淺析混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計

柳 鵬

(大連弘藝規(guī)劃建筑設(shè)計研究有限公司)

淺析混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計

柳 鵬

(大連弘藝規(guī)劃建筑設(shè)計研究有限公司)

做好混凝土結(jié)構(gòu)耐久性對于建筑工程質(zhì)量保障有著重要意義，本文從混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計進(jìn)行分析。

混凝土結(jié)構(gòu)；耐久性設(shè)計；方法

引言

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計是一個十分重要而又迫切需要解決的問題。近幾年的工程調(diào)查表明，我國的混凝土結(jié)構(gòu)普遍存在著耐久性不足的問題。有相當(dāng)數(shù)量的混凝土結(jié)構(gòu)使用不到二十年就開始出現(xiàn)鋼筋銹蝕、混凝土破損等現(xiàn)象，其中部分不得不報廢拆除，國家每年都要蒙受巨大的經(jīng)濟(jì)損失。提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和耐久性設(shè)計問題日益受到政府有關(guān)主管部門和廣大工程技術(shù)人員的重視。

1、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法

1.1 結(jié)構(gòu)使用環(huán)境的分類與環(huán)境對結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》( GB50010- 2002) 將混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別細(xì)分為5 類；也有的文獻(xiàn)將環(huán)境分為 6 類: 大氣環(huán)境、土壤環(huán)境、海洋環(huán)境、受環(huán)境水影響的環(huán)境、化學(xué)物質(zhì)侵蝕的環(huán)境以及特殊環(huán)境。環(huán)境的分類應(yīng)該根據(jù)建筑物的具體情況進(jìn)行劃分，設(shè)計人員的首要任務(wù)是要全面了解建筑物的工作環(huán)境，對環(huán)境要進(jìn)行詳盡的了解和分析，正確評價和力圖減少建筑物可能遭受環(huán)境的侵蝕，才是積極有效的方法。根據(jù)環(huán)境情況選擇合適的結(jié)構(gòu)類型和構(gòu)件尺寸也是非常重要的，目前的研究成果主要是某一種環(huán)境腐蝕因素單獨對結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)，但是結(jié)構(gòu)在實際使用過程中，可能受到幾種環(huán)境腐蝕因素的綜合作用。而多因素綜合作用常常不是單因素作用的簡單的疊加，更普遍的是超疊加效應(yīng)，比單獨破壞的疊加更為劇烈，多因素的綜合作用還有待進(jìn)一步研究。目前，在設(shè)計中應(yīng)該選定一種最主要的起控制作用的環(huán)境類別進(jìn)行設(shè)計，并綜合考慮其它因素。同一結(jié)構(gòu)中的不同構(gòu)件可能所處的局部環(huán)境也不一樣， 應(yīng)該予以重視。

1.2 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(hù)條件下，人們期待結(jié)構(gòu)保持其各項功能應(yīng)該達(dá)到的使用年限。相對歐洲有些國家的標(biāo)準(zhǔn)，我國的標(biāo)準(zhǔn)比較固定。在實際應(yīng)用中應(yīng)該在參照國家規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，按照業(yè)主的要求，根據(jù)實際情況靈活確定。在特定情況下，局部構(gòu)件的設(shè)計使用壽命可以低于結(jié)構(gòu)整體的設(shè)計使用壽命，這些構(gòu)件應(yīng)該設(shè)計成可以更換或易于更換的構(gòu)件。

1.3 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(rèn)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(yán)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?？尚迯?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(zhǔn)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(jìn)一步研究。

1.4 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性計算

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性極限狀態(tài)，即在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計使用壽命內(nèi)，結(jié)構(gòu)無需進(jìn)行大修或全面地補強加固。因此，混凝土結(jié)構(gòu)不能滿足設(shè)計規(guī)定的耐久性要求，即是一種失效狀況，應(yīng)計入混凝土結(jié)構(gòu)失效概率之內(nèi)，不能正常使用或外觀出現(xiàn)不可接受的破損等均可作為結(jié)構(gòu)耐久性極限狀態(tài)的標(biāo)志。

全面準(zhǔn)確地提出混凝土結(jié)構(gòu)在各種環(huán)境條件下的耐久性極限狀態(tài)，需各行業(yè)的研究和設(shè)計人員共同研究確定。本文僅提出關(guān)于大氣條件下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性極限狀態(tài)設(shè)計建議。大氣條件下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題，主要表現(xiàn)為混凝土碳化和鋼筋銹蝕的問題。鋼筋銹蝕后，其力學(xué)性能產(chǎn)生相應(yīng)的劣化，鋼筋的疲勞強度、極限延伸率和抗拉能力等都有明顯的降低。鋼筋表面產(chǎn)生微小銹蝕缺陷后，鋼筋的疲勞強度可降低20%～40%；銹蝕鋼筋抵抗低溫脆性破壞的能力降低，預(yù)應(yīng)力鋼筋易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕等脆性破壞。

根據(jù)以上的分析，建議將大氣環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性極限狀態(tài)分為不允許鋼筋銹蝕和允許鋼筋有限銹蝕兩種。不允許鋼筋銹蝕構(gòu)件以碳化達(dá)到主要受力鋼材表面或氯離子侵入到主要受力鋼材表面為耐久性極限狀態(tài)的標(biāo)志。不允許出現(xiàn)銹蝕的鋼材有:①預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中的預(yù)應(yīng)力鋼材；②處于低溫環(huán)境中的受拉主筋；③承受反復(fù)荷載易產(chǎn)生疲勞破壞的主筋；④結(jié)構(gòu)或構(gòu)件塑性鉸區(qū)的受力主筋；⑤直徑較小且在構(gòu)件中起主要作用的鋼筋。鋼筋銹蝕后保護(hù)層會出現(xiàn)順筋裂縫。初步試驗表明:當(dāng)保護(hù)層出現(xiàn)0. 15～0. 25mm寬的銹蝕裂縫時，鋼筋截面的損失率與鋼筋直徑、保護(hù)層厚度和混凝土等級之間的關(guān)系可用式(1)表示:

λ=fcu， k c24(57. 1d-0. 78) (1)式中：

λ——鋼筋截面損失率(% )；c——保護(hù)層厚度(mm)；fcu， k——混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗壓強度(MPa)；d——鋼筋直徑(mm)。從總的情況來看，保護(hù)層開裂時，鋼筋截面的損失率在1%～10%之間，粗鋼筋的截面損失率小，細(xì)鋼筋損失率大。因此，允許有限銹蝕鋼筋的耐久性極限狀態(tài)可以以保護(hù)層出現(xiàn)0. 15～0. 25mm寬裂縫時為標(biāo)志，也可以以統(tǒng)一的截面損失率為標(biāo)志，例如，截面損失率1%。實際上，我們認(rèn)為以后一種標(biāo)志作為耐久性極限狀態(tài)比較合適。除了上述兩種標(biāo)志外，還應(yīng)有混凝土截面損失率的標(biāo)志?；炷两孛鎿p失率達(dá)5%或主要受力鋼筋剩余保護(hù)層厚度小于鋼筋直徑時，均宜作為構(gòu)件設(shè)計使用壽命極限狀態(tài)的標(biāo)志。當(dāng)結(jié)構(gòu)工作環(huán)境的作用效應(yīng)、結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用壽命和耐久性極限狀態(tài)確定之后，剩下的工作就是運用結(jié)構(gòu)抵抗環(huán)境作用的能力進(jìn)行耐久性設(shè)計或驗算。

2、混凝土結(jié)構(gòu)全壽命分析的重要性

第一，根據(jù)國務(wù)院第 279 號令中規(guī)定，設(shè)計單位和個人對設(shè)計項目實行“質(zhì)量終身負(fù)責(zé)制”也即“全壽命責(zé)任制”，同時規(guī)定設(shè)計文件中應(yīng)明確規(guī)定工程的合理使用年限。這實際上就是對建筑工程的耐久性提出明確要求。以往，待工程驗收后，設(shè)計、工程承包方和監(jiān)理方就算基本“完成任務(wù)”，一般不再承擔(dān)使用期間環(huán)境破壞、修復(fù)、重建等相關(guān)義務(wù)和責(zé)任。這就造成了大量工程因耐久性不足引起的、由國家承擔(dān)的經(jīng)濟(jì)損失。

第二，混凝土是工程中用量最多的建筑材料，也是最主要的結(jié)構(gòu)材料，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已成為世界上應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式。

第三，我國是一個發(fā)展中的大國，正在從事著為世界所矚目的大規(guī)?；窘ㄔO(shè)，而我國的財力有限，能源短缺，資源并不豐富，因此戰(zhàn)略上要高瞻遠(yuǎn)矚，有效地利用資金，節(jié)約能源。因此，加強鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究，對提高設(shè)計質(zhì)量、延長結(jié)構(gòu)使用壽命具有重大意義。

3、結(jié)語

做好混凝土耐久性設(shè)計，要對每種耐久性現(xiàn)象進(jìn)行分析，有針對性的設(shè)計，作為設(shè)計人員，要不斷的研究和完善耐久性設(shè)計，與勘察、施工、管理人員共同努力, 才能建造出合乎耐久性要求的高質(zhì)量的工程。

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1007–6344（2015）01–0018–01