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摘要：混凝土结构的耐久性问题已成为全世界学者共同关注的焦点,对混凝土结构进行耐久性设计, 提高结构的耐久性能得到了广泛的重视。本文介绍了混凝土结构耐久性定义，探讨了混凝土结构的耐久性设计方法。
关键词：混凝土结构耐久性设计定义方法
中图分类号：TU37文献标识码： A 文章编号：
随着经济的高速发展，我国已成为名副其实的“世界工地”。大量的基础设施项目的上马对其质量形成了考验，这其中建筑混凝土的耐久性成为工程技术人员关心的问题，而耐久性决定着建筑物的寿命性，因此同时也是政府和普通老百姓关心的话题。从技术角度上说，混凝土结构的可靠性依据安全性、适用性和耐久性等三个指标，现实是当前对混凝土的安全性和适用性研究得比较透彻和成熟，而混凝土的耐久性的测验由于需要花费较长的时间，人们往往只关注当前的结构质量，而忽视对未来可靠性的考虑，这导致对建筑耐久性的分析和研究长期得不到重视。我国目前的建筑物的寿命普遍低于国际水平，许多新建桥梁工程的平均寿命甚至不到20 年，这些都是工程施工中混凝土的耐久性达不到实际要求造成的。因此，克服急功近利思想，加强对混凝土结构耐久性的研究非常必要。
一、混凝土结构耐久性定义
这个混凝土结构耐久性的定义实际上包含了三个基本要素（1）环境：结构处于某一特定环境（包括自然环境、使用环境）中，并受其侵蚀作用；（2）功能：结构的耐久性是一个结构多种功能（安全功能、适用性等）与使用时间相关联的多维函数；（3）经济：结构在正常使用过程（即设计要求的自然物理剩余寿命）中不需要大修。定义中的工作环境及材料内部因素的作用指的是物理或化学作用，根据结构工作环境情况、破损机理、形态以及国内各行业传统经验，可将混凝土结构的工作环境分成6大类：①大气环境；②土壤环境；③海洋环境；④受環境水影响的环境；⑤化学物质侵蚀环境；⑥特殊工作环境。同时，结构耐久性是结构的综合性能，既涉及结构的承载能力、又涉及结构的正常使用以及维修等，反映了结构性能随时间的变化。
二、混凝土结构的耐久性设计方法
混凝土结构的耐久性是指: 在特定的工作环境中, 在正常维护条件下, 结构在设计目标使用期内保持其设计使用功能的能力。
混凝土结构的耐久性设计主要包括两部分: 计算和验算部分, 以及构造措施部分。在进行混凝土结构的耐久性设计时, 首先要对结构所处的使用环境进行分类并确定环境对结构的作用效应, 然后确定结构的设计目标使用期, 确定结构的耐久性极限状态, 最后对结构的耐久性极限状态进行验算, 并制定有关构造措施。
1、结构使用环境类别及环境作用效应
将结构的使用环境进行分类是进行混凝土结构耐久性设计的首要任务。结构的耐久性与所处的使用环境有直接关系, 不同的使用环境对结构的作用效应不同。不同的使用环境下, 结构的设计目标使用期应该不同。所以, 应合理的对结构使用环境进行分类, 并确定各种环境类别下的环境作用效应。
环境类别可以根据环境特点以及结构在环境作用下的破损特征进行分类。《大气条件下钢筋锈蚀规律的研究》一文中将混凝土结构的使用环境分为六大类: 大气环境、土壤环境、海洋环境、受环境水影响的环境、化学物质侵蚀的环境以及特殊环境。
对于环境作用效应, 目前研究较多并取得一些成果的主要是在一般大气环境下混凝土的碳化、钢筋的锈蚀以及混凝土的冻融破坏问题。其中包括混凝土的碳化机理、碳化规律、碳化深度的测定等, 钢筋的锈蚀的一般规律以及钢筋锈蚀量的预测模型、锈蚀率与截面损失的关系, 混凝土的冻融破坏机理及预测混凝土抗冻耐久性的疲劳损伤模型。
以前主要研究的是某一种环境腐蚀因素单独对结构的作用效应, 但是结构在实际使用过程中, 可能受到几种环境腐蚀因素的联合作用。例如, 混凝土结构在使用过程中发生了混凝土碳化, 同时又有碱骨料反应, 甚至还存在氯离子的侵蚀。几种环境腐蚀因素的联合作用效应应该比单独作用时大一些。对于几种腐蚀环境因素对结构的联合作用效应,例如, 结构在混凝土碳化、冻融循环以及钢筋锈蚀的联合作用下, 混凝土的碳化规律、钢筋锈蚀的一般规律, 可以通过总结前人的研究成果和试验研究来得到。
结构的使用环境类别确定后, 可总结得出该环境类别存在的环境腐蚀因素, 然后计算出此环境类别的环境作用效应。环境作用效应是时间的函数, 在建筑物使用过程中随时间发生变化, 一般随着时间的增长而增长。
2、结构的设计目标使用期
确定结构的设计目标使用期是进行混凝土结构耐久性设计的前提依据。结构的设计目标使用期就是在预定的使用环境下, 在正常的维护条件下, 人们期待结构保持其使用功能应该达到的使用年限。结构的设计目标使用期在设计前确定, 一般为50 年, 重要的为100 年, 但特别重要或受侵蚀特别严重应另外设定。例如, 重要的基础设施工程如桥梁、隧道、地铁、港口, 设计目标使用期可以定为100 年或者更长一些, 重要的、有历史意义的、纪念性的建筑可以定为150年, 一般使用环境下的工业建筑和民用住宅为50 年, 使用环境恶劣的, 如有酸雨、氯离子等有害化学物质侵蚀或者受海水侵蚀的工业建筑, 可定为30 年。总之, 结构的耐久性设计应该有最低设计目标使用期的要求。
3、结构的耐久性极限状态
和对混凝土结构进行承载能力极限状态计算以及正常使用极限状态验算一样, 我们也可以定义混凝土结构耐久性极限状态, 进而对结构耐久性极限状态进行验算。结构的耐久性极限状态就是指: 当结构整体或者结构的某一部分超过某一特定状态后而不能满足结构规定的耐久性功能要求时, 此特定状态称为耐久性极限状态。一般认为, 当结构不能正常使用或者外观出现不可接受的破损时均可以作为结构耐久性极限状态的标志。
目前对混凝土结构耐久性极限状态的规定还没有形成统一的观点。可以根据使用环境的特点, 分别确定每一种环境类别下的耐久性极限状态。如同结构的正常使用极限状态包括挠度、裂缝和应力等限值一样, 结构的耐久性极限状态应该包括对各种环境腐蚀因素作用效应的限值。例如, 在一般大气环境下, 混凝土结构的耐久性极限状态可定为混凝土的碳化深度和钢筋的锈蚀量。
4、构造措施
构造措施是混凝土结构耐久性设计里面很重要的一个环节。以往的研究主要是集中在这一方面, 也取得了比较成熟的结果。笔者认为, 耐久性构造措施应该包括三个方面的内容: 设计、施工以及使用阶段。同时, 应该针对结构所处使用环境及结构设计目标使用期的不同, 采取有针对性的耐久性构造措施。例如, 在钢筋锈蚀严重的地区, 可采用在钢筋表面涂刷环氧类材料或者用纤维增强塑料筋代替钢筋。此外, 结构在使用期间的检测与维护是不容忽视的, 因为没有任何建筑物在环境的侵蚀下能保持完好无损。对于重要的公共基础设施工程以及生命线工程, 必须强制进行定期的检测与维修。
混凝土结构的耐久性问题已成为全世界学者共同关注的焦点,对混凝土结构进行耐久性设计, 提高结构的耐久性能得到了广泛的重视。我国目前正处在工业化、城市化加速的起点, 正在进行大规模的基本建设。有专家估计, 我国“大干”基础设施工程建设的高潮还可持续20 年。为了不重蹈覆辙, 防患于未然, 我们必须重视混凝土结构的耐久性问题, 制定出符合我国实际情况的耐久性技术标准,用以指导工程实践。
参考文献：
[1]刘西拉. 重大土木与水利工程安全性及耐久性的基础研究[ J] . 土木工程学报, 2001, ( 12) .
[2]金伟良, 赵羽习. 混凝土结构耐久性研究的回顾与展望[ J] . 浙江大学学报, 2002, ( 4) .
[3]翁玲. 混凝土结构耐久性设计研究概述[J]. 中外建筑,2005.4.
[4]刘凯, 路新瀛. 混凝土结构耐久性设计与耐久性寿命预测[J]. 四川建筑科学研究,2006.4.
作者信息
余维江：山东省冶金设计院股份有限公司土建一室 ，山东 济南 250101工程师
潘可明：山东省冶金设计院股份有限公司耀华公司 ，山东 济南 250101工程师
尹鹏：山东省冶金设计院股份有限公司项目管理部 ，山东 济南 250101工程师
关键词：混凝土结构耐久性设计定义方法
中图分类号：TU37文献标识码： A 文章编号：
随着经济的高速发展，我国已成为名副其实的“世界工地”。大量的基础设施项目的上马对其质量形成了考验，这其中建筑混凝土的耐久性成为工程技术人员关心的问题，而耐久性决定着建筑物的寿命性，因此同时也是政府和普通老百姓关心的话题。从技术角度上说，混凝土结构的可靠性依据安全性、适用性和耐久性等三个指标，现实是当前对混凝土的安全性和适用性研究得比较透彻和成熟，而混凝土的耐久性的测验由于需要花费较长的时间，人们往往只关注当前的结构质量，而忽视对未来可靠性的考虑，这导致对建筑耐久性的分析和研究长期得不到重视。我国目前的建筑物的寿命普遍低于国际水平，许多新建桥梁工程的平均寿命甚至不到20 年，这些都是工程施工中混凝土的耐久性达不到实际要求造成的。因此，克服急功近利思想，加强对混凝土结构耐久性的研究非常必要。
一、混凝土结构耐久性定义
这个混凝土结构耐久性的定义实际上包含了三个基本要素（1）环境：结构处于某一特定环境（包括自然环境、使用环境）中，并受其侵蚀作用；（2）功能：结构的耐久性是一个结构多种功能（安全功能、适用性等）与使用时间相关联的多维函数；（3）经济：结构在正常使用过程（即设计要求的自然物理剩余寿命）中不需要大修。定义中的工作环境及材料内部因素的作用指的是物理或化学作用，根据结构工作环境情况、破损机理、形态以及国内各行业传统经验，可将混凝土结构的工作环境分成6大类：①大气环境；②土壤环境；③海洋环境；④受環境水影响的环境；⑤化学物质侵蚀环境；⑥特殊工作环境。同时，结构耐久性是结构的综合性能，既涉及结构的承载能力、又涉及结构的正常使用以及维修等，反映了结构性能随时间的变化。
二、混凝土结构的耐久性设计方法
混凝土结构的耐久性是指: 在特定的工作环境中, 在正常维护条件下, 结构在设计目标使用期内保持其设计使用功能的能力。
混凝土结构的耐久性设计主要包括两部分: 计算和验算部分, 以及构造措施部分。在进行混凝土结构的耐久性设计时, 首先要对结构所处的使用环境进行分类并确定环境对结构的作用效应, 然后确定结构的设计目标使用期, 确定结构的耐久性极限状态, 最后对结构的耐久性极限状态进行验算, 并制定有关构造措施。
1、结构使用环境类别及环境作用效应
将结构的使用环境进行分类是进行混凝土结构耐久性设计的首要任务。结构的耐久性与所处的使用环境有直接关系, 不同的使用环境对结构的作用效应不同。不同的使用环境下, 结构的设计目标使用期应该不同。所以, 应合理的对结构使用环境进行分类, 并确定各种环境类别下的环境作用效应。
环境类别可以根据环境特点以及结构在环境作用下的破损特征进行分类。《大气条件下钢筋锈蚀规律的研究》一文中将混凝土结构的使用环境分为六大类: 大气环境、土壤环境、海洋环境、受环境水影响的环境、化学物质侵蚀的环境以及特殊环境。
对于环境作用效应, 目前研究较多并取得一些成果的主要是在一般大气环境下混凝土的碳化、钢筋的锈蚀以及混凝土的冻融破坏问题。其中包括混凝土的碳化机理、碳化规律、碳化深度的测定等, 钢筋的锈蚀的一般规律以及钢筋锈蚀量的预测模型、锈蚀率与截面损失的关系, 混凝土的冻融破坏机理及预测混凝土抗冻耐久性的疲劳损伤模型。
以前主要研究的是某一种环境腐蚀因素单独对结构的作用效应, 但是结构在实际使用过程中, 可能受到几种环境腐蚀因素的联合作用。例如, 混凝土结构在使用过程中发生了混凝土碳化, 同时又有碱骨料反应, 甚至还存在氯离子的侵蚀。几种环境腐蚀因素的联合作用效应应该比单独作用时大一些。对于几种腐蚀环境因素对结构的联合作用效应,例如, 结构在混凝土碳化、冻融循环以及钢筋锈蚀的联合作用下, 混凝土的碳化规律、钢筋锈蚀的一般规律, 可以通过总结前人的研究成果和试验研究来得到。
结构的使用环境类别确定后, 可总结得出该环境类别存在的环境腐蚀因素, 然后计算出此环境类别的环境作用效应。环境作用效应是时间的函数, 在建筑物使用过程中随时间发生变化, 一般随着时间的增长而增长。
2、结构的设计目标使用期
确定结构的设计目标使用期是进行混凝土结构耐久性设计的前提依据。结构的设计目标使用期就是在预定的使用环境下, 在正常的维护条件下, 人们期待结构保持其使用功能应该达到的使用年限。结构的设计目标使用期在设计前确定, 一般为50 年, 重要的为100 年, 但特别重要或受侵蚀特别严重应另外设定。例如, 重要的基础设施工程如桥梁、隧道、地铁、港口, 设计目标使用期可以定为100 年或者更长一些, 重要的、有历史意义的、纪念性的建筑可以定为150年, 一般使用环境下的工业建筑和民用住宅为50 年, 使用环境恶劣的, 如有酸雨、氯离子等有害化学物质侵蚀或者受海水侵蚀的工业建筑, 可定为30 年。总之, 结构的耐久性设计应该有最低设计目标使用期的要求。
3、结构的耐久性极限状态
和对混凝土结构进行承载能力极限状态计算以及正常使用极限状态验算一样, 我们也可以定义混凝土结构耐久性极限状态, 进而对结构耐久性极限状态进行验算。结构的耐久性极限状态就是指: 当结构整体或者结构的某一部分超过某一特定状态后而不能满足结构规定的耐久性功能要求时, 此特定状态称为耐久性极限状态。一般认为, 当结构不能正常使用或者外观出现不可接受的破损时均可以作为结构耐久性极限状态的标志。
目前对混凝土结构耐久性极限状态的规定还没有形成统一的观点。可以根据使用环境的特点, 分别确定每一种环境类别下的耐久性极限状态。如同结构的正常使用极限状态包括挠度、裂缝和应力等限值一样, 结构的耐久性极限状态应该包括对各种环境腐蚀因素作用效应的限值。例如, 在一般大气环境下, 混凝土结构的耐久性极限状态可定为混凝土的碳化深度和钢筋的锈蚀量。
4、构造措施
构造措施是混凝土结构耐久性设计里面很重要的一个环节。以往的研究主要是集中在这一方面, 也取得了比较成熟的结果。笔者认为, 耐久性构造措施应该包括三个方面的内容: 设计、施工以及使用阶段。同时, 应该针对结构所处使用环境及结构设计目标使用期的不同, 采取有针对性的耐久性构造措施。例如, 在钢筋锈蚀严重的地区, 可采用在钢筋表面涂刷环氧类材料或者用纤维增强塑料筋代替钢筋。此外, 结构在使用期间的检测与维护是不容忽视的, 因为没有任何建筑物在环境的侵蚀下能保持完好无损。对于重要的公共基础设施工程以及生命线工程, 必须强制进行定期的检测与维修。
混凝土结构的耐久性问题已成为全世界学者共同关注的焦点,对混凝土结构进行耐久性设计, 提高结构的耐久性能得到了广泛的重视。我国目前正处在工业化、城市化加速的起点, 正在进行大规模的基本建设。有专家估计, 我国“大干”基础设施工程建设的高潮还可持续20 年。为了不重蹈覆辙, 防患于未然, 我们必须重视混凝土结构的耐久性问题, 制定出符合我国实际情况的耐久性技术标准,用以指导工程实践。
参考文献：
[1]刘西拉. 重大土木与水利工程安全性及耐久性的基础研究[ J] . 土木工程学报, 2001, ( 12) .
[2]金伟良, 赵羽习. 混凝土结构耐久性研究的回顾与展望[ J] . 浙江大学学报, 2002, ( 4) .
[3]翁玲. 混凝土结构耐久性设计研究概述[J]. 中外建筑,2005.4.
[4]刘凯, 路新瀛. 混凝土结构耐久性设计与耐久性寿命预测[J]. 四川建筑科学研究,2006.4.
作者信息
余维江：山东省冶金设计院股份有限公司土建一室 ，山东 济南 250101工程师
潘可明：山东省冶金设计院股份有限公司耀华公司 ，山东 济南 250101工程师
尹鹏：山东省冶金设计院股份有限公司项目管理部 ，山东 济南 250101工程师