摘要：隨著社會的發(fā)展與進(jìn)步，重視混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)分析具有重要的意義。本文主要簡單地介紹基于耐久性的混凝土結(jié)構(gòu)分析。

　　關(guān)鍵詞    混凝土   結(jié)構(gòu)   耐久性   設(shè)計(jì)   極限

　　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

　　中圖分類號：  TU37          文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A                 文章編號：

　　引言

　　鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是一個(gè)多尺度、多體、非平衡系統(tǒng)具有多因素的強(qiáng)相互作用，各種因素在實(shí)際工程中很難絕對分開,尤其是外部環(huán)境因素與內(nèi)部因素的相互作用,由單個(gè)影響因素的研究結(jié)論并不能確切推知各種因素綜合作用下的混凝土的耐久性性能,也就是說,各種因素的相互作用是非線性的;實(shí)際工程中各種因素又具有高度不確定性隨機(jī)性和未確知性如實(shí)際的水灰比水泥用量是一隨機(jī)變量。

　　1.耐久性不足對結(jié)構(gòu)的危害

　　建筑物在長期使用過程中， 在內(nèi)部的或外部的人為的或自然的因素作用下，隨著時(shí)間的推移將發(fā)生材料老化與結(jié)構(gòu)損傷，這是一個(gè)不可逆的過程。這種損傷的累積將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能劣化承載力下降，耐久性能降低。長期以來， 人們受混凝土是一種耐久性良好的建筑材料的影響，忽視了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題，造成了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的相對滯后并因此付出了巨大的代價(jià)。由于耐久性不足導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的事故時(shí)有發(fā)生其中因混凝土碳化和鋼筋銹蝕需要處理的工程具有普遍性造成的損失也是難以估量的。因此鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題已受到國內(nèi)外土木工程界和學(xué)術(shù)界的高度重視。美國標(biāo)準(zhǔn)局 NBS 1975 年的調(diào)查表明美國全年各種因腐蝕造成的損失為700多億美元。其中混凝土中鋼筋銹蝕造成的損傷約占40%。在美國州際公路網(wǎng)56 萬座橋中處于嚴(yán)重失效的就有9萬座，1969 年，一年用于修復(fù)因鋼筋銹蝕而損壞的公路橋面板的費(fèi)用高達(dá)26 億美元，1978 年增至63 億美元，美國材料咨詢委員會NMAB1987 年的報(bào)告中指出，有253000 座混凝土橋處于不同程度的損傷狀態(tài)且以每年35000座的速度在增加。1991 年用于修復(fù)由于耐久性不足而損壞的橋梁就耗資910 億美元。

　　2、混凝土耐久性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

　　2.1 耐久性設(shè)計(jì)實(shí)用方法

　　日本東京大學(xué)罔村甫教授提出耐久性設(shè)計(jì)應(yīng)全面考慮材料質(zhì)量、施工程序、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等。在一定環(huán)境中正常工作,在要求的期限內(nèi)不需要維修的條件是：

　　SP≤ TP

　　式中SP為環(huán)境指數(shù)SP=S0+△ SP;TP為耐久性指數(shù)TP=50+ΣTP(i,j)。環(huán)境指數(shù)SP的取值是以一個(gè)在中等環(huán)境條件下工作的混凝土結(jié)構(gòu),若有95%把握不需維修,取一個(gè)SP初值S0=100;根據(jù)使用環(huán)境不同對環(huán)境指數(shù)增值,如在含有氯化物環(huán)境中,視其腐蝕作用大小,可取△ SP=40～ 70;有凍融作用時(shí),可取△SP=10～70等等。耐久性指數(shù)TP是反映設(shè)計(jì)施工各工序(序號為i)中影響耐久性的諸因素(序號為j),分別賦予不同數(shù)值然后疊加,如視混凝土材料(i=1)中骨料含水率(j=8)不同,可分別取TP(1,8)=8～ -15等。

　　2.2 耐久性極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法

　　設(shè)計(jì)原則是在使用壽命內(nèi)抵抗環(huán)境作用的能力大于環(huán)境對結(jié)構(gòu)作用的效應(yīng),即滿足：

　　F≤ R

　　式中F-環(huán)境作用效應(yīng);R-結(jié)構(gòu)構(gòu)件抵抗環(huán)境作用的能力。按環(huán)境類別確定環(huán)境作用效應(yīng),將工作環(huán)境劃分為大氣環(huán)境、土壤環(huán)境、海洋環(huán)境、受環(huán)境水影響的環(huán)境和特殊工作環(huán)境等6類。根據(jù)結(jié)構(gòu)工作環(huán)境狀況,確定耐久性極限狀態(tài)極其標(biāo)志,對大氣環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性極限狀態(tài)分為:對不允許鋼筋銹蝕的結(jié)構(gòu)構(gòu)件(如預(yù)應(yīng)力鋼筋、直徑較小的鋼筋、結(jié)構(gòu)塑性鉸區(qū)的主筋、地問下受拉主筋等),以混凝土炭化達(dá)到主要鋼筋表面為耐久性極限狀態(tài)標(biāo)志;對允許有限銹蝕的構(gòu)件,以鋼筋截面質(zhì)量損失率達(dá)1%作為耐久性極限狀態(tài)的標(biāo)志。

　　2.3 基于近似概率法的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法

　　耐久性設(shè)計(jì)包括計(jì)算和構(gòu)造部分。計(jì)算部分與現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)方法相協(xié)調(diào),引入耐久性設(shè)計(jì)概念,其表達(dá)式為:

　　S≤ ηR

　　式中:S-內(nèi)力設(shè)計(jì)值;R-構(gòu)件抗力設(shè)計(jì)值;η -耐久性設(shè)計(jì)系數(shù),為構(gòu)件經(jīng)t時(shí)刻后的可靠指標(biāo)β (t)的函數(shù),η =f[β (t)],用蒙特卡羅法根據(jù)可靠性數(shù)學(xué)及規(guī)范給出:

　　η =β 0/[β 0+β t-β (t)]

　　式中:β0-現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范公式的可靠指標(biāo);β t- 在t時(shí)刻要求的可靠指標(biāo)確定值;β (t)- 隨時(shí)間增長,結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力R將下降,假定主要由混凝土強(qiáng)度和鋼筋強(qiáng)度降低引起,經(jīng)統(tǒng)計(jì)回歸求得某地某種結(jié)構(gòu)構(gòu)件經(jīng)t時(shí)刻后的可靠指標(biāo)。

　　3、高性能混凝土耐久性設(shè)計(jì)分析

　　(1)按耐久性設(shè)計(jì)應(yīng)首先滿足低滲透性的要求。按工程設(shè)計(jì)抗?jié)B性指標(biāo),確定氯離子擴(kuò)散數(shù)要求,作為初選水膠比的依據(jù)(水膠比一般不大于0.42)。

　　(2)膠凝材料總量應(yīng)大于設(shè)計(jì)相同強(qiáng)度等級傳統(tǒng)混凝土的水泥用量,以保證良好的施工性并提高混凝土的耐久性。對不同強(qiáng)度等級的混凝土, 膠凝材料不小于400kg/m3且不大于400kg/m3。

　　(3)砂率按混凝土施工性調(diào)整。為不影嚴(yán)重響混凝土彈性模量。砂率不易大于45%。

　　(4)由于膠凝材料中各組分密度相差較大,宜采用絕對體積法進(jìn)行配合比計(jì)算。混凝土拌合物應(yīng)有最小的砂石孔隙率。

　　(5)試配后應(yīng)檢驗(yàn)是否滿足設(shè)計(jì)要求,檢驗(yàn)按配制強(qiáng)度進(jìn)行�；炷�土配制��(qiáng)度(MPa)

　　f cu,o=f cu.k+1.645ó

　　式中:fcu.k為混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度(MPa),ó為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差。fcu.k＜C50時(shí)ó5.0MPa,fcu.k≧C50時(shí)ó取6.0MPa。

　　(6)按絕對體積法計(jì)算出的配合比進(jìn)行試拌,檢驗(yàn)施工性。調(diào)整其坍落度和坍落流動度,觀察體積穩(wěn)定性,測定混凝土的變現(xiàn)密度,調(diào)整計(jì)算密度和各優(yōu)選的材料用量。

　　4、提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的技術(shù)措施

　　4.1 改進(jìn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)

　　(1)要有足夠的鋼筋保護(hù)層厚度《CEB耐久混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》提出如果混凝土實(shí)際保護(hù)層比要求的減少一半,碳化或氯離子侵入鋼筋表面的時(shí)間就會提前3/4。CEP-FIP模式規(guī)范按暴露條件、構(gòu)件類別及混凝土強(qiáng)度等級,規(guī)定了不同保護(hù)層厚度, 如一般構(gòu)件, 混凝土為C25～C30時(shí),保護(hù)層不小于35mm,而美國ACI-201委員會規(guī)定接近水位或外露與海上的沿海建筑物,其保護(hù)層厚度最小75mm,混凝土路面及橋梁護(hù)欄最少為50mm;美國ACI-318規(guī)范規(guī)定室內(nèi)混凝土梁、柱,筋的最小保護(hù)層厚度為38mm;我國現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對室內(nèi)環(huán)境的梁、柱結(jié)構(gòu)最小保護(hù)層厚度定25mm,從提高耐久性角度來看,此值偏小。

　　(2)正確選用水泥品種、水泥用量和水灰比;應(yīng)優(yōu)先選用硅酸鹽水泥,其抗碳化能力最好,摻有火山灰、高爐礦渣或粉煤灰的混合水泥,其早期硬化慢,后期強(qiáng)度增長快,如養(yǎng)護(hù)得當(dāng),可以提高抗氯化物侵入能力及抗凍融性能;增加水泥用量(＞300kg/m3)可降低混凝土滲透性;控制水灰比小于0.6,可保證混凝土耐久性。

　　(3)正確選用鋼筋及其間距;盡量不用腐蝕敏感的鋼筋,如ф≤4mm的鋼筋及經(jīng)過處理的鋼筋,以及持續(xù)拉應(yīng)力大于400MPa的冷加工的鋼筋;鋼筋的間距要保證易于振搗。

　　(4)限制含鹽量;含鹽尤其含氯離子成分對鋼,筋腐蝕有嚴(yán)重影響,國外一般限制氯離子含量要小于水泥重量的0.3%～1.0%,德國甚至不允許用CaCl2。

　　(5)截面等耐久性設(shè)計(jì);工程實(shí)踐多觀察到梁柱因鋼筋銹蝕引起混凝土膨脹,多首先發(fā)生在構(gòu)件截面拉角區(qū)。因此有人從推遲角區(qū)鋼筋脫鈍時(shí)間,延緩角區(qū)鋼筋銹蝕速度,增強(qiáng)角區(qū)鋼筋抗腐蝕能力出發(fā),提出截面等耐久性設(shè)計(jì)觀點(diǎn),給出最大保護(hù)層厚度取值方法和改變配筋形式的建議。

　　4.2 加強(qiáng)施工管理

　　(1)充分振搗和充分養(yǎng)護(hù),可以增加混凝土表面的密實(shí)性,降低混凝土滲透性,養(yǎng)護(hù)不好對混凝土的碳化合抗腐蝕的能力影響甚大,養(yǎng)護(hù)的敏感性隨水灰比的增加,水泥用量的減少而增大。

　　(2)為防止除冰鹽剝蝕混凝土,可采用引氣劑,形成均勻氣泡,降低混凝土滲透性。

　　(3)對沿海地區(qū)氯鹽(NaCL、CaCl 2、MgCl2)含量超過70%的鹽漬土地區(qū),可采用增加水泥用量、減少水灰比,摻加減水劑或摻加鋼筋阻銹劑(水泥用量的1%～3%),提高混凝土密實(shí)性并防銹。

　　4.3 防止繼續(xù)劣化的措施

　　(1)涂層法。采用一些防護(hù)裝飾材料涂蓋在構(gòu)件表面上,如丙乳砂漿、環(huán)氧樹脂砂漿、過氯乙烯涂料等,或者增涂一層水泥砂漿(厚度20mm左右),均能阻止空氣中氧和鹽類繼續(xù)侵入,延緩混凝土碳化合防止鋼筋進(jìn)一步銹蝕。

　　(2)陰極防腐法。由于混凝土含鹽濃度不同,鋼筋之間存在電位差,陰極鋼筋銹蝕,可采用在混凝土表面涂一層導(dǎo)電涂料或埋設(shè)導(dǎo)電材料(鉑絲等),與直流電源正極相連,形成新的電位差,使原鋼筋骨架轉(zhuǎn)化為陰極,則鋼筋銹蝕可得到抑制。

　　結(jié)束語

　　混凝土結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑、 道路與橋梁工程、港口與水利工程等各種工程結(jié)構(gòu)中。長期以來，人們認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)是一種耐久性能良好的建筑材料，而事實(shí)上混凝土結(jié)構(gòu)在長期自然環(huán)境和使用條件下會逐漸老化喪失耐久性能。影響了結(jié)構(gòu)物的使用功能和安全。國內(nèi)外統(tǒng)計(jì)事實(shí)表明，由于結(jié)構(gòu)耐久性病害而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失非常巨大。

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