多因素影响下的混凝土结构耐久寿命预测方法

张 璐

（黎明职业大学土木建筑工程学院，福建泉州 362000）

目前，我国的建筑因腐蚀的损失每年约为1 000多亿元[1]，很多建筑工程因耐久性问题无法达到设计寿命，现役混凝土结构的耐久性问题日益突出.针对混凝土结构进行合理的寿命预测是结构耐久性设计的重要环节，同时也是结构维护保养的先决条件.目前对既有混凝土结构的寿命预测大都是单一影响因素下的寿命预测方法的研究，没有考虑影响结构耐久性的所有因素.为此，本文在综合考虑构件的外观状况、裂缝宽度、钢筋锈蚀和承载力衰减等影响混凝土耐久性的几个最主要因素的基础上，根据一定的评判准则进行多因素的耐久性评定[2]；并根据评定所得到的评判分数进行结构的耐久性寿命预测，对既有混凝土结构耐久性评估有现实的指导意义.

1 混凝土结构耐久性影响因素的评判准则

根据影响混凝土结构耐久性各因素的特点，将其分为程度型和速度型指标[3].程度型指标是根据混凝土构件耐久性劣化程度来判别，包括构件外观情况、裂缝宽度、钢筋锈蚀率和承载力衰减系数；速度型指标是根据影响混凝土构件耐久性各主要因素的劣化速度来判别，主要有钢筋锈蚀速率和承载力衰减速度[3].

1.1 程度型指标的评判

1.1.1 构件外观状况

处在大气环境的混凝土构件由于碳化、氯离子侵蚀、冻融破坏等，会导致混凝土构件混凝土开裂受损剥落、钢筋锈蚀外露.混凝土构件的外观状况在一定程度上体现了其耐久性性能劣化的程度，并且外观的劣化，又会进一步引起混凝土构件其他性能的劣化，使构件的损害程度加剧.根据房屋鉴定方法[4]，可结合构件混凝土起鼓、开裂及剥落面积百分率（劣化面积占构件表面积的百分比）、钢筋的露筋锈蚀与否进行评判，具体的评判准则见表1.

表1 构件外观状况的评判准则

b <1% 无c <2% 无d <3% 主、箍筋外露并锈蚀e ≥3% 主、箍筋外露并严重锈蚀

1.1.2 裂缝宽度

由钢筋锈蚀产生的混凝土构件裂缝主要表现为顺筋裂缝，是一种非受力裂缝；另一种是沿构件受力主筋处的横向和纵向裂缝，由非腐蚀因素产生的.虽然裂缝产生的原因不同，但都会加剧对构件的破坏，引起钢筋的进一步锈蚀和构件承载力的下降.裂缝对构件的损伤程度会随着使用条件和构件所处部位不同而不同，例如在露天或高湿高温环境下，裂缝会使构件中的钢筋锈蚀加剧；所以，裂缝宽度的评判需考虑使用条件、构件部位及产生裂缝的原因等不同情况[2]，参考可靠性鉴定标准[8-9]对混凝土构件中裂缝宽度的评定等级，确定评判准则如表2所示.

1.1.3 钢筋锈蚀率

混凝土构件中的钢筋锈蚀是一个复杂的电化学过程，并且随着锈蚀的加剧，锈蚀产物体积膨胀，会导致混凝土开裂甚至剥落，而开裂和剥落又会加剧钢筋的锈蚀；钢筋锈蚀会使其与混凝土之间的黏结力下降，有效受力截面减少、强度降低等，从而导致构件耐久性的降低.研究表明[6]，当钢筋锈蚀率（也称为钢筋截面损失率）大于 5%时，钢筋性能和构件承载力均有很大程度的降低.同时参考可靠性鉴定标准[8-9]，混凝土构件中钢筋锈蚀率的评定可采用5%作为限值，其评判标准见表3.

1.1.4 构件承载力衰减系数

调查表明[7]，冻融循环、侵蚀性化学腐蚀、钢筋锈蚀等因素，均能引起混凝土构件承载力下降，可参照可靠性鉴定标准[8-9]中对混凝土构件承载力等级的鉴定确定构件承载力衰减系数的评判准则，如表4所示.

表2 混凝土构件裂缝宽度评判准则

表3 钢筋锈蚀率的评判准则[2]

表4 混凝土构件承载力衰减系数评判准则

注：表中R—结构或结构构件的；S—结构或结构构件的作用效应；γ0—结构的重要性系数，对安全等级为一级、二级、三级的结构构件，可分别取1.1、1.0、0.9.

1.2 速度型指标的评判

1.2.1 钢筋锈蚀速度

钢筋锈蚀速度是指单位时间的钢筋锈蚀量，可采用线性极化法测定[6].根据实验研究，钢筋锈蚀速度指标的上限值为 0.5%/年，可由此得到钢筋锈蚀速度的评判准则，如表5所示.

1.2.2 承载力衰减速度

承载力衰减速度是指单位时间内混凝土构件的承载力衰减程度.研究表明[3]，承载力衰减指标的上限是1%/年，可做为构件承载力衰减速率的评判准则，如表6所示.

表5 钢筋锈蚀速率评判准则

表6 构件承载力衰减速率评判准则

2 混凝土结构寿命预测模型

2.1 结构耐久性劣化程度与劣化速度

根据上述影响耐久性各因素的评判准则，采用基于属性识别的耐久性评估方法[10]，可得到的混凝土结构各主要构件耐久性能指标的评判分数；由构件的指标评判分数值，再得到整体结构耐久性劣化程度指标φ和劣化速度指标φ˙，以结构的耐久性能劣化到某一程度Φ0做为结构耐久寿命的终结标准，由此计算结构耐久性劣化程度Φ和劣化速度Φ˙分别为：

2.2 结构寿命预测

若在Ti年结构接受了第i次维护保养，承载力加强值和初始承载力的比值为ηi，得到结构耐久性能的衰减程度和衰减速度随时间变化的指数关系：

式(3)、(4)中，α和β分别为衰减系数和衰减指数，受到构件表观劣化状况、钢筋锈蚀量、承载力衰减情况等因素的影响；T为结构的服役年限；N为结构已接受的维养次数.

将由式(1)、(2)计算所得到的结构耐久性劣化程度Φ和劣化速度Φ˙及结构已服役的年限T0分别代入式（3）、（4）可得到α和β的具体数值.

根据结构耐久寿命的终结标准Φ0，代入式(3)可得结构的服役年限，即为结构的寿命期.

3 实例分析

我国沿海某地区的一座两层钢筋混凝土框架结构民用建筑，已使用10年，无维修保养纪录.现场调查该建筑某些构件耐久性能劣化严重，检测该建筑劣化较严重的构件（柱Z1、Z2、Z3、Z4，梁L1、L2），得到各构件的各项耐久性指标值，见表7.现将构件耐久性能指标分为劣化程度指标和劣化速度指标，采用属性识别评定方法[2,10]，分别对程度型指标和速度型指标进行耐久性评定，可得到各构件和结构整体的综合评判分数，其结果见表8.

表7 各构件耐久性指标的实测值

表8 构件和整体结构综合评判分数

3.1 计算结构耐久性能的劣化程度与劣化速度

以结构耐久性等级A级的综合评判分数5分为标准，根据整体结构的程度型指标的速度型指标的评判分数分别是3.920 3和3.564 8，计算出结构耐久性能劣化程度指标φ和速度指标φ˙的分别为21.6%和28.7%，这说明该结构当前的耐久性能劣化程度和速度分别已达21.6%和28.7%.以结构的耐久性能劣化10%（即取做为结构耐久寿命的终结标准，再由式(1)、(2)，得出结构耐久性能的劣化程度和速度分别为2.16%和0.287%/年.由此可见，当前整体结构的耐久性能下降2.16%，已使用 10年，则结构耐久性能的劣化的年平均速度为 0.216%/年；而根据计算得到的当前结构耐久性能的劣化速度为0.287%/年，大于劣化的平均速度；此结果表明，结构的整体性能的劣化速度会随着使用时间的增加逐渐增长，与工程实际情况相符.

3.2 计算结构的总寿命和剩余寿命

根据结构已使用的年限和无维修保养纪录的情况，将结构耐久性能的劣化程度Φ和劣化速度Φ˙的计算结果分别代入式(3)、(4)，得到α= 0.001，β=1.329.再根据设定的结构耐久寿命的终结标准10%代入式(3)，求得T = 31.7，即为该结构的总寿命；由结构已使用 10年，得到结构的剩余寿命为21.7年，符合文献[10]的计算结果.

4 结束语

目前，我国正处于土建工程新建和维修并存时期，完善混凝土结构耐久性评估和寿命预测方法是我国科研人员的迫切任务之一.混凝土结构在一般大气环境下，由于混凝土开裂剥落、钢筋锈蚀、承载力衰减等因素的影响下，结构的性能逐渐劣化、可靠性降低，最终导致结构使用寿命缩短.本文基于影响混凝土耐久性的各个因素提出的耐久性寿命预测方法，不同于以往的仅考虑单一因素影响的耐久性剩余寿命预测方法，既可对单个混凝土构件作出耐久性评判，又可对整个混凝土结构作出综合评判，同时还可得到结构寿命和剩余寿命；计算过程简单，经实例证明可行，可在对混凝土构件进行耐久性评判的基础上，快速进行结构的寿命预测.

[1]金伟良，吕清芳，赵羽习，等.混凝土结构耐久性设计方法与寿命预测研究进展[J].建筑结构学报，2007（2）：7-13.

[2]张璐，施养杭.在役混凝土构件耐久性的评判准则[J].华侨大学学报：自然科学版，2009（3）：315-320.

[3]张璐.在役钢筋混凝土结构的耐久性评估与剩余寿命分析[D].华侨大学，2006：46-62.

[4]中华人民共和国行业标准.危险房屋鉴定标准（JGJ125-1999）[S].北京：中国建筑工业出版社社，1999：8-9.

[5]张伟平，张誉，刘亚芹.混凝土中钢筋锈蚀的电化学检测方法[J].工业建筑，1998，28（12）：21-25.

[6]惠云玲.混凝土结构钢筋锈蚀耐久性损伤评估及寿命预测方法[J].工业建筑，1997，27（6）：20-22.

[7]Mornaga.S., Life prediction of reinforced concrete structures in hot and salt-laden environments. Concrete in Hot Climates,ed. M. J.Walker. RILEM. Pub. E&FN SPon, 2-6 Boundary Row.London SE18HN: 155-164.

[8]中华人民共和国国家标准.工业建筑可靠性鉴定标准（GB50144-2008）[S].北京：中国计划出版社，2009：22-25.

[9]中华人民共和国国家标准.民用建筑可靠性鉴定标准（GB50292-1999）[S].北京：中国建筑工程出版社，1999：18-20.

[10]张璐.现役混凝土结构耐久性的评定与分析[J].黎明职业大学学报，2013，79（2）：77-80.

[11]卢木.基于耐久性评定的钢筋混凝土结构的剩余寿命预测[J].建筑科学，1999，15（2）：23-28.