关于港口工程混凝土结构耐久性极限状态的探讨

2017-03-10袁明智

环球市场 2017年1期

关键词：耐久性挠度预应力

钟洲袁明智

天津市北洋水运水利勘察设计研究院有限公司

关于港口工程混凝土结构耐久性极限状态的探讨

钟洲袁明智

天津市北洋水运水利勘察设计研究院有限公司

结构在长期作用下，产生的抵抗性能减弱的能力，产生了结构耐久性，由于耐久性缺少，承载力减弱，至规定水平，结构安全性无法确保；耐久性极限状态并非独立的极限状态，和结构适用性与安全性的关系十分紧密；港口工程钢筋混凝土结构构件构建了耐久性极限状态，预应力混凝土结构构件也是如此。主要分析了本文定义的结构耐久性极限状态，以丰富港口工程混凝土结构耐久性极限状态的理论研究。

港口工程；混凝土结构；耐久性；极限状态

结构可靠性包括适用性、耐久性、安全性。有关结构耐久性的表述较少，这表现在下述几个层面：一方面，审视当前极限状态不难发现，结构耐久性没有给出明确的判别标准，未规定耐久性极限状态，结构耐久性并没有目标。另一方面，材料性随时间产生的变化未纳入现行规范设计并不协调结构长期使用中产生的退化实际状态。从根本上看，耐久性影响适用性与安全性，未将其考虑在内。尽管现行规范从多个层面规定了设计，如，材料与养护等，针对结构抗力退化与承载力层次，并没有这方面的设计方法。上述均为结构设计中存在的不足之处。所以，合理整合结构耐久性和当前结构设计理论，优化既有结构设计方法，确保结构耐久性极限在合理范围。

一、混凝土结构耐久性、适用性、安全性的联系

结构安全性指的是不超过规定设计使用年限，维持正常施工与使用，在承受各种作用后，维持安全。结构适用性，不超过正常使用时间，工作性能较好，如，对正常使用不构成影响的大范围的变形、振动。结构安全性表现为结构构件承载力与整体稳定性。与适用性与安全性的定义比起来，耐久性并未给出明确的定义。国内外对耐久性规定定义有所不同，不超过设计使用年限，符合功能所需。从中可见，结构抵抗各种作用能力；适用性是工作性能的一种良好体现。耐久性，长期受到作用，抵抗性能逐渐减弱，在结构整个寿命周期均有存在，对结构承载力与结构正常使用构成影响。

对国内港口工程混凝土结构设计，基于概率论，使用了极限状态设计方法，针对钢筋混凝土结构构件，以承载能力极限状态以依据，相应计算承载能力及验算裂缝宽度。适用性与结构正常使用极限状态是相对应的，安全性和结构承载能力极限状态是相互对应的，当缺少相对应的耐久性极限状态，导致结构耐久性定量设计不具目标性，所以，要达到耐久性定量设计，需要明确结构耐久性极限状态。

二、结构耐久性极限状态

混凝土结构耐久性是一项非常重要的问题，正常使用中因为多种因素产生钢筋锈蚀，致钢筋性能改变及有效截面面积变弱，此外，减退钢筋与混凝土的粘结性能，对结构构件承载性能构成很大影响[1]。基于上述，现研究结构耐久性极限状态。

(一)港口工程钢筋混凝土结构构件

①承载力可靠度。结构设计最根本要求为安全，针对港口工程二级结构，其50 a设计基准期的可靠指标不能低于3.5。目标可靠指标是一种静态指标，这是要求的较低的可靠指标。计算钢筋与混凝土强度值，获得其可靠指标β50a内=4.334，相比统一标准规定的最小可靠指标，较大。以年可靠指标进行换算，那么βa=5.317，该数值将初始年可靠指标考虑在内。

当港口混凝土结构遭受腐蚀，仍然进行使用，此外，符合最低标准要求，可选取3.5作为第50 a的可靠指标。性能衰退之后，选取3.5作为承载力可靠指标。结构刚刚建成过程中，相较而言，承载力可靠指标比较高，受到材料内部因素及环环境作用的影响，时间变化下，结构性能逐步减退，至第50 a时，承载力可靠指标不断降低，至3.5，可这样认定，获得的耐久性极限状态符合安全性要求。当第50 a可靠指标比3.5小时，以提升构件初始承载力的方式获得满足。

②挠度。挠度很大程度上影响结构使用，这种情况在吊车的码头上更是突出。把挠度控制作为初期验算标准。钢筋混凝土构于码头应用末期，当轨道梁产生较大形变，导致码头起重设备使用异常，为此，使用当前规范规定限值，将其用作码头使用50 a时的控制标准，如此，可50 a时的挠度验算轨道梁；普通梁与板，变形只对外观构成影响，不会太大影响结构使用，所以，不再规定50 a时的挠度限值。

③纵向裂缝宽度。外观劣化度分为四种级别：A、B、C和D，各构件没有裂缝，是A级；当板裂缝宽度比0.3 mm小，是B级，裂缝宽度处在0.3～1.0 mm间，是C级，当裂缝宽度比1.0 mm大，是D级；桩、梁与桩帽的裂缝宽度比0.3 mm小、裂缝宽度处在0.3～3.0 mm间、裂缝宽度比3.0 mm大，分别为B级、C级、D级。遵照以上原则，裂缝宽度超过3 mm，表明结构破坏程度非常严重[2]。所以，文中所取的控制标准为纵向裂缝宽度3 mm，工程上的保证率一般为95%，在纵向裂缝要求方面，选取第50 a纵向裂缝3 mm内作为耐久性极限状态。其无法满足上述要求时，以提高耐久性的方法得以实现。

(二)港口工程预应力混凝土结构构件

通常预应力混凝土结构的受力钢筋使用了钢绞线与钢丝。把钢绞线用作预应力筋时，相较之下，预应力筋的强度与延性较差，受拉混凝土边缘不要产生拉应力，混凝土保护层阻碍混凝土中氯离子的扩散，这种构件容易对钢筋锈蚀产生敏感，如果生锈，处在高应力状态中，加快了腐蚀，构建较脆弱，容易被破坏，一旦破坏，产生的结果是非常严重的，为此，把钢筋脱钝用作耐久性极限状态。将螺纹钢筋用作预应力筋时，与钢丝比起来，具有较低的强度，延性良好，通常配置预应力筋与非预应力筋，以符合承载力所需构件破坏模式，与延性破坏类似。所以，当把螺纹钢筋应用在梁与板的预应力筋中，按照耐久性极限状态指标实施控制。桩的位置很重要，遭受破坏后，不容易修复，产生了极大的负面影响，为此，把钢筋脱钝用作耐久性极限状态。