淺析混凝土結構耐久性設計

柳 鵬

(大連弘藝規(guī)劃建筑設計研究有限公司)

淺析混凝土結構耐久性設計

柳 鵬

(大連弘藝規(guī)劃建筑設計研究有限公司)

做好混凝土結構耐久性對于建筑工程質量保障有著重要意義，本文從混凝土結構耐久性設計進行分析。

混凝土結構；耐久性設計；方法

引言

混凝土結構的耐久性設計是一個十分重要而又迫切需要解決的問題。近幾年的工程調查表明，我國的混凝土結構普遍存在著耐久性不足的問題。有相當數(shù)量的混凝土結構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)濟損失。提高混凝土結構的耐久性和耐久性設計問題日益受到政府有關主管部門和廣大工程技術人員的重視。

1、混凝土結構耐久性設計方法

1.1 結構使用環(huán)境的分類與環(huán)境對結構的作用效應

《混凝土結構設計規(guī)范》( GB50010- 2002) 將混凝土結構的環(huán)境類別細分為5 類；也有的文獻將環(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、化學物質侵蝕的環(huán)境以及特殊環(huán)境。環(huán)境的分類應該根據(jù)建筑物的具體情況進行劃分，設計人員的首要任務是要全面了解建筑物的工作環(huán)境，對環(huán)境要進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構類型和構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構的作用效應，但是結構在實際使用過程中，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，比單獨破壞的疊加更為劇烈，多因素的綜合作用還有待進一步研究。目前，在設計中應該選定一種最主要的起控制作用的環(huán)境類別進行設計，并綜合考慮其它因素。同一結構中的不同構件可能所處的局部環(huán)境也不一樣， 應該予以重視。

1.2 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(huán)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。相對歐洲有些國家的標準，我國的標準比較固定。在實際應用中應該在參照國家規(guī)范要求的基礎上，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，局部構件的設計使用壽命可以低于結構整體的設計使用壽命，這些構件應該設計成可以更換或易于更換的構件。

1.3 混凝土結構的耐久性極限狀態(tài)

當結構整體或者結構的某一部分超過某一特定狀態(tài)后而不能滿足結構規(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)。

目前對混凝土結構耐久性極限狀態(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(guī)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(huán)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(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(tài)便是一種結構失效狀態(tài)。全面準確的混凝土結構在各種環(huán)境條件下的耐久性極限狀態(tài)，需進一步研究。

1.4 混凝土結構耐久性計算

混凝土結構的耐久性極限狀態(tài)，即在混凝土結構設計使用壽命內，結構無需進行大修或全面地補強加固。因此，混凝土結構不能滿足設計規(guī)定的耐久性要求，即是一種失效狀況，應計入混凝土結構失效概率之內，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構耐久性極限狀態(tài)的標志。

全面準確地提出混凝土結構在各種環(huán)境條件下的耐久性極限狀態(tài)，需各行業(yè)的研究和設計人員共同研究確定。本文僅提出關于大氣條件下混凝土結構耐久性極限狀態(tài)設計建議。大氣條件下混凝土結構的耐久性問題，主要表現(xiàn)為混凝土碳化和鋼筋銹蝕的問題。鋼筋銹蝕后，其力學性能產(chǎn)生相應的劣化，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，預應力鋼筋易產(chǎn)生應力腐蝕等脆性破壞。

根據(jù)以上的分析，建議將大氣環(huán)境中混凝土結構的耐久性極限狀態(tài)分為不允許鋼筋銹蝕和允許鋼筋有限銹蝕兩種。不允許鋼筋銹蝕構件以碳化達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)的標志。不允許出現(xiàn)銹蝕的鋼材有:①預應力構件中的預應力鋼材；②處于低溫環(huán)境中的受拉主筋；③承受反復荷載易產(chǎn)生疲勞破壞的主筋；④結構或構件塑性鉸區(qū)的受力主筋；⑤直徑較小且在構件中起主要作用的鋼筋。鋼筋銹蝕后保護層會出現(xiàn)順筋裂縫。初步試驗表明:當保護層出現(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、保護層厚度和混凝土等級之間的關系可用式(1)表示:

λ=fcu， k c24(57. 1d-0. 78) (1)式中：

λ——鋼筋截面損失率(% )；c——保護層厚度(mm)；fcu， k——混凝土標準抗壓強度(MPa)；d——鋼筋直徑(mm)。從總的情況來看，保護層開裂時，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)可以以保護層出現(xiàn)0. 15～0. 25mm寬裂縫時為標志，也可以以統(tǒng)一的截面損失率為標志，例如，截面損失率1%。實際上，我們認為以后一種標志作為耐久性極限狀態(tài)比較合適。除了上述兩種標志外，還應有混凝土截面損失率的標志。混凝土截面損失率達5%或主要受力鋼筋剩余保護層厚度小于鋼筋直徑時，均宜作為構件設計使用壽命極限狀態(tài)的標志。當結構工作環(huán)境的作用效應、結構的設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構抵抗環(huán)境作用的能力進行耐久性設計或驗算。

2、混凝土結構全壽命分析的重要性

第一，根據(jù)國務院第 279 號令中規(guī)定，設計單位和個人對設計項目實行“質量終身負責制”也即“全壽命責任制”，同時規(guī)定設計文件中應明確規(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，設計、工程承包方和監(jiān)理方就算基本“完成任務”，一般不再承擔使用期間環(huán)境破壞、修復、重建等相關義務和責任。這就造成了大量工程因耐久性不足引起的、由國家承擔的經(jīng)濟損失。

第二，混凝土是工程中用量最多的建筑材料，也是最主要的結構材料，鋼筋混凝土結構已成為世界上應用最廣泛的結構形式。

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)模基本建設，而我國的財力有限，能源短缺，資源并不豐富，因此戰(zhàn)略上要高瞻遠矚，有效地利用資金，節(jié)約能源。因此，加強鋼筋混凝土結構耐久性研究，對提高設計質量、延長結構使用壽命具有重大意義。

3、結語

做好混凝土耐久性設計，要對每種耐久性現(xiàn)象進行分析，有針對性的設計，作為設計人員，要不斷的研究和完善耐久性設計，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量的工程。

[1]任仲罕.混凝土耐久性問題探討[J]. 煤炭工程. 2005(01)

[2]郭建立，郭向勇.混凝土耐久性設計的系統(tǒng)工程方法[J]. 青海大學學報(自然科學版). 2004(03)

[3]陳肇元.混凝土結構的耐久性設計方法[J]. 建筑技術. 2003(06)

TQ172

B

1007–6344（2015）01–0018–01