混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性評估和未確知模型研究

宋 冰 李 明

（1.平頂山市農(nóng)村公路管理處，河南平頂山467000；2.平頂山市工程質(zhì)量監(jiān)督站，河南平頂山467000）

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一向被認為是一種耐久性較好的建筑材料，是世界上建筑結(jié)構(gòu)中使用最為普遍的形式之一，然而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)存在著各種病害，包括鋼筋銹蝕、寒冷凍害、物理和化學環(huán)境的侵蝕等，對這些耐久性病害研究不足，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命，會引起一系列的工程問題，造成嚴重的經(jīng)濟損失。

1 混凝土結(jié)構(gòu)的研究內(nèi)容和現(xiàn)狀

1.1 耐久性研究的主要內(nèi)容

對混凝土構(gòu)建的耐久選哪個研究可以大致的劃分為四個方面：環(huán)境因素、材料因素、構(gòu)件因素和結(jié)構(gòu)因素。

在環(huán)境上主要是具有侵蝕性質(zhì)的介質(zhì)對混凝土內(nèi)部的鋼筋危害性，會造成鋼筋的劣化和粘結(jié)性的降低，從而使承載力下降，過早的發(fā)生破壞。特別是在沿海地區(qū)和寒冷地區(qū)，酸、堿、鹽類物質(zhì)和凍害嚴重，在這種條件下如果再加上偶然環(huán)境荷載的作用， 更會加劇鋼筋的腐蝕。

材料上是耐久性研究最為基本的部分，通過對鋼筋和混凝土兩種材料發(fā)生碳化、銹蝕、凍融等作用機理的分析，解決在結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工、維修中的構(gòu)造措施，并通過防水、限制裂縫、調(diào)整水灰比、添加外加劑等具體措施進行預(yù)防補強。

構(gòu)件生的耐久性主要是指混凝土和鋼筋兩種材料在組合以后的相互耦合關(guān)系上，鋼筋的銹蝕會引起混凝土的脹裂，而裂縫會進一步加快銹蝕速度，如果能夠得到鋼筋銹蝕和表面混凝土開裂的關(guān)系和規(guī)律，對整個混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究有重要意義。

從混凝土結(jié)構(gòu)上進行耐久性分析主要包括兩部分：對擬建的結(jié)構(gòu)進行耐久性設(shè)計和對原有混凝土結(jié)構(gòu)進行耐久性評估。

1.2 混凝土耐久性研究現(xiàn)狀

目前主要從混凝土的碳化和鋼筋的銹蝕對耐久性的影響入手，具體的耐久性評估方式可以分為多指標分級加權(quán)評估法、灰色系統(tǒng)評估法、可靠度理論、模糊評估法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評估法，每一種方法都有各自的優(yōu)點和缺點，在應(yīng)用時要根據(jù)實際合理的選擇。 而未確知模型研究可以說總結(jié)了耐久性評估方法的優(yōu)缺點，是一種科學、實用的評估方法，使得評估結(jié)果更加的清晰、準確。

2 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估的指標分析

2.1 耐久性評估過程中的不確定性

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是一個非平衡的系統(tǒng)，受到外界和本身多種因素的疊加影響，組成一個非線性的作用條件，而對于單個的作用因素，其本身也是不確定的，例如水灰比、材料的強度、構(gòu)件抗力、混凝土碳化深度等。 另外，在構(gòu)件的不同部位，不同單位的施工質(zhì)量控制，自然環(huán)境上的溫度、二氧化碳的濃度、濕度等也是隨著天氣和晝夜變化改變的。 在耐久性評估過程中人的參與也有很大的主觀因素，所以采用未確定模型的數(shù)學理論研究可以更加準確的保證評價結(jié)果的可靠性。

2.2 評估指標的建立原則

評價指標的確定要以系統(tǒng)性、科學性、普遍性和特殊性結(jié)合以及可量化性為原則。 也即是在評價過程中要建立一個完整的系統(tǒng)，科學性的根據(jù)損傷發(fā)展規(guī)律，客觀性的進行。保證評估指標的普遍性，將特殊的構(gòu)件或者部位特殊處理，在對指標分析中以定量為目標，綜合性的對評價指標進行權(quán)重分析。

2.3 耐久性評估的內(nèi)容

耐久性評估主要從安全性和適用性角度兩個方面來進行，在時間上保證結(jié)構(gòu)的安全性和正常使用性能。主要內(nèi)容包括：鋼筋的銹蝕、保護層的開裂縫、氯離子的侵蝕以及構(gòu)件的變形等。

影響耐久性的主要因素是鋼筋的銹蝕，銹蝕會進一步加大鋼筋銹蝕率，在溫度和濕度的作用下引起保護層的開裂，不僅進一步的加劇構(gòu)件的破壞速度，還會損壞構(gòu)件外觀，影響正常使用性能。氯離子通過裂縫進入構(gòu)件后會導(dǎo)致鋼筋的膨脹銹蝕，嚴重時造成混凝土保護層的剝落，對氯離子的含量評估是重要的一部分。 在經(jīng)過鋼筋銹蝕后的構(gòu)件，承載力會不同程度的降低，要對構(gòu)件的變形進行驗證，保證承載力耐久性處于合理的范圍內(nèi)。

2.4 耐久性評估指標

耐久性分析的指標一般按照結(jié)構(gòu)和影響因素的不同分為幾個層次，從及基礎(chǔ)的層次逐步的向上進行分析，最后得到所要的目標值。根據(jù)結(jié)構(gòu)的部位可以將指標分為：基礎(chǔ)耐久性、上部水平和豎向承重構(gòu)件耐久性、節(jié)點耐久性等幾個方面，根據(jù)作用效果和影響程度可以分為惡化程度和惡化速度兩個方面。

程度指標上外觀指標包括：裂縫的寬度、裂縫穩(wěn)定性、銹跡范圍、剝落情況等；結(jié)構(gòu)上包括：所損失的鋼筋截面大小、鋼筋屈服強度的改變、構(gòu)件的截面減小和混凝土強度的衰減；

速度指標上環(huán)境條件包括：溫度、濕度、有害氣體等氣候條件、腐蝕物質(zhì)的含量和對銹蝕物質(zhì)的防護措施；在結(jié)構(gòu)上包括：鋼筋銹蝕速度、保護層的厚度和極化電阻等。

3 耐久性評價方法

3.1 采用層次分析法主要步驟包括

建立層次分析模型， 將影響因素按照屬性的不同分成幾個組，形成不同的層次，中間層次受到上一層次的影響，同時對下一層次有支配作用，形成一個階梯型的模型。

構(gòu)造判斷矩陣， 將屬于同一指標之間的因素進行重要性比較，計算指標的權(quán)重。

最后，對判斷矩陣進行一致性檢驗，用來檢測各個因素的權(quán)重分配是否合理， 根據(jù)一致性比例系數(shù)的大小檢驗判斷矩陣的一致性，當一致性比例系數(shù)小于0.1 時認為滿足一致性原則， 大于0.1 時要對矩陣做適當修改。

3.2 權(quán)重分析

耐久性評估的成功關(guān)鍵在于權(quán)重的分配上，通常的權(quán)重賦值有兩種形式：客觀賦權(quán)法和主觀賦權(quán)法，分別根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和專家意見來確定。 要想得到合理的權(quán)重分配就要將兩種方式結(jié)合起來。

整個分析系統(tǒng)可以分為三個層次：目標層、準則層和指標層，系統(tǒng)過程就是通過準則層和指標層得到目標層結(jié)果。指標的權(quán)重分析也既是從準則層和指標層兩方面來進行。

指標層指的是具體的影響因素屬于客觀的賦權(quán)法范疇，可以通過觀測值的等級，采用未確定模型中的分類權(quán)重來進行賦值，確定具體構(gòu)件節(jié)點的評估等級。 可以更加客觀、全面的反映指標信息。

準則層因素也即是對影響因素的分類，要了解構(gòu)件各部位關(guān)于整體耐久性的權(quán)重，屬于主觀的賦權(quán)范疇，根據(jù)重要性原則進行權(quán)重賦權(quán)。

4 未確知模型

未確知模型是針對混凝土耐久性評估中不確定性而產(chǎn)生的一種評估方法，在耐久性研究中，很難的到完整的和確定的評價指標，耐久性評估是一個隨機的、模糊的和灰色的綜合體，所以在研究中采用一個確定的合理數(shù)學模型并不現(xiàn)實。未確知模型就是將定量和定性有機的結(jié)合起來，目前常見的理論有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學方法等。本文通過未確定模型分析耐久性評估的內(nèi)容得到如下結(jié)論：

4.1 混凝土的耐久性評估過程是一個認為參與的主管和客觀條件相互作用的過程，采用綜合的多層次的分析方法可以得到較為準確的結(jié)果；

4.2 影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要因素是鋼筋的銹蝕，以及表層保護層的開裂，氯離子等的侵蝕；

4.3 對耐久性指標的影響因素從程度上和速度上進行劃分， 強調(diào)評估過程中的主要原則；

4.4 分析了權(quán)重賦值時的影響因素， 從影響因素分類的準則層上和具體的具體的因素條件下的指標層上判斷指標權(quán)重大小。

［1］蔣德穩(wěn)，李果，袁迎曙.混凝土內(nèi)鋼筋腐蝕速度多因素影響的試驗研究[J].混凝土，2004，177(7):3-5.

［2］牛荻濤.混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性與壽命預(yù)測[M].北京:科學出版社，2003，2.

［3］夏寧，任青文.基于模糊聚類分析方法的構(gòu)件耐久性評估[J].混凝土，2004，173(3):25－27.