混凝提結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法

牟彧嬌

(身份證號：210221198710026327)

混凝提結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法

牟彧嬌

(身份證號：210221198710026327)

隨著建筑工程質(zhì)量的要求不斷增加，對于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計要求更為嚴格，混凝土耐久性是提升混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量的重要部分，本文從影響混凝土耐久性的因素進行分析，并且分析了混凝土耐久性的設(shè)計方法。

混凝土結(jié)構(gòu) 耐久性設(shè)計 方法

引言

1824 年，隨著波特蘭水泥的問世，人類便開始了應(yīng)用混凝土建造建筑物的歷史，同時，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題也隨之出現(xiàn)。國內(nèi)外有關(guān)統(tǒng)計資料表明，由于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性病害而導(dǎo)致的經(jīng)濟損失是非常巨大的，伴隨著環(huán)境變遷和功能要求的提高，耐久性問題愈來愈突出。而我國基本建設(shè)正處在一個新的歷史發(fā)展時期，混凝土結(jié)構(gòu)量大面廣，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題也十分突出。 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是指一個構(gòu)件、一個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、一幢建筑物或一座構(gòu)筑物在一定時期內(nèi)維持其安全性、適用性的能力。

一、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素

1．混凝土的碳化

當(dāng)混凝土完全碳化后，混凝土中埋設(shè)的鋼筋表面鈍化膜被逐漸破壞，在其他條件具備時，鋼筋就會發(fā)生銹蝕。鋼筋銹蝕又將導(dǎo)致混凝土保護層開裂、鋼筋與混凝土之間黏結(jié)力破壞、鋼筋受力截面減少、結(jié)構(gòu)耐久性能降低等一系列不良后果。

2．氯離子對混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕

我國海域遼闊，海岸線很長，大規(guī)模的基本建設(shè)集中于沿海地區(qū)，而海邊的混凝土工程由于長期受氯離子侵蝕，混凝土中的鋼筋銹蝕現(xiàn)象非常嚴重，已建的海港碼頭等工程多數(shù)都達不到設(shè)計壽命的要求。我國北方地區(qū)，為保證冬季交通暢行，向道路、橋梁及城市立交橋等撒除冰鹽，大量使用的氯化鈉和氯化鈣，使得氯離子滲入混凝土，引起鋼筋銹蝕破壞。另外，我國還有廣泛的鹽堿地，其腐蝕條件更為苛刻。海洋是氯離子的主要來源，國內(nèi)外的工程經(jīng)驗教訓(xùn)表明：海水、海風(fēng)和海霧中的氯離子和不合理地使用海砂，是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要原因；道路化冰鹽、鹽湖和鹽堿地、工業(yè)環(huán)境、火等作用均會形成以氯離子為主的腐蝕環(huán)境。

3．凍融環(huán)境（混凝土的抗?jié)B性與抗凍性）

在 1991 年召開的第二界國際混凝土耐久性會議上 Mehta 教授的主旨報告“混凝土耐久性——五十年進展”中指出：“當(dāng)今世界混凝土破壞原因，按重要性遞減順序排列是：鋼筋銹蝕、凍害、物理化學(xué)作用。”除了氯離子以外，凍害是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素。

4．混凝土的堿—集料反應(yīng)

堿—集料反應(yīng)是指混凝土中的堿和集料中活性組分之間發(fā)生的破壞膨脹反應(yīng)，是影響混凝土耐久性最主要的因素之一。混凝土發(fā)生堿—集料反應(yīng)的特征：外觀上主要是表面裂縫、變形和滲出物；內(nèi)部特征主要有內(nèi)部凝膠、反應(yīng)環(huán)、活性堿—集料、內(nèi)部裂縫、堿含量等。堿—集料反應(yīng)不同于其他混凝土病害，其開裂性破壞是整體性的，且目前尚未有有效性的修補方法，而其中的堿—碳酸鹽反應(yīng)的預(yù)防尚無有效措施。由于堿—集料反應(yīng)造成的混凝土開裂破壞難以被阻止，因而被稱為混凝土的“癌癥”。

5．鋼筋的銹蝕

工程實踐證明，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋的銹蝕是影響服役結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素。新鮮的混凝土是呈堿性的，在堿性環(huán)境中的鋼筋容易發(fā)生鈍化作用，使鋼筋表面產(chǎn)生一層鈍化膜，能夠阻止混凝土中鋼筋的銹蝕。但當(dāng)有二氧化碳、水汽和氯離子等有害物質(zhì)從混凝土表面通過孔隙進入混凝土內(nèi)部后，埋置鋼筋表面的鈍化膜被逐漸破壞，在其他條件具備的情況下，鋼筋就會發(fā)生銹蝕，逐漸導(dǎo)致混凝土保護層開裂，鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)力破壞，鋼筋受力截面減少，結(jié)構(gòu)強度降低等，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性的降低。通常情況下，受氯鹽污染的混凝土中的鋼筋有更嚴重的銹蝕情況。

6．裂縫

結(jié)構(gòu)的破壞和倒塌一般都是從裂縫擴展開始的，從近代固體強度理論的發(fā)展中可以看到，裂縫的擴展是結(jié)構(gòu)物破壞的初始階段；相對的某些裂縫，其承載力也可能受到一定威脅。同時，結(jié)構(gòu)物裂縫可以引起滲漏，引起持久強度的降低，如保護層剝落、鋼筋腐蝕、混凝土碳化等。因此，裂縫是影響混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件使用壽命的關(guān)鍵因素。

7．混凝土表面的磨損

通常有三種情況會引起混凝土的表面磨損，一是機械磨耗，如路面、機場跑道、廠房地坪混凝土受到反復(fù)摩擦、沖擊造成的；二是沖磨，如橋墩、水工泄水結(jié)構(gòu)物受高速水流中夾帶的泥砂、礫石顆粒的沖刷、撞擊和摩擦造成的；三是空蝕，如水工泄水結(jié)構(gòu)物受水流速度和方向改變形成的空穴沖擊作用造成的。

二、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法

1. 確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用壽命

結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用壽命就是在預(yù)定的使用環(huán)境下，在正常的維護條件下，人們期待結(jié)構(gòu)保持其各項功能應(yīng)該達到的使用年限。規(guī)范規(guī)定或設(shè)計人員向業(yè)主提出并據(jù)以進行設(shè)計的結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限，應(yīng)是在一定保證率或安全儲備下所能達到的最低年限。新頒布的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》( GB50010- 2002) 規(guī)定混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計應(yīng)按結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限進行設(shè)計，是我國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方法發(fā)展上的一個里程碑。

2. 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性極限狀態(tài)

當(dāng)結(jié)構(gòu)整體或者結(jié)構(gòu)的某一部分超過某一特定狀態(tài)后而不能滿足結(jié)構(gòu)規(guī)定的耐久性功能要求時，此特定狀態(tài)稱為耐久性極限狀態(tài)。目前對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性極限狀態(tài)的規(guī)定還沒有形成統(tǒng)一的觀點。一般認為，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)因耐久性不滿足設(shè)計要求而導(dǎo)致維修費用過大、嚴重超出正常維修的允許范圍時，結(jié)構(gòu)的使用壽命結(jié)束。亞洲混凝土結(jié)構(gòu)模式規(guī)范中，將安全性、適用性和可修復(fù)性三者作為結(jié)構(gòu)設(shè)計需要滿足的三大功能。可修復(fù)性在結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計中是不可或缺的，所以，環(huán)境作用下的結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計，應(yīng)該主要按適用性和可修復(fù)性的要求來確定結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)，也可以根據(jù)使用環(huán)境的特點，分別確定每一種環(huán)境類別下的耐久性極限狀態(tài)，可以通過確定各種環(huán)境因素作用效應(yīng)的限值( 如混凝土的碳化深度、鋼筋的銹蝕程度等)來確定?；炷两Y(jié)構(gòu)如果超越了耐久性極限狀態(tài)便是一種結(jié)構(gòu)失效狀態(tài)。全面準確的混凝土結(jié)構(gòu)在各種環(huán)境條件下的耐久性極限狀態(tài)， 需進一步研究。

3. 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性計算

我國現(xiàn)行規(guī)范在考慮結(jié)構(gòu)耐久性時，僅考慮耐久性的構(gòu)造要求部分，并沒有考慮抗力隨時間變化的規(guī)律。規(guī)范規(guī)定的設(shè)計基準期也是為了給定與時間有關(guān)的基本變量如荷載效應(yīng)所取的基準時間，而并不等同于結(jié)構(gòu)使用壽命或耐久年限。所以，并不能從設(shè)計計算上保證結(jié)構(gòu)在預(yù)定時間內(nèi)的可靠性。有學(xué)者提出了保證結(jié)構(gòu)耐久性的計算方法，分為壽命安全系數(shù)法和基于概率的結(jié)構(gòu)可靠性動態(tài)評估法。第 1 種方法試圖通過設(shè)計時一次性措施保證新建結(jié)構(gòu)在目標使用期內(nèi)的可靠性； 第 2 種方法則是可以在結(jié)構(gòu)生命周期內(nèi)對已有結(jié)構(gòu)多次進行評估和預(yù)測，并做出維修、加固決策，從而保證結(jié)構(gòu)的使用壽命。壽命安全系數(shù)法基于傳統(tǒng)的可靠度定量靜態(tài)設(shè)計思想，易于理解接受，但由于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是包含大量不確定因素和不確定信息的問題，因此試圖通過定量設(shè)計保證結(jié)構(gòu)的使用壽命，并不科學(xué)。第 2 種方法則考慮結(jié)構(gòu)的整個生命周期，可以實現(xiàn)信息的不斷更新和決策的最優(yōu)化。但由于實際問題的復(fù)雜性， 該方法的應(yīng)用還有大量工作需要進一步開展。

所以目前一般采用 S≤ηR

其中∶ S 為現(xiàn)行規(guī)范中荷載設(shè)計值部分；R 為現(xiàn)行規(guī)范中抗力設(shè)計值部分；η為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計系數(shù)，它可用數(shù)字表格或函數(shù)公式的形式在規(guī)范中給出。實際上，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計系數(shù)是結(jié)構(gòu)失效概率、可靠度或可靠度指標隨時間變化的函數(shù)，文獻給出了這種映射關(guān)系， 通過這種映射關(guān)系我們可以計算出結(jié)構(gòu)的耐久性系數(shù)并進行校核。

三、結(jié) 語

由于影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素很多，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性也是當(dāng)前混凝土結(jié)構(gòu)理論研究的一個熱門課題，它涉及到混凝土材料耐久性腐蝕、建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計準則、混凝土結(jié)構(gòu)維修加固等諸多方面知識；而目前對它的研究還有待深入，耐久性損傷破壞參數(shù)數(shù)據(jù)尚收集積累不夠，對其設(shè)計標準和方法，工程界尚不統(tǒng)一，因此，難以達到定量設(shè)計的程度。目前規(guī)范采用了宏觀控制的方法，即根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限和環(huán)境類別對結(jié)構(gòu)混凝土提出相應(yīng)的限制和要求，以保證其耐久性。這種方法概念清楚，設(shè)計簡單。規(guī)范規(guī)定設(shè)計人員在設(shè)計圖紙上應(yīng)標明建筑結(jié)構(gòu)的使用年限，為此，設(shè)計人員應(yīng)結(jié)合已有的設(shè)計經(jīng)驗和當(dāng)?shù)毓こ探ㄔO(shè)實踐認真進行結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計。

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1007-6344（2015）03-0327-01

牟彧嬌，女，1987年10月，籍貫：遼寧省本溪市，畢業(yè)于 長春工程學(xué)院 土木工程系。