中美歐海洋混凝土結構耐久性設計參數對比分析

馮云芬，馮澤玉

（1.聊城大學建筑工程學院，山東 聊城 252059；2.莘縣黃河河務局，山東 莘縣 252400）

1 引言

海洋環境是引起混凝土耐久性劣化的主要誘因之一[1]。隨著我國經濟的發展與“一帶一路”倡議的提出，我國建筑企業涉外工程日益增多，國際設計、施工單位也逐漸進入國內市場。規范在結構設計方面起著重要的指導作用[2]，各國混凝土結構耐久性設計規范的相關規定也不盡相同，因此有必要研究國內外混凝土結構耐久性設計方法的異同之處。

目前，國際上最具影響力的混凝土設計規范主要是美國規范《混凝土結構建筑規范》(ACI318-19)[3]與歐洲混凝土結構設計規范(EN1992-1-1：2004 混凝土結構設計-第1-1 部分：一般規程與建筑設計規程)[4]，我國《混凝土結構耐久性設計標準(GB/T 50476-2019)》[5]在前幾版的基礎上，經過修改也更規范化。目前，各國的耐久性設計思路一般都是先確定環境類型與環境作用等級，再確定混凝土水膠比(或水灰比)、混凝土強度、保護層厚度等設計參數[6]。本文針對中、美、歐海洋環境混凝土結構耐久性設計的相關設計參數進行對比分析，旨在分析國內外混凝土耐久性設計方法的異同，為我國混凝土結構設計規范的進一步修訂提供參考，為設計施工人員進行涉外工程提供幫助。

2 水灰比與混凝土強度

混凝土密實性與抗滲性是氯離子擴散速度及混凝土耐久性的重要影響因素，這主要與混凝土水灰比、膠凝材料的組成及混凝土強度有關。

2.1 我國規范GB/T 50476-2019

我國規范規定的海洋環境混凝土結構的最低混凝土強度等級、最大水膠比和最小混凝土保護層厚度，見表1[5]。

2.2 歐洲規范EN1992-1-1

歐洲規范規定的海洋環境混凝土結構的最小混凝土強度和最大水灰比，見表2。

2.3 美國規范ACI318-2019

美國規范環境類別中沒有單列海洋氯鹽環境，僅在暴露類別：鋼筋防腐環境C2 中提及海水環境，其最大水膠比與最小抗壓強度，見表2。C2 類別規定的混凝土最低抗壓強度為5000psi(34.48MPa)，大體相當于我國的C40 混凝土。

2.4 對比分析

由此表1 和表2 可看出，中、美、歐規范都以環境條件為主要因素，但由于國情、所用材料、地理位置、環境等條件不同，所考慮因素也不同。確定結構等級與混凝土強度時，我國考慮了設計使用年限、環境等級與構件類型等因素[5]；歐洲規范考慮了設計使用年限與環境等級；美國規范僅考了環境作用等級。我國將海洋環境分為4 個等級，其中潮汐區與浪濺區考慮了氣候影響，將其分為Ⅲ-E 和Ⅲ-F 兩級，因此我國相比歐美更為嚴謹，對混凝土強度的要求也相對較高。

表1 海洋環境混凝土結構的混凝土強度等級、水灰比與最小保護層厚度c(mm)[5]

表2 歐美海水環境最小混凝土強度與最大水灰比[3,4]

確定最大水灰比時，中歐規范基本都考慮了環境類別、環境等級、結構設計年限等因素；美國規范考慮因素較單一，僅考慮了環境作用，由于自身未劃分環境作用等級，因此并未規定不同環境作用等級下的水膠比。各國水灰比的規定差距不大，基本在0.35-0.5 之間。

3 混凝土保護層厚度

增大混凝土保護層厚度是提升混凝土結構耐久性的重要措施[7]。中、美、歐規范均規定了滿足耐久性要求的保護層厚度，均考慮了環境等級、設計使用年限、混凝土強度等級等因素，由于種種原因，規定的最小保護層厚度有一定的差距。

我國混凝土保護層厚度是指混凝土表面到鋼筋公稱直徑外邊緣的最小距離[5]。歐洲規范規定的混凝土保護層厚度是混凝土表面至最外層分布筋或箍筋表面的距離[4]，歐洲規范的施工圖標注的一般為名義厚度。

3.1 我國規范GB/T 50476-2019

我國規范規定的海水環境的最小保護層厚度見表1。

3.2 歐洲規范EN1992-1-1

歐洲規范將名義保護層厚度定義為最小混凝土保護層厚度加上設計偏差裕度：

式中：cmin為滿足粘結、耐腐蝕和防火要求的最小保護層厚度，見表3；cdev為設計中的偏差裕度。

表3 按EN 10080 設計的鋼筋混混凝土構件滿足耐久性要求的最小保護層厚度cmin (mm)

滿足粘結和環境條件的最小保護層厚度cmin為：

式中：cmin,b為滿足粘結要求的最低保護層厚度(mm)；cmin,dur為滿足環境條件的最小保護層厚度，與結構等級和環境暴露等級有關；分別為附加安全厚度，采用不銹鋼時最小保護層厚度的減量和為采用附加防護措施如涂層時，最小保護層厚度的減量，可由執行歐洲規范國家的國家附錄規定，若無進一步說明，歐洲規范推薦取0。

3.3 美國規范ACI318-19

美國規范ACI318-19 分現澆與預制兩種情況，考慮暴露類型、構件類型與采取的鋼筋直徑等因素，確定了最小混凝土保護層厚度。氯鹽環境的最小混凝土保護層厚度，見表4。

表4 美國氯鹽環境混凝土構件保護層厚度[3]

3.4 對比分析

混凝土保護層厚度與諸多因素有關，我國規范考慮了環境類型與環境等級(Ⅲ-C—Ⅲ-F 四個等級)、構件類型(條形構件與面型構件)和混凝土強度等級等因素，考慮因素比較全面細致。由表1 可看出，所處環境等級越高，混凝土保護層厚度越大；所處環境與設計使用年限相同時，由于受力情況不同，條形構件的保護層厚度較面形構件高5mm；同一環境等級下，混凝土等級增加一級，混凝土保護層厚度會相應減小5mm；同一設計年限下，混凝土強度與水灰比相同時，環境等級增加一級，混凝土保護層厚度大致增加5-10mm。

歐洲規范確定混凝土保護層厚度時，考慮因素也較多，其中包含粘結、防火和耐久性要求。通過選用合適的鋼筋類型(普通鋼筋還是鋼筋束)確定相應保護層厚度以滿足粘結要求；根據結構所處環境類型與環境等級與結構等級確定滿足最低耐久性要求所需的混凝土保護層厚度[2]。考慮施工時混凝土保護層厚度不易控制，歐洲規范規定了最小混凝土保護層厚度可接受的負偏差，規范推薦值為10mm，若構件是遵循相關質量保證體系制作的或采取非常精確的儀器測量保護層厚度并摒棄不合格產品時，保護層設計偏差裕度可視情況降低。

美國規范ACI318-19 分現澆與預制兩種情況，并考慮了暴露條件、構件類型、與鋼筋類型和型號。與中歐規范相比，美國規范針對不同鋼筋直徑，規定了不同的混凝土保護層厚度。預應力構件保護層厚度較非預應力構件稍薄，條形構件較其他構件的保護層稍厚一些。此外，該規范在構件類型中單獨列出了殼體和折板構件，而我國規范并未列出。

4 結論

（1）最大水灰比與最小混凝土強度各國均考慮了環境因素。我國同時考慮了設計使用年限、環境作用等級與構件類型；歐洲考慮了設計使用年限和環境作用等級；美國僅考慮了環境作用等級。整體看，我國相對比較嚴謹。

（2）對于最小保護層厚度，我國考慮了環境類型與環境等級、構件類型和混凝土強度等級等因素，考慮因素比較全面細致。歐洲規范根據環境類別與環境作用等級、鋼筋類型分別確定了滿足最低耐久性與粘結要求的最低保護層厚度；此外還規定了保護層厚度的負偏差。美國規范分現澆與預制兩種情況，考慮了暴露條件、構件類型、鋼筋類型和型號、鋼筋直徑的影響等因素。在考慮構件類型時，美國規范較我國更全面，列出了殼體和折板構件，不過整體上我國考慮的因素更為詳盡。