建筑結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計

羅燕

摘要：我國的房屋建筑、橋梁、水利項(xiàng)目等土建工程結(jié)構(gòu)的整體安全性和耐久性均低于國外同類水平，許多的建筑安全事故導(dǎo)致較大的人員傷亡，土建工程結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性已經(jīng)引起了有關(guān)部門的足夠重視，也對此進(jìn)行的相關(guān)的研究改善，應(yīng)該積極完善法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)與管理體制，加強(qiáng)施工技術(shù)，有效提高工程安全性和耐久性。本文就此展開論述，深入分析研究了建筑結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計問題，可與同行共同探討。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土;結(jié)構(gòu);建筑工程;耐久性設(shè)計

前 ?言

現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)范主要考慮的是荷載作用下的結(jié)構(gòu)安全性與適用性，至于結(jié)構(gòu)長期使用過程中由于環(huán)境作用引起材料性能劣化的影響，則被置于比較次要和從屬的地位。近年來鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性失效己逐漸成為困擾建筑工程界的一個世界性問題。對于大氣環(huán)境作用（溫度、濕度、降水、凍融、氧、二氧化碳與鹽霧、二氧化硫、汽車尾氣等空氣污染物）以及水體、土體環(huán)境中氯鹽、硫酸鹽、碳酸等化學(xué)物質(zhì)侵蝕對結(jié)構(gòu)安全性與適用性的影響，規(guī)范主要采取宏觀控制混凝土材料的組成和限定構(gòu)造措施的辦法，認(rèn)為這樣就能滿足環(huán)境作用下的耐久性需要，同時也回避了結(jié)構(gòu)的使用年限問題。這種傳統(tǒng)的耐久性設(shè)計方法，通常是針對不同的環(huán)境作用，提出混凝土應(yīng)采用的原材料，混凝土的最低強(qiáng)度等級、最小水泥用量和最高水灰（膠）比，以及鋼筋的混凝土保護(hù)層最小厚度，表面裂縫的最大寬度等。

一、混凝土結(jié)構(gòu)體系使用壽命評定標(biāo)準(zhǔn)分析

在進(jìn)行復(fù)雜體系的耐久性評價時，單純采用可靠指標(biāo)作為結(jié)構(gòu)失效的判斷標(biāo)準(zhǔn)是不實(shí)際的。因?yàn)閺?fù)雜體系的傳力關(guān)系復(fù)雜、系統(tǒng)變量多，結(jié)構(gòu)功能函數(shù)求取比較困難，單個構(gòu)件在體系功能中的作用和地位難于量化，而且失效模式的搜索和失效模式相關(guān)性計算也不易實(shí)現(xiàn)。我國目前頒布的多種國家、行業(yè)鑒定標(biāo)準(zhǔn)，如“工業(yè)廠房可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)（GBJ 144- 90） ”.“民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)（GB50292-1999）”，“危險房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)（JGJ 125- 99） ”，“鋼鐵工業(yè)建（構(gòu)）筑物可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)（YBJ21989）”“鋼結(jié)構(gòu)檢測評定及加固技術(shù)規(guī)程（ YB9257- 96）”，“民用建筑修繕查勘與設(shè)計規(guī)范（（JGJ 117-98）”等，基本思路都是采用縱向分層橫向分級的分層分級逐步綜合鑒定評定模式，即將復(fù)雜的工業(yè)建（構(gòu)）筑物劃分為若干層次，然后分層分級評定逐步綜合得到體系的鑒定結(jié)論。但如何對復(fù)雜的受損結(jié)構(gòu)進(jìn)行層次劃分，不同的鑒定者有不同的劃分方法，很有可能會影響結(jié)構(gòu)的鑒定結(jié)果。

二、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與評定的目標(biāo)可靠指標(biāo)分析

確定結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與評定的目標(biāo)可靠指標(biāo)是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計和評定的關(guān)鍵問題。一般認(rèn)為，按照混凝土材料和構(gòu)件的劣化過程，依次可以選擇不同的劣化狀態(tài)作為耐久性極限狀態(tài)，建立相應(yīng)的壽命準(zhǔn)則。針對碳化壽命準(zhǔn)則、銹脹開裂壽命準(zhǔn)則、裂縫寬度壽命準(zhǔn)則研究不同保護(hù)層厚度與混凝土強(qiáng)度組合下的可靠指標(biāo)變化規(guī)律;在此基礎(chǔ)上，綜合考慮構(gòu)件破壞后果、人們心理接受水平、國內(nèi)外規(guī)范的相關(guān)規(guī)定等，并結(jié)合工程實(shí)測數(shù)據(jù)，采用“校準(zhǔn)法”的思想綜合確定各種耐久性壽命準(zhǔn)則下的可靠指標(biāo)，最終提出目標(biāo)可靠指標(biāo)的建議值，其中將考慮不同的耐久性壽命準(zhǔn)則和結(jié)構(gòu)的重要性程度。目標(biāo)可靠指標(biāo)的提出為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的概率設(shè)計和評定奠定了重要的基礎(chǔ)。

三、結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法分析

在明確了不同耐久性失效準(zhǔn)則下的目標(biāo)可靠指標(biāo)之后，對碳化壽命準(zhǔn)則、銹脹開裂壽命準(zhǔn)則、裂縫寬度壽命準(zhǔn)則，建立相應(yīng)的極限狀態(tài)方程和可靠度分析模型，提出分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的結(jié)構(gòu)耐久性極限狀態(tài)實(shí)用設(shè)計表達(dá)式的基本形式，然后對不同的耐久性壽命準(zhǔn)則和目標(biāo)可靠指標(biāo)，通過可靠度分析研究實(shí)用設(shè)計表達(dá)式中各分項(xiàng)系數(shù)的變化規(guī)律，確定不同情況下部分項(xiàng)系數(shù)的數(shù)值，最終確定結(jié)構(gòu)耐久性概率極限狀態(tài)設(shè)計的實(shí)用方法。驗(yàn)證結(jié)構(gòu)耐久性概率極限狀態(tài)實(shí)用設(shè)計方法在可靠指標(biāo)方面的一致性。

四、既有結(jié)構(gòu)耐久性評定的經(jīng)驗(yàn)方法分析

相對于擬建結(jié)構(gòu)，既有結(jié)構(gòu)已轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的空間實(shí)體，環(huán)境條件也更為明確，這種根本性的轉(zhuǎn)變使得既有結(jié)構(gòu)的可靠性分析和評定具有其自身的特點(diǎn)，原先設(shè)計時采用的分析模型和參數(shù)可能不再適用于既有結(jié)構(gòu)的可靠度分析。為此，目前既有結(jié)構(gòu)耐久性評定的需要，結(jié)構(gòu)耐久性概率極限狀態(tài)設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，既有結(jié)構(gòu)耐久性評定的經(jīng)驗(yàn)方法。該法在考慮各種隨機(jī)因素影響的同時，充分考慮了既有結(jié)構(gòu)當(dāng)前的狀態(tài)，將既有結(jié)構(gòu)當(dāng)前所提供的有效信息有機(jī)地融合于評定公式中，是目前定量評定既有結(jié)構(gòu)耐床性的一個好的實(shí)用方法。

五、基于可靠度的耐久性設(shè)計方法分析

混凝土結(jié)構(gòu)在長期使用過程中耐久性劣化的誘因主要來自外界環(huán)境，如果混凝土結(jié)構(gòu)能夠采取一種（或若干種）隔絕腐蝕環(huán)境的措施，即可在很大程度上保證結(jié)構(gòu)有足夠的耐久性能。這種采用措施“隔絕”腐蝕環(huán)境的耐久性設(shè)計可以稱之為措施法，即采用保護(hù)措施避免各種環(huán)境的劣化過程威脅結(jié)構(gòu)，主要方法是通過改變結(jié)構(gòu)小環(huán)境，如隔絕、刷膜、防護(hù)層等，或者采用性能穩(wěn)定的建筑材料，如不銹鋼、具有保護(hù)層的鋼筋，穩(wěn)定的集料、抗硫酸鹽水泥、低堿水泥，或者采用陰極保護(hù)措施等。這些方法都是為了避免劣化過程發(fā)生或者通過復(fù)雜的措施抵抗劣化過程的發(fā)生。然而，這些措施中的大多數(shù)并不能為結(jié)構(gòu)抵抗環(huán)境侵蝕提供全面的保護(hù)，而且這些保護(hù)措施的效果也取決于很多因素，比如防護(hù)層的有效性依賴于防護(hù)層厚度以及持久性等因素。事實(shí)上，目前人們對于這些保護(hù)措施機(jī)理與實(shí)際效果的研究成果也較為缺乏。耐久性設(shè)計的另一種方法是在了解環(huán)境侵蝕與材料劣化機(jī)：理的基礎(chǔ)上，選擇合適的才料和結(jié)構(gòu)體系抵抗環(huán)境侵蝕，從而達(dá)到滿足規(guī)定的耐久性能的目的。例如，可以通過選用合適的保護(hù)層和配合比來達(dá)到預(yù)防銹蝕的目的;或者在結(jié)構(gòu)方面，為了抵抗不同環(huán)境作用，結(jié)構(gòu)可以設(shè)計得更粗壯，也可以通過圓角或排水措施來減小暴露表面。這種方法是隸屬結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的研究方法。目前的耐久性設(shè)計的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)即是通過控制混凝土材料常規(guī)指標(biāo)、組成和保護(hù)層厚度，以及控制在特定環(huán)境類別下的耐久性構(gòu)造要求和施工技術(shù)要求，來達(dá)到滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計使用壽命的目的。然而，這些規(guī)定仍然局限于環(huán)境分類和材料方面的要求，僅在結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面粗略地反映了結(jié)構(gòu)設(shè)計對耐久性和使用年限的要求，并且無法實(shí)現(xiàn)對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計目標(biāo)的量化規(guī)定。典型的例子就是僅僅對混凝土保護(hù)層、最大水灰比、最小水泥用量、以及水泥類型做出規(guī)定。按照這些規(guī)定，設(shè)計者就認(rèn)為結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到足夠長的使用時間，但是卻不清楚具體的使用壽命。

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