鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與評估

楊　維（鹿寨縣建筑設(shè)計室，廣西鹿寨545600）

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與評估

楊維（鹿寨縣建筑設(shè)計室，廣西鹿寨545600）

隨著我國建筑行業(yè)的發(fā)展，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍越來越廣，無論是民用建筑，道路工程還是橋梁港口建設(shè)等都離不開鋼筋混凝土，而鋼筋混凝土作為一種具備極強耐久性能的建筑材料，在長期的使用過程中以及自然環(huán)境的侵襲下，其耐久性會逐漸降低甚至喪失，嚴重影響到了建筑結(jié)構(gòu)的使用性能，威脅到使用者的人身安全，因此對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性進行評估與設(shè)計非常重要。本文通過對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性進行概況分析，探討其耐久性的設(shè)計方法與評估思路。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；耐久性；設(shè)計；評估

在現(xiàn)在的建筑工程中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是使用最多的結(jié)構(gòu)形式，由于其自身材料的特點以及使用環(huán)境的影響，使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在長期使用過程中不可避免的會出現(xiàn)耐久性問題，拋開歐美發(fā)達國家不談，僅我國的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題就非常突出，已經(jīng)形成了“南銹北凍”的特點，據(jù)有關(guān)部門調(diào)查統(tǒng)計，我國因耐久性問題而導(dǎo)致的經(jīng)濟損失每年達到將近1000億人民幣，對社會的安全性造成了很大的沖擊［1］，因此對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能進行評估設(shè)計非常重要，同時也是本文研究討論的重點所在。

1　鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的概況

1.1鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的概念

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性具體指的是鋼筋混凝土及其其他的構(gòu)件在特定的工作環(huán)境中，同時又由于材料本身的內(nèi)部因素影響所致，鋼筋混凝土整體構(gòu)件在一定的使用期限內(nèi)對自然環(huán)境，化學侵蝕或其他變化過程的一種抵抗能力，通過這種抵抗能力，鋼筋混凝土材料不需要消耗其他的能源資金來進行維修，也能夠保證其整體性能不產(chǎn)生變化［1］。

1.2鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題的重要性

在我國的工程建筑中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合了鋼筋與混凝土的雙重優(yōu)點，造價低廉，是當今乃至未來很長一段時間內(nèi)的主要建筑結(jié)構(gòu)形式之一，從我國最早開始使用鋼筋混土材料來作為建筑的主要材料以來，到現(xiàn)在為止已經(jīng)有150多年的歷史，然而許多的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于多種原因而導(dǎo)致其性能降低或喪失，究其原因主要有結(jié)構(gòu)設(shè)計時抗力不足，使用過程中荷載過重，但更多的主要是因為結(jié)構(gòu)的耐久性能不足而導(dǎo)致的，尤其是在我國的沿海地區(qū)，由于氣候潮濕，空氣中水分較多，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在長期的自然環(huán)境侵蝕氧化下，其結(jié)構(gòu)早已遭到破壞，其耐久性能甚至已然慢慢喪失，對此維修起來花費大量資源資金不說，而且還會造成被迫停工的局面，帶來更加巨大的經(jīng)濟損失［2］。

2　鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計

2.1鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計原則

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性在設(shè)計時首先要明確其目標，也就是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)計使用期限，其次就是要明確結(jié)構(gòu)耐久性喪失的標準；對于我國建筑工程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)計使用期限主要體現(xiàn)在我國最新修訂的 《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標準》中，在這其中已經(jīng)明確將結(jié)構(gòu)設(shè)計的預(yù)計使用期限大致劃分為四類，如表1所示；而對于結(jié)構(gòu)耐久性喪失的標準主要體現(xiàn)在兩個方面：①建筑結(jié)構(gòu)本身由于耐久性能降低導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變化，達不到建筑結(jié)構(gòu)正常的使用要求；②由于結(jié)構(gòu)性能退化而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)本身的承載能力降低到最極限的狀態(tài)，也就是結(jié)構(gòu)耐久性喪失的標準［3］。

表1　結(jié)構(gòu)設(shè)計預(yù)計使用期限分類表

2.2鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計內(nèi)容

2.2.1材料的選擇

根據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境，預(yù)計使用期限以及耐久性等級等方面的要求來選擇鋼筋混凝土材料以及水灰配合比和水泥用量；針對冷凍環(huán)境下的鋼筋混凝土要摻雜一定量的引氣劑；在氯侵蝕的環(huán)境下要保證鋼筋混凝土原材料中的氯離子不超過水泥用量的1‰；在出現(xiàn)化學反應(yīng)的環(huán)境中，針對主要受力的結(jié)構(gòu)部分可采用環(huán)氧涂層的鋼筋材料或者具有抗腐蝕性的合金鋼材［4］。

2.2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計

首先要將普通的混凝土材料與預(yù)應(yīng)力混凝土材料區(qū)分開來，根據(jù)不同的侵蝕環(huán)境與使用期限要求，設(shè)置不同厚度的保護層；在結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到外部環(huán)境嚴重侵蝕時，應(yīng)保證主要受力鋼筋材料的直徑最小不能低于16mm；在設(shè)計過程中要保證結(jié)構(gòu)的表面簡潔光滑，不僅要利于排水也要防止造成積水，同時還要對結(jié)構(gòu)的接縫處構(gòu)造進行處理；在建筑物的屋面層與混凝土的頂板之間還要設(shè)置防水層，以防止保溫層出現(xiàn)積水的情況；在嚴重腐蝕的環(huán)境中，必須在鋼筋混凝土的表面涂抹防腐面層［4］。

2.2.3施工具體要求

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在具體施工時，針對有特別要求的鋼筋混凝土材料，需按一定配合比例保證結(jié)構(gòu)的抗腐蝕等級達到要求，應(yīng)選擇最優(yōu)的配合比方案進行施工；在采用商品混凝土材料時，要保證其主要的化學成分與摻量沒有超標，而且添加劑中的氯離子含量不能大于水泥含量的0.02%；在進行鋼筋混凝土的澆筑施工時應(yīng)檢查其保護層墊塊的尺寸大小與鋼筋的位置，保證其厚度達到標準要求，同時在澆筑過程中要防止出現(xiàn)冷縫，將表面抹平，做好澆筑表面的后期養(yǎng)護工作；在冬季進行施工時，在鋼筋混凝土內(nèi)摻雜鹽分要嚴格控制摻雜量，氯化物含量不能超標［4］。

2.2.4使用過程中的要求

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中要一定的要求，首先要明確結(jié)構(gòu)本身的正常使用界限，根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件暴露的環(huán)境不同，結(jié)構(gòu)本身的耐久性也不同，其次就是對于特別重要的建筑結(jié)構(gòu)要進行定期的安全性能檢測，無論是處于侵蝕環(huán)境下的結(jié)構(gòu)，還是已經(jīng)呈現(xiàn)損傷的建筑結(jié)構(gòu)，都要在使用期內(nèi)定期進行檢測，比如檢測其沉降速率，傾斜趨勢，裂縫開裂的程度或者變形程度等［4］。

3　鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估

3.1鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的評估準則

在對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性進行評估預(yù)測時，應(yīng)遵循一定的準則要求：①應(yīng)該遵循碳化壽命準則，也就是從鋼筋混凝土的保護層碳化后其本身開始出現(xiàn)侵蝕現(xiàn)象作為其結(jié)構(gòu)耐久性的壽命；②遵循銹脹開裂壽命準則，也就是在鋼筋混凝土的表面以順筋的方式出現(xiàn)銹脹裂縫現(xiàn)象，其所需要的時間就是結(jié)構(gòu)本身耐久性的壽命，主要是因為當鋼筋混凝土材料由于銹蝕而出現(xiàn)裂縫時，其銹蝕的速度會越來越快，到了這一刻就需要對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行加固處理，因此其出現(xiàn)銹脹裂縫的時間就是結(jié)構(gòu)本身的耐久性壽命；③要遵循寬度與銹蝕量控制的壽命準則，也就是當鋼筋混凝土材料的裂縫寬度與銹蝕量達到一定的界限值時，其結(jié)構(gòu)的耐久性就會徹底喪失，這一段時間就是結(jié)構(gòu)本身耐久性的壽命，在實際的民用建筑中，凡是由于銹脹原因而出現(xiàn)的裂縫，其寬度與銹蝕量控制的壽命準則都較為嚴格，比如在實際的工程中，某一構(gòu)件的鋼筋混凝土的保護層早已脫落，銹蝕情況嚴重，但構(gòu)件本身依然在被人正常使用，因此在判斷鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性時以其受力破壞程度，來判斷其壽命時間可能要更為合理準確一些；④要遵循承載力的壽命準則，也就是在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中由于某些原因而引起的抗力退化，其承載能力逐漸降低某一程度，以此來作為結(jié)構(gòu)的耐久性壽命［5］。

3.2基于整體論與還原論相結(jié)合的結(jié)構(gòu)耐久性評估模型的構(gòu)建

鋼筋混凝土在固結(jié)之后會呈現(xiàn)出一種多空隙，微裂縫以及微滲透性的固結(jié)體，這是其一種天然的不足之處會隨著時間的推移而導(dǎo)致鋼筋混凝土的耐久性逐漸喪失，也就是說當時間的推移和外界環(huán)境的變化會導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的滲透性擴大，從而引起其結(jié)構(gòu)的耐久性喪失，基于這一原理，筆者在大量考察國內(nèi)外關(guān)于鋼筋混凝土耐久性的研究現(xiàn)狀之后，再依據(jù)相關(guān)的模型加以完善改造，構(gòu)建出了基于整體論與還原論相結(jié)合的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估模型［5］，如圖1所示，為基于整體論與還原論相結(jié)合的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估模型的構(gòu)建思路圖。

圖1　基于整體論與還原論相結(jié)合的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估模型的構(gòu)建思路圖

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的評估主要體現(xiàn)在環(huán)境因素與場地因素等方面，比如結(jié)構(gòu)的最低保護層厚度，最大的水灰比例，最小的水泥用量，允許的裂縫開裂寬度，銹蝕量以及結(jié)構(gòu)本身所含的各種化學分子是否超過了限定值等，這些因素構(gòu)成了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性評估參數(shù)，而一旦忽略了某些因素，就會造成其評估出現(xiàn)偏差，在我國許多工程建筑中經(jīng)常出現(xiàn)這樣的例子，因此在我國關(guān)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的評估還需要進一步的研究［6］。

4　結(jié)束語

綜上所述，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性非常重要，其耐久性能的強度高低直接關(guān)系著建筑結(jié)構(gòu)本身的使用安全與維修方便，本文通過對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性進行概況分析，探討其耐久性的設(shè)計方法與評估思路，以期對我國的工程建筑中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能的設(shè)計與評估有一定的幫助。

［1］朱劍泉.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與評估探討［D］.華中科技大學，2005.

［2］金偉良，呂清芳，趙羽習，干偉忠.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法與壽命預(yù)測研究進展［J］.建筑結(jié)構(gòu)學報，2007，01：7～13.

［3］金偉良，趙羽習.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的回顧與展望［J］.浙江大學學報（工學版），2002，04：27～36+59.

［4］朱劍泉，李惠強，帥小根.基于整體論的鋼筋混凝土耐久性評估研究［J］.華中科技大學學報（城市科學版），2005，S1：16～19.

［5］段莉新.鋼筋混凝土橋梁的耐久性研究與評估［D］.天津大學，2006.

［6］張苑竹.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性檢測、評定及優(yōu)化設(shè)計方法［D］.浙江大學，2003.

TU375

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2095-2066（2016）26-0159-02

2016-9-3