混凝提結構耐久性設計方法

牟彧嬌

(身份證號：210221198710026327)

混凝提結構耐久性設計方法

牟彧嬌

(身份證號：210221198710026327)

隨著建筑工程質量的要求不斷增加，對于混凝土結構設計要求更為嚴格，混凝土耐久性是提升混凝土結構質量的重要部分，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計方法。

混凝土結構 耐久性設計 方法

引言

1824 年，隨著波特蘭水泥的問世，人類便開始了應用混凝土建造建筑物的歷史，同時，混凝土結構的耐久性問題也隨之出現。國內外有關統計資料表明，由于混凝土結構耐久性病害而導致的經濟損失是非常巨大的，伴隨著環境變遷和功能要求的提高，耐久性問題愈來愈突出。而我國基本建設正處在一個新的歷史發展時期，混凝土結構量大面廣，混凝土結構耐久性問題也十分突出。 混凝土結構耐久性是指一個構件、一個結構系統、一幢建筑物或一座構筑物在一定時期內維持其安全性、適用性的能力。

一、混凝土結構耐久性的影響因素

1．混凝土的碳化

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

2．氯離子對混凝土結構的侵蝕

我國海域遼闊，海岸線很長，大規模的基本建設集中于沿海地區，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象非常嚴重，已建的海港碼頭等工程多數都達不到設計壽命的要求。我國北方地區，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，國內外的工程經驗教訓表明：海水、海風和海霧中的氯離子和不合理地使用海砂，是影響混凝土結構耐久性的主要原因；道路化冰鹽、鹽湖和鹽堿地、工業環境、火等作用均會形成以氯離子為主的腐蝕環境。

3．凍融環境（混凝土的抗滲性與抗凍性）

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、物理化學作用。”除了氯離子以外，凍害是影響混凝土結構耐久性的重要因素。

4．混凝土的堿—集料反應

堿—集料反應是指混凝土中的堿和集料中活性組分之間發生的破壞膨脹反應，是影響混凝土耐久性最主要的因素之一。混凝土發生堿—集料反應的特征：外觀上主要是表面裂縫、變形和滲出物；內部特征主要有內部凝膠、反應環、活性堿—集料、內部裂縫、堿含量等。堿—集料反應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—碳酸鹽反應的預防尚無有效措施。由于堿—集料反應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，在鋼筋混凝土結構中，鋼筋的銹蝕是影響服役結構耐久性的主要因素。新鮮的混凝土是呈堿性的，在堿性環境中的鋼筋容易發生鈍化作用，使鋼筋表面產生一層鈍化膜，能夠阻止混凝土中鋼筋的銹蝕。但當有二氧化碳、水汽和氯離子等有害物質從混凝土表面通過孔隙進入混凝土內部后，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，鋼筋就會發生銹蝕，逐漸導致混凝土保護層開裂，鋼筋與混凝土之間的黏結力破壞，鋼筋受力截面減少，結構強度降低等，從而導致結構耐久性的降低。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

結構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展中可以看到，裂縫的擴展是結構物破壞的初始階段；相對的某些裂縫，其承載力也可能受到一定威脅。同時，結構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構、構件使用壽命的關鍵因素。

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摩擦、沖擊造成的；二是沖磨，如橋墩、水工泄水結構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，如水工泄水結構物受水流速度和方向改變形成的空穴沖擊作用造成的。

二、混凝土結構耐久性設計方法

1. 確定結構的設計使用壽命

結構的設計使用壽命就是在預定的使用環境下，在正常的維護條件下，人們期待結構保持其各項功能應該達到的使用年限。規范規定或設計人員向業主提出并據以進行設計的結構設計使用年限，應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《混凝土結構設計規范》( GB50010- 2002) 規定混凝土結構的耐久性設計應按結構的設計使用年限進行設計，是我國混凝土結構設計方法發展上的一個里程碑。

2. 混凝土結構的耐久性極限狀態

當結構整體或者結構的某一部分超過某一特定狀態后而不能滿足結構規定的耐久性功能要求時，此特定狀態稱為耐久性極限狀態。目前對混凝土結構耐久性極限狀態的規定還沒有形成統一的觀點。一般認為，當混凝土結構因耐久性不滿足設計要求而導致維修費用過大、嚴重超出正常維修的允許范圍時，結構的使用壽命結束。亞洲混凝土結構模式規范中，將安全性、適用性和可修復性三者作為結構設計需要滿足的三大功能。可修復性在結構的耐久性設計中是不可或缺的，所以，環境作用下的結構耐久性設計，應該主要按適用性和可修復性的要求來確定結構的極限狀態，也可以根據使用環境的特點，分別確定每一種環境類別下的耐久性極限狀態，可以通過確定各種環境因素作用效應的限值( 如混凝土的碳化深度、鋼筋的銹蝕程度等)來確定。混凝土結構如果超越了耐久性極限狀態便是一種結構失效狀態。全面準確的混凝土結構在各種環境條件下的耐久性極限狀態， 需進一步研究。

3. 混凝土結構耐久性計算

我國現行規范在考慮結構耐久性時，僅考慮耐久性的構造要求部分，并沒有考慮抗力隨時間變化的規律。規范規定的設計基準期也是為了給定與時間有關的基本變量如荷載效應所取的基準時間，而并不等同于結構使用壽命或耐久年限。所以，并不能從設計計算上保證結構在預定時間內的可靠性。有學者提出了保證結構耐久性的計算方法，分為壽命安全系數法和基于概率的結構可靠性動態評估法。第 1 種方法試圖通過設計時一次性措施保證新建結構在目標使用期內的可靠性； 第 2 種方法則是可以在結構生命周期內對已有結構多次進行評估和預測，并做出維修、加固決策，從而保證結構的使用壽命。壽命安全系數法基于傳統的可靠度定量靜態設計思想，易于理解接受，但由于混凝土結構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計保證結構的使用壽命，并不科學。第 2 種方法則考慮結構的整個生命周期，可以實現信息的不斷更新和決策的最優化。但由于實際問題的復雜性， 該方法的應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 為現行規范中荷載設計值部分；R 為現行規范中抗力設計值部分；η為混凝土結構耐久性設計系數，它可用數字表格或函數公式的形式在規范中給出。實際上，混凝土結構耐久性設計系數是結構失效概率、可靠度或可靠度指標隨時間變化的函數，文獻給出了這種映射關系， 通過這種映射關系我們可以計算出結構的耐久性系數并進行校核。

三、結 語

由于影響混凝土結構耐久性的因素很多，混凝土結構耐久性也是當前混凝土結構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、建筑結構可靠度設計準則、混凝土結構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數據尚收集積累不夠，對其設計標準和方法，工程界尚不統一，因此，難以達到定量設計的程度。目前規范采用了宏觀控制的方法，即根據結構設計使用年限和環境類別對結構混凝土提出相應的限制和要求，以保證其耐久性。這種方法概念清楚，設計簡單。規范規定設計人員在設計圖紙上應標明建筑結構的使用年限，為此，設計人員應結合已有的設計經驗和當地工程建設實踐認真進行結構的耐久性設計。

[1]馮錦祥.影響混凝土結構耐久性的因素及設計措施[J].中國新技術新產品. 2009(10)

[2]鄭國雄.提高混凝土結構耐久性的探討[J].山西建筑. 2009(18)

[3]賀韻琴.混凝土結構耐久性對建筑業可持續發展的影響[J].浙江建筑. 2009(07)

G322

B

1007-6344（2015）03-0327-01

牟彧嬌，女，1987年10月，籍貫：遼寧省本溪市，畢業于 長春工程學院 土木工程系。