關于港口工程混凝土結構耐久性極限狀態的探討

鐘 洲 袁明智

天津市北洋水運水利勘察設計研究院有限公司

關于港口工程混凝土結構耐久性極限狀態的探討

鐘 洲 袁明智

天津市北洋水運水利勘察設計研究院有限公司

結構在長期作用下，產生的抵抗性能減弱的能力，產生了結構耐久性，由于耐久性缺少，承載力減弱，至規定水平，結構安全性無法確保；耐久性極限狀態并非獨立的極限狀態，和結構適用性與安全性的關系十分緊密；港口工程鋼筋混凝土結構構件構建了耐久性極限狀態，預應力混凝土結構構件也是如此。主要分析了本文定義的結構耐久性極限狀態，以豐富港口工程混凝土結構耐久性極限狀態的理論研究。

港口工程；混凝土結構；耐久性；極限狀態

結構可靠性包括適用性、耐久性、安全性。有關結構耐久性的表述較少，這表現在下述幾個層面：一方面，審視當前極限狀態不難發現，結構耐久性沒有給出明確的判別標準，未規定耐久性極限狀態，結構耐久性并沒有目標。另一方面，材料性隨時間產生的變化未納入現行規范設計 并不協調結構長期使用中產生的退化實際狀態。從根本上看，耐久性影響適用性與安全性，未將其考慮在內。盡管現行規范從多個層面規定了設計，如，材料與養護等，針對結構抗力退化與承載力層次，并沒有這方面的設計方法。上述均為結構設計中存在的不足之處。所以，合理整合結構耐久性和當前結構設計理論，優化既有結構設計方法，確保結構耐久性極限在合理范圍。

一、混凝土結構耐久性、適用性、安全性的聯系

結構安全性指的是不超過規定設計使用年限，維持正常施工與使用，在承受各種作用后，維持安全。結構適用性，不超過正常使用時間，工作性能較好，如，對正常使用不構成影響的大范圍的變形、振動。結構安全性表現為結構構件承載力與整體穩定性。與適用性與安全性的定義比起來，耐久性并未給出明確的定義。國內外對耐久性規定定義有所不同，不超過設計使用年限，符合功能所需。從中可見，結構抵抗各種作用能力；適用性是工作性能的一種良好體現。耐久性，長期受到作用，抵抗性能逐漸減弱，在結構整個壽命周期均有存在，對結構承載力與結構正常使用構成影響。

對國內港口工程混凝土結構設計，基于概率論，使用了極限狀態設計方法，針對鋼筋混凝土結構構件，以承載能力極限狀態以依據，相應計算承載能力及驗算裂縫寬度。適用性與結構正常使用極限狀態是相對應的，安全性和結構承載能力極限狀態是相互對應的，當缺少相對應的耐久性極限狀態，導致結構耐久性定量設計不具目標性，所以，要達到耐久性定量設計，需要明確結構耐久性極限狀態。

二、結構耐久性極限狀態

混凝土結構耐久性是一項非常重要的問題，正常使用中因為多種因素產生鋼筋銹蝕，致鋼筋性能改變及有效截面面積變弱，此外，減退鋼筋與混凝土的粘結性能，對結構構件承載性能構成很大影響[1]。基于上述，現研究結構耐久性極限狀態。

(一)港口工程鋼筋混凝土結構構件

①承載力可靠度。結構設計最根本要求為安全，針對港口工程二級結構，其50 a設計基準期的可靠指標不能低于3.5。目標可靠指標是一種靜態指標，這是要求的較低的可靠指標。計算鋼筋與混凝土強度值，獲得其可靠指標β50a內=4.334，相比統一標準規定的最小可靠指標，較大。以年可靠指標進行換算，那么βa=5.317，該數值將初始年可靠指標考慮在內。

當港口混凝土結構遭受腐蝕，仍然進行使用，此外，符合最低標準要求，可選取3.5作為第50 a的可靠指標。性能衰退之后，選取3.5作為承載力可靠指標。結構剛剛建成過程中，相較而言，承載力可靠指標比較高，受到材料內部因素及環環境作用的影響，時間變化下，結構性能逐步減退，至第50 a時，承載力可靠指標不斷降低，至3.5，可這樣認定，獲得的耐久性極限狀態符合安全性要求。當第50 a可靠指標比3.5小時，以提升構件初始承載力的方式獲得滿足。

②撓度。撓度很大程度上影響結構使用，這種情況在吊車的碼頭上更是突出。把撓度控制作為初期驗算標準。鋼筋混凝土構于碼頭應用末期，當軌道梁產生較大形變，導致碼頭起重設備使用異常，為此，使用當前規范規定限值，將其用作碼頭使用50 a時的控制標準，如此，可50 a時的撓度驗算軌道梁；普通梁與板，變形只對外觀構成影響，不會太大影響結構使用，所以，不再規定50 a時的撓度限值。

③縱向裂縫寬度。外觀劣化度分為四種級別：A、B、C和D，各構件沒有裂縫，是A級；當板裂縫寬度比0.3 mm小，是B級，裂縫寬度處在0.3～1.0 mm間，是C級，當裂縫寬度比1.0 mm大，是D級；樁、梁與樁帽的裂縫寬度比0.3 mm小、裂縫寬度處在0.3～3.0 mm間、裂縫寬度比3.0 mm大，分別為B級、C級、D級。遵照以上原則，裂縫寬度超過3 mm，表明結構破壞程度非常嚴重[2]。所以，文中所取的控制標準為縱向裂縫寬度3 mm，工程上的保證率一般為95%，在縱向裂縫要求方面，選取第50 a縱向裂縫3 mm內作為耐久性極限狀態。其無法滿足上述要求時，以提高耐久性的方法得以實現。

(二)港口工程預應力混凝土結構構件

通常預應力混凝土結構的受力鋼筋使用了鋼絞線與鋼絲。把鋼絞線用作預應力筋時，相較之下，預應力筋的強度與延性較差，受拉混凝土邊緣不要產生拉應力，混凝土保護層阻礙混凝土中氯離子的擴散，這種構件容易對鋼筋銹蝕產生敏感，如果生銹，處在高應力狀態中，加快了腐蝕，構建較脆弱，容易被破壞，一旦破壞，產生的結果是非常嚴重的，為此，把鋼筋脫鈍用作耐久性極限狀態。將螺紋鋼筋用作預應力筋時，與鋼絲比起來，具有較低的強度，延性良好，通常配置預應力筋與非預應力筋，以符合承載力所需構件破壞模式，與延性破壞類似。所以，當把螺紋鋼筋應用在梁與板的預應力筋中，按照耐久性極限狀態指標實施控制。樁的位置很重要，遭受破壞后，不容易修復，產生了極大的負面影響，為此，把鋼筋脫鈍用作耐久性極限狀態。

結束語：

預應力筋的梁使用了鋼筋混凝土結構構件，板使用了螺紋鋼筋。控制耐久性極限狀態即，承載力、撓度、縱向裂縫寬度裂化到特定數值。只要求軌道梁撓度，以最大撓度限值用作第50 a的控制標準。樁把螺紋鋼筋作為預應力筋，預應力混凝土結構構件將鋼絞線用作預應力筋，把鋼筋脫鈍用作耐久性極限狀態。

[1]張永利.銹蝕鋼筋混凝土構件粘結性能及承載性能研究[D].西安建筑科技大學，2011.

[2]楊國平，李榮慶，貢金鑫.港口工程混凝土結構耐久性極限狀態研究[J].水運工程，2014，(03)：80-84.