刍议混凝土结构的耐久性设计

摘要：随着社会的发展与进步，重视混凝土结构的耐久性设计分析具有重要的意义。本文主要简单地介绍基于耐久性的混凝土结构分析。

关键词 混凝土 结构 耐久性 设计 极限

Abstract: With the development and progress of society, the emphasis on the durability design of concrete structures is of great significance. In this paper, a brief introduction to the analysis based on the durability of concrete structures.

Key Words: concrete; structure; durability; design; limit

中图分类号： TU37 文献标识码：A 文章编号：

引言

钢筋混凝土结构是一个多尺度、多体、非平衡系统具有多因素的强相互作用，各种因素在实际工程中很难绝对分开,尤其是外部环境因素与内部因素的相互作用,由单个影响因素的研究结论并不能确切推知各种因素综合作用下的混凝土的耐久性性能,也就是说,各种因素的相互作用是非线性的;实际工程中各种因素又具有高度不确定性随机性和未确知性如实际的水灰比水泥用量是一随机变量。

1.耐久性不足对结构的危害

建筑物在长期使用过程中， 在内部的或外部的人为的或自然的因素作用下，随着时间的推移将发生材料老化与结构损伤，这是一个不可逆的过程。这种损伤的累积将导致结构性能劣化承载力下降，耐久性能降低。长期以来， 人们受混凝土是一种耐久性良好的建筑材料的影响，忽视了钢筋混凝土结构的耐久性问题，造成了钢筋混凝土结构耐久性研究的相对滞后并因此付出了巨大的代价。由于耐久性不足导致结构破坏的事故时有发生其中因混凝土碳化和钢筋锈蚀需要处理的工程具有普遍性造成的损失也是难以估量的。因此钢筋混凝土结构的耐久性问题已受到国内外土木工程界和学术界的高度重视。美国标准局 NBS 1975 年的调查表明美国全年各种因腐蚀造成的损失为700多亿美元。其中混凝土中钢筋锈蚀造成的损伤约占40%。在美国州际公路网56 万座桥中处于严重失效的就有9万座，1969 年，一年用于修复因钢筋锈蚀而损坏的公路桥面板的费用高达26 亿美元，1978 年增至63 亿美元，美国材料咨询委员会NMAB1987 年的报告中指出，有253000 座混凝土桥处于不同程度的损伤状态且以每年35000座的速度在增加。1991 年用于修复由于耐久性不足而损坏的桥梁就耗资910 亿美元。

2、混凝土耐久性结构设计方法

2.1 耐久性设计实用方法

日本东京大学罔村甫教授提出耐久性设计应全面考虑材料质量、施工程序、结构构造等。在一定环境中正常工作,在要求的期限内不需要维修的条件是：

SP≤ TP

式中SP为环境指数SP=S0+△ SP;TP为耐久性指数TP=50+ΣTP(i,j)。环境指数SP的取值是以一个在中等环境条件下工作的混凝土结构,若有95%把握不需维修,取一个SP初值S0=100;根据使用环境不同对环境指数增值,如在含有氯化物环境中,视其腐蚀作用大小,可取△ SP=40～ 70;有冻融作用时,可取△SP=10～70等等。耐久性指数TP是反映设计施工各工序(序号为i)中影响耐久性的诸因素(序号为j),分别赋予不同数值然后叠加,如视混凝土材料(i=1)中骨料含水率(j=8)不同,可分别取TP(1,8)=8～ -15等。

2.2 耐久性极限状态设计法

设计原则是在使用寿命内抵抗环境作用的能力大于环境对结构作用的效应,即满足：

F≤ R

式中F-环境作用效应;R-结构构件抵抗环境作用的能力。按环境类别确定环境作用效应,将工作环境划分为大气环境、土壤环境、海洋环境、受环境水影响的环境和特殊工作环境等6类。根据结构工作环境状况,确定耐久性极限状态极其标志,对大气环境下的混凝土结构耐久性极限状态分为:对不允许钢筋锈蚀的结构构件(如预应力钢筋、直径较小的钢筋、结构塑性铰区的主筋、地问下受拉主筋等),以混凝土炭化达到主要钢筋表面为耐久性极限状态标志;对允许有限锈蚀的构件,以钢筋截面质量损失率达1%作为耐久性极限状态的标志。

2.3 基于近似概率法的极限状态设计法

耐久性设计包括计算和构造部分。计算部分与现行混凝土结构设计规范设计方法相协调,引入耐久性设计概念,其表达式为:

S≤ ηR

式中:S-内力设计值;R-构件抗力设计值;η -耐久性设计系数,为构件经t时刻后的可靠指标β (t)的函数,η =f[β (t)],用蒙特卡罗法根据可靠性数学及规范给出:

η =β 0/[β 0+β t-β (t)]

式中:β0-现行设计规范公式的可靠指标;β t- 在t时刻要求的可靠指标确定值;β (t)- 随时间增长,结构构件抗力R将下降,假定主要由混凝土强度和钢筋强度降低引起,经统计回归求得某地某种结构构件经t时刻后的可靠指标。

3、高性能混凝土耐久性设计分析

(1)按耐久性设计应首先满足低渗透性的要求。按工程设计抗渗性指标,确定氯离子扩散数要求,作为初选水胶比的依据(水胶比一般不大于0.42)。

(2)胶凝材料总量应大于设计相同强度等级传统混凝土的水泥用量,以保证良好的施工性并提高混凝土的耐久性。对不同强度等级的混凝土, 胶凝材料不小于400kg/m3且不大于400kg/m3。

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