件、构件类别及混凝土强度等级,规定了不同保护层厚度, 如一般构件, 混凝土为C25～C30时,保护层不小于35mm,而美国ACI-201委员会规定接近水位或外露与海上的沿海建筑物,其保护层厚度最小75mm,混凝土路面及桥梁护栏最少为50mm;美国ACI-318规范规定室内混凝土梁、柱,筋的最小保护层厚度为38mm;我国现行《混凝土结构设计规范》对室内环境的梁、柱结构最小保护层厚度定25mm,从提高耐久性角度来看,此值偏小。
(2)正确选用水泥品种、水泥用量和水灰比;应优先选用硅酸盐水泥,其抗碳化能力最好,掺有火山灰、高炉矿渣或粉煤灰的混合水泥,其早期硬化慢,后期强度增长快,如养护得当,可以提高抗氯化物侵入能力及抗冻融性能;增加水泥用量(＞300kg/m3)可降低混凝土渗透性;控制水灰比小于0.6,可保证混凝土耐久性。
(3)正确选用钢筋及其间距;尽量不用腐蚀敏感的钢筋,如ф≤4mm的钢筋及经过处理的钢筋,以及持续拉应力大于400MPa的冷加工的钢筋;钢筋的间距要保证易于振捣。
(4)限制含盐量;含盐尤其含氯离子成分对钢,筋腐蚀有严重影响,国外一般限制氯离子含量要小于水泥重量的0.3%～1.0%,德国甚至不允许用CaCl2。
(5)截面等耐久性设计;工程实践多观察到梁柱因钢筋锈蚀引起混凝土膨胀,多首先发生在构件截面拉角区。因此有人从推迟角区钢筋脱钝时间,延缓角区钢筋锈蚀速度,增强角区钢筋抗腐蚀能力出发,提出截面等耐久性设计观点,给出最大保护层厚度取值方法和改变配筋形式的建议。
4.2 加强施工管理
(1)充分振捣和充分养护,可以增加混凝土表面的密实性,降低混凝土渗透性,养护不好对混凝土的碳化合抗腐蚀的能力影响甚大,养护的敏感性随水灰比的增加,水泥用量的减少而增大。
(2)为防止除冰盐剥蚀混凝土,可采用引气剂,形成均匀气泡,降低混凝土渗透性。
(3)对沿海地区氯盐(NaCL、CaCl 2、MgCl2)含量超过70%的盐渍土地区,可采用增加水泥用量、减少水灰比,掺加减水剂或掺加钢筋阻锈剂(水泥用量的1%～3%),提高混凝土密实性并防锈。
4.3 防止继续劣化的措施
(1)涂层法。采用一些防护装饰材料涂盖在构件表面上,如丙乳砂浆、环氧树脂砂浆、过氯乙烯涂料等,或者增涂一层水泥砂浆(厚度20mm左右),均能阻止空气中氧和盐类继续侵入,延缓混凝土碳化合防止钢筋进一步锈蚀。
(2)阴极防腐法。由于混凝土含盐浓度不同,钢筋之间存在电位差,阴极钢筋锈蚀,可采用在混凝土表面涂一层导电涂料或埋设导电材料(铂丝等),与直流电源正极相连,形成新的电位差,使原钢筋骨架转化为阴极,则钢筋锈蚀可得到抑制。
结束语
混凝土结构广泛应用于工业与民用建筑、 道路与桥梁工程、港口与水利工程等各种工程结构中。长期以来，人们认为混凝土结构是一种耐久性能良好的建筑材料，而事实上混凝土结构在长期自然环境和使用条件下会逐渐老化丧失耐久性能。影响了结构物的使用功能和安全。国内外统计事实表明，由于结构耐久性病害而导致的经济损失非常巨大。
参考文献
[1] 国家标准: 建筑结构可靠度设计统一标准GB50068 —2009 . 北京: 中国建筑工业出版社, 2010
[2] 国家标准: 建筑结构设计通用符号计量单位和基本术语GBJ83 —85 . 北京: 中国计划出版社, 2009
[3] 黄兴隶. 工程结构可靠性设计. 北京: 人民交通出版社,2010
[4] 李田, 刘西拉. 混凝土结构的耐久性设计.土木工程学报, 2009,
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。