浅析混凝土结构耐久性设计

柳 鹏

(大连弘艺规划建筑设计研究有限公司)

浅析混凝土结构耐久性设计

柳 鹏

(大连弘艺规划建筑设计研究有限公司)

做好混凝土结构耐久性对于建筑工程质量保障有着重要意义，本文从混凝土结构耐久性设计进行分析。

混凝土结构；耐久性设计；方法

引言

混凝土结构的耐久性设计是一个十分重要而又迫切需要解决的问题。近几年的工程调查表明，我国的混凝土结构普遍存在着耐久性不足的问题。有相当数量的混凝土结构使用不到二十年就开始出现钢筋锈蚀、混凝土破损等现象，其中部分不得不报废拆除，国家每年都要蒙受巨大的经济损失。提高混凝土结构的耐久性和耐久性设计问题日益受到政府有关主管部门和广大工程技术人员的重视。

1、混凝土结构耐久性设计方法

1.1 结构使用环境的分类与环境对结构的作用效应

《混凝土结构设计规范》( GB50010- 2002) 将混凝土结构的环境类别细分为5 类；也有的文献将环境分为 6 类: 大气环境、土壤环境、海洋环境、受环境水影响的环境、化学物质侵蚀的环境以及特殊环境。环境的分类应该根据建筑物的具体情况进行划分，设计人员的首要任务是要全面了解建筑物的工作环境，对环境要进行详尽的了解和分析，正确评价和力图减少建筑物可能遭受环境的侵蚀，才是积极有效的方法。根据环境情况选择合适的结构类型和构件尺寸也是非常重要的，目前的研究成果主要是某一种环境腐蚀因素单独对结构的作用效应，但是结构在实际使用过程中，可能受到几种环境腐蚀因素的综合作用。而多因素综合作用常常不是单因素作用的简单的叠加，更普遍的是超叠加效应，比单独破坏的叠加更为剧烈，多因素的综合作用还有待进一步研究。目前，在设计中应该选定一种最主要的起控制作用的环境类别进行设计，并综合考虑其它因素。同一结构中的不同构件可能所处的局部环境也不一样， 应该予以重视。

1.2 确定结构的设计使用寿命

结构的设计使用寿命就是在预定的使用环境下，在正常的维护条件下，人们期待结构保持其各项功能应该达到的使用年限。相对欧洲有些国家的标准，我国的标准比较固定。在实际应用中应该在参照国家规范要求的基础上，按照业主的要求，根据实际情况灵活确定。在特定情况下，局部构件的设计使用寿命可以低于结构整体的设计使用寿命，这些构件应该设计成可以更换或易于更换的构件。

1.3 混凝土结构的耐久性极限状态

当结构整体或者结构的某一部分超过某一特定状态后而不能满足结构规定的耐久性功能要求时，此特定状态称为耐久性极限状态。

目前对混凝土结构耐久性极限状态的规定还没有形成统一的观点。一般认为，当混凝土结构因耐久性不满足设计要求而导致维修费用过大、严重超出正常维修的允许范围时，结构的使用寿命结束。亚洲混凝土结构模式规范中，将安全性、适用性和可修复性三者作为结构设计需要满足的三大功能。可修复性在结构的耐久性设计中是不可或缺的，所以，环境作用下的结构耐久性设计，应该主要按适用性和可修复性的要求来确定结构的极限状态，也可以根据使用环境的特点，分别确定每一种环境类别下的耐久性极限状态，可以通过确定各种环境因素作用效应的限值( 如混凝土的碳化深度、钢筋的锈蚀程度等)来确定。混凝土结构如果超越了耐久性极限状态便是一种结构失效状态。全面准确的混凝土结构在各种环境条件下的耐久性极限状态，需进一步研究。

1.4 混凝土结构耐久性计算

混凝土结构的耐久性极限状态，即在混凝土结构设计使用寿命内，结构无需进行大修或全面地补强加固。因此，混凝土结构不能满足设计规定的耐久性要求，即是一种失效状况，应计入混凝土结构失效概率之内，不能正常使用或外观出现不可接受的破损等均可作为结构耐久性极限状态的标志。

全面准确地提出混凝土结构在各种环境条件下的耐久性极限状态，需各行业的研究和设计人员共同研究确定。本文仅提出关于大气条件下混凝土结构耐久性极限状态设计建议。大气条件下混凝土结构的耐久性问题，主要表现为混凝土碳化和钢筋锈蚀的问题。钢筋锈蚀后，其力学性能产生相应的劣化，钢筋的疲劳强度、极限延伸率和抗拉能力等都有明显的降低。钢筋表面产生微小锈蚀缺陷后，钢筋的疲劳强度可降低20%～40%；锈蚀钢筋抵抗低温脆性破坏的能力降低，预应力钢筋易产生应力腐蚀等脆性破坏。

根据以上的分析，建议将大气环境中混凝土结构的耐久性极限状态分为不允许钢筋锈蚀和允许钢筋有限锈蚀两种。不允许钢筋锈蚀构件以碳化达到主要受力钢材表面或氯离子侵入到主要受力钢材表面为耐久性极限状态的标志。不允许出现锈蚀的钢材有:①预应力构件中的预应力钢材；②处于低温环境中的受拉主筋；③承受反复荷载易产生疲劳破坏的主筋；④结构或构件塑性铰区的受力主筋；⑤直径较小且在构件中起主要作用的钢筋。钢筋锈蚀后保护层会出现顺筋裂缝。初步试验表明:当保护层出现0. 15～0. 25mm宽的锈蚀裂缝时，钢筋截面的损失率与钢筋直径、保护层厚度和混凝土等级之间的关系可用式(1)表示:

λ=fcu， k c24(57. 1d-0. 78) (1)式中：

λ——钢筋截面损失率(% )；c——保护层厚度(mm)；fcu， k——混凝土标准抗压强度(MPa)；d——钢筋直径(mm)。从总的情况来看，保护层开裂时，钢筋截面的损失率在1%～10%之间，粗钢筋的截面损失率小，细钢筋损失率大。因此，允许有限锈蚀钢筋的耐久性极限状态可以以保护层出现0. 15～0. 25mm宽裂缝时为标志，也可以以统一的截面损失率为标志，例如，截面损失率1%。实际上，我们认为以后一种标志作为耐久性极限状态比较合适。除了上述两种标志外，还应有混凝土截面损失率的标志。混凝土截面损失率达5%或主要受力钢筋剩余保护层厚度小于钢筋直径时，均宜作为构件设计使用寿命极限状态的标志。当结构工作环境的作用效应、结构的设计使用寿命和耐久性极限状态确定之后，剩下的工作就是运用结构抵抗环境作用的能力进行耐久性设计或验算。

2、混凝土结构全寿命分析的重要性

第一，根据国务院第 279 号令中规定，设计单位和个人对设计项目实行“质量终身负责制”也即“全寿命责任制”，同时规定设计文件中应明确规定工程的合理使用年限。这实际上就是对建筑工程的耐久性提出明确要求。以往，待工程验收后，设计、工程承包方和监理方就算基本“完成任务”，一般不再承担使用期间环境破坏、修复、重建等相关义务和责任。这就造成了大量工程因耐久性不足引起的、由国家承担的经济损失。

第二，混凝土是工程中用量最多的建筑材料，也是最主要的结构材料，钢筋混凝土结构已成为世界上应用最广泛的结构形式。

第三，我国是一个发展中的大国，正在从事着为世界所瞩目的大规模基本建设，而我国的财力有限，能源短缺，资源并不丰富，因此战略上要高瞻远瞩，有效地利用资金，节约能源。因此，加强钢筋混凝土结构耐久性研究，对提高设计质量、延长结构使用寿命具有重大意义。

3、结语

做好混凝土耐久性设计，要对每种耐久性现象进行分析，有针对性的设计，作为设计人员，要不断的研究和完善耐久性设计，与勘察、施工、管理人员共同努力, 才能建造出合乎耐久性要求的高质量的工程。

[1]任仲罕.混凝土耐久性问题探讨[J]. 煤炭工程. 2005(01)

[2]郭建立，郭向勇.混凝土耐久性设计的系统工程方法[J]. 青海大学学报(自然科学版). 2004(03)

[3]陈肇元.混凝土结构的耐久性设计方法[J]. 建筑技术. 2003(06)

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1007–6344（2015）01–0018–01