建筑结构的耐久性设计

罗燕

摘要：我国的房屋建筑、桥梁、水利项目等土建工程结构的整体安全性和耐久性均低于国外同类水平，许多的建筑安全事故导致较大的人员伤亡，土建工程结构的安全性与耐久性已经引起了有关部门的足够重视，也对此进行的相关的研究改善，应该积极完善法规标准与管理体制，加强施工技术，有效提高工程安全性和耐久性。本文就此展开论述，深入分析研究了建筑结构的耐久性设计问题，可与同行共同探讨。

关键词：钢筋混凝土;结构;建筑工程;耐久性设计

前  言

现行混凝土结构设计与施工规范主要考虑的是荷载作用下的结构安全性与适用性，至于结构长期使用过程中由于环境作用引起材料性能劣化的影响，则被置于比较次要和从属的地位。近年来钢筋混凝土结构的耐久性失效己逐渐成为困扰建筑工程界的一个世界性问题。对于大气环境作用（温度、湿度、降水、冻融、氧、二氧化碳与盐雾、二氧化硫、汽车尾气等空气污染物）以及水体、土体环境中氯盐、硫酸盐、碳酸等化学物质侵蚀对结构安全性与适用性的影响，规范主要采取宏观控制混凝土材料的组成和限定构造措施的办法，认为这样就能满足环境作用下的耐久性需要，同时也回避了结构的使用年限问题。这种传统的耐久性设计方法，通常是针对不同的环境作用，提出混凝土应采用的原材料，混凝土的最低强度等级、最小水泥用量和最高水灰（胶）比，以及钢筋的混凝土保护层最小厚度，表面裂缝的最大宽度等。

一、混凝土结构体系使用寿命评定标准分析

在进行复杂体系的耐久性评价时，单纯采用可靠指标作为结构失效的判断标准是不实际的。因为复杂体系的传力关系复杂、系统变量多，结构功能函数求取比较困难，单个构件在体系功能中的作用和地位难于量化，而且失效模式的搜索和失效模式相关性计算也不易实现。我国目前颁布的多种国家、行业鉴定标准，如“工业厂房可靠性鉴定标准（GBJ 144- 90） ”.“民用建筑可靠性鉴定标准（GB50292-1999）”，“危险房屋鉴定标准（JGJ 125- 99） ”，“钢铁工业建（构）筑物可靠性鉴定标准（YBJ21989）”“钢结构检测评定及加固技术规程（ YB9257- 96）”，“民用建筑修缮查勘与设计规范（（JGJ 117-98）”等，基本思路都是采用纵向分层横向分级的分层分级逐步综合鉴定评定模式，即将复杂的工业建（构）筑物划分为若干层次，然后分层分级评定逐步综合得到体系的鉴定结论。但如何对复杂的受损结构进行层次划分，不同的鉴定者有不同的划分方法，很有可能会影响结构的鉴定结果。

二、混凝土结构耐久性设计与评定的目标可靠指标分析

确定结构耐久性设计与评定的目标可靠指标是混凝土结构耐久性设计和评定的关键问题。一般认为，按照混凝土材料和构件的劣化过程，依次可以选择不同的劣化状态作为耐久性极限狀态，建立相应的寿命准则。针对碳化寿命准则、锈胀开裂寿命准则、裂缝宽度寿命准则研究不同保护层厚度与混凝土强度组合下的可靠指标变化规律;在此基础上，综合考虑构件破坏后果、人们心理接受水平、国内外规范的相关规定等，并结合工程实测数据，采用“校准法”的思想综合确定各种耐久性寿命准则下的可靠指标，最终提出目标可靠指标的建议值，其中将考虑不同的耐久性寿命准则和结构的重要性程度。目标可靠指标的提出为混凝土结构耐久性的概率设计和评定奠定了重要的基础。

三、结构耐久性设计方法分析

在明确了不同耐久性失效准则下的目标可靠指标之后，对碳化寿命准则、锈胀开裂寿命准则、裂缝宽度寿命准则，建立相应的极限状态方程和可靠度分析模型，提出分项系数表达的结构耐久性极限状态实用设计表达式的基本形式，然后对不同的耐久性寿命准则和目标可靠指标，通过可靠度分析研究实用设计表达式中各分项系数的变化规律，确定不同情况下部分项系数的数值，最终确定结构耐久性概率极限状态设计的实用方法。验证结构耐久性概率极限状态实用设计方法在可靠指标方面的一致性。

四、既有结构耐久性评定的经验方法分析

相对于拟建结构，既有结构已转化为现实的空间实体，环境条件也更为明确，这种根本性的转变使得既有结构的可靠性分析和评定具有其自身的特点，原先设计时采用的分析模型和参数可能不再适用于既有结构的可靠度分析。为此，目前既有结构耐久性评定的需要，结构耐久性概率极限状态设计方法的基础上，既有结构耐久性评定的经验方法。该法在考虑各种随机因素影响的同时，充分考虑了既有结构当前的状态，将既有结构当前所提供的有效信息有机地融合于评定公式中，是目前定量评定既有结构耐床性的一个好的实用方法。

五、基于可靠度的耐久性设计方法分析

混凝土结构在长期使用过程中耐久性劣化的诱因主要来自外界环境，如果混凝土结构能够采取一种（或若干种）隔绝腐蚀环境的措施，即可在很大程度上保证结构有足够的耐久性能。这种采用措施“隔绝”腐蚀环境的耐久性设计可以称之为措施法，即采用保护措施避免各种环境的劣化过程威胁结构，主要方法是通过改变结构小环境，如隔绝、刷膜、防护层等，或者采用性能稳定的建筑材料，如不锈钢、具有保护层的钢筋，稳定的集料、抗硫酸盐水泥、低碱水泥，或者采用阴极保护措施等。这些方法都是为了避免劣化过程发生或者通过复杂的措施抵抗劣化过程的发生。然而，这些措施中的大多数并不能为结构抵抗环境侵蚀提供全面的保护，而且这些保护措施的效果也取决于很多因素，比如防护层的有效性依赖于防护层厚度以及持久性等因素。事实上，目前人们对于这些保护措施机理与实际效果的研究成果也较为缺乏。耐久性设计的另一种方法是在了解环境侵蚀与材料劣化机：理的基础上，选择合适的才料和结构体系抵抗环境侵蚀，从而达到满足规定的耐久性能的目的。例如，可以通过选用合适的保护层和配合比来达到预防锈蚀的目的;或者在结构方面，为了抵抗不同环境作用，结构可以设计得更粗壮，也可以通过圆角或排水措施来减小暴露表面。这种方法是隶属结构工程领域的研究方法。目前的耐久性设计的规范标准即是通过控制混凝土材料常规指标、组成和保护层厚度，以及控制在特定环境类别下的耐久性构造要求和施工技术要求，来达到满足结构设计使用寿命的目的。然而，这些规定仍然局限于环境分类和材料方面的要求，仅在结构材料和结构构造方面粗略地反映了结构设计对耐久性和使用年限的要求，并且无法实现对混凝土结构耐久性设计目标的量化规定。典型的例子就是仅仅对混凝土保护层、最大水灰比、最小水泥用量、以及水泥类型做出规定。按照这些规定，设计者就认为结构能够达到足够长的使用时间，但是却不清楚具体的使用寿命。

参考文献：

[l]黄洁，李周波，张松.混凝土结构的衬久性措施仁[J].腐性与防护，2005.

[2]王增忠.基于混凝土衬久性的建筑工程项目全寿命经济分析[D]，同济大学;2006.