混凝土结构等耐久性设计方法

陈 琳，屈文俊，朱 鹏，肖 杰

(1.上海宝冶集团有限公司，上海 200941；2.同济大学 建筑工程系，上海 200092；3.广东工业大学 土木与交通工程学院，广东 广州 510006)

0 引 言

混凝土结构在使用荷载、环境的共同作用下会发生耐久性退化现象，这种耐久性退化现象在结构上不是同时出现的，某些部位发生耐久性损伤的时间会明显比其他部位要早，在混凝土结构上，耐久性能是不均衡的。混凝土结构的耐久性不均衡可以体现在构件截面和结构整体2个层次上。

在构件截面层次上，影响不同边、角部位耐久性能差异的因素包括角部双向碳化作用、角部氯离子双向传输、应力状态、风向等。在一般大气环境下，构件截面角部的碳化速度快于一般边部碳化速度[1]，角部耐久性寿命明显短于一般边部区域[2]，受拉边耐久性寿命短于受压边[3]，直接受风压面的混凝土碳化速度快于间接受风压面[4]。在海洋区域，构件角部氯离子侵蚀速度明显快于一般边部[5]，背风面更容易产生氯离子积累[6]，耐久性寿命更短。

在结构层次上，耐久性能的不均衡性和结构类型、构件位置及环境作用的形式等因素有关。例如，挪威沿海开放式港口工程的调查表明，平板式结构的长期工作性能优于梁板式结构，这主要是因为相对于梁板式结构中的主次梁，平板在施工中更容易浇筑和捣实，施工质量容易保证[7]；相对于简支梁桥，连续梁桥的梁下盖梁的病害会比较少，这主要是因为桥面的连续避免了伸缩缝处水流的渗漏[8]；同样是桥梁的主梁，位于外部的主梁与环境直接接触面比较多，更易发生耐久性损伤[9]。

混凝土结构耐久性能不均衡可能带来的后果是：①从使用寿命角度来说，在结构或构件的某个部位发生耐久性失效时，需要对结构或构件进行大修或更换，而此时结构的其他部位还处于比较好的状态，这种耐久性能不均衡的现象意味着使用寿命的提前终结；②从经济角度来说，不同部位耐久性能不均衡，耐久性失效时间参差不齐，每次结构大修或更换行为都会产生一定的成本，其中一部分固定成本与维修规模无关，如机械使用费、用户成本等，多次大修或更换行为会产生多次固定成本，这种耐久性能不均衡现象意味着经济上的浪费。

基于以上两点，如果在结构设计初期就预先判断可能发生耐久性薄弱区的位置，并有针对性地采取措施提高薄弱区的耐久性能，则有助于优化结构整体的耐久性能，延长结构的使用寿命。这种在结构层次和构件层次上的耐久性能都相对均衡的结构称为等耐久性的结构，这种设计初期就采取措施使结构耐久性能相对均衡的设计方法称为等耐久性设计方法。

屈文俊等[10-11]提出了混凝土截面的等耐久性设计概念，其基本思想是采取措施保护混凝土构件受拉区角部钢筋，延缓角部混凝土因锈胀裂时间，使混凝土截面各边、角部混凝土因锈胀裂时间的均值相等。构件层次的等耐久性设计采取的方法有：在混凝土受拉区角部设置涂覆材料[11]，将受拉区角部钢筋置换成不锈的纤维增强复合材料(FRP)筋[12]，受拉区混凝土采用耐久性良好的活性粉末混凝土(RPC)[13]等。

在混凝土截面等耐久性设计的基础上，本文提出了混凝土结构的等耐久性设计方法，明确了该方法的定义和思路，研究了该方法的主要过程，用算例说明了等耐久性设计的整个过程。

1 等耐久性设计的定义和思路

等耐久性设计方法是一种采用设计手段有针对性地加强薄弱区的耐久性能、改善混凝土结构耐久性能不均衡性的耐久性设计方法。使用寿命实质上是耐久性能的一种度量，实现混凝土结构耐久性能均衡就是使组成混凝土结构的各个部分的耐久性使用寿命保持一致。然而，混凝土结构是由不同类型的构件通过一定规则组成的复杂的整体，各类型构件的材料、功能、可更换性均不相同，所以将所有构件都设计成相同的使用寿命是不现实的。

等耐久性设计比较合理的思路是：对结构中的构件进行分类，根据等耐久性原则将不同类型构件的使用寿命进行匹配，分别确定各构件的目标使用寿命，再对各个构件进行耐久性设计以达到目标使用寿命的要求，在构件层次上，采取措施避免截面角部钢筋提前锈蚀引起耐久性失效，形成等耐久性截面。

混凝土结构等耐久性设计的定义为：将混凝土结构中构件进行分类，各类构件设计等同的耐久寿命，构件实现截面等耐久性的设计方法。其意义在于优化选择各类构件的耐久寿命，合理安排初始投资，减少大修次数，降低结构后期维修成本，延长结构寿命，实现混凝土结构的可持续发展。

2 目标使用寿命的确定

结构设计所要求的目标使用寿命是针对其结构主体而言的，组成结构的构件不一定都需要达到这个要求，由于构件的类型、材料等不同，有些构件需要在使用过程中加以更换。由于不同构件的使用寿命存在差异，为了实现结构的等耐久性设计，可以将结构看作“分层模块化体系”，对分层模块化体系中的不同模块、构件进行合理的目标使用寿命规划匹配设计。

2.1 结构的分层模块化划分

根据尺度、功能、环境条件等将结构体系划分为7个不同的层次：结构层、次结构层、一级模块层、二级模块层、构件层、次构件层、表面层，每个层次都有其划分规则(表1)，其中前面4个层次依结构的实际情况可以适当省略。需要特别指出的是，专门划分出“表面层”是因为混凝土结构的耐久性损伤多是从混凝土表面开始表现出来的，同一构件不同表面可能遭受到的环境作用不同，划分出表面层有助于实现截面的等耐久性设计。图1为结构分层模块化体系划分情况的一个树状示意图。

表1 结构不同层次的划分规则

图1 结构分层模块化体系

为便于对结构进行耐久性设计和描述，对结构的分层模块化体系进行编号，编号示意如Ⅰ.A1.001.002.a，其规则如下：

(1)第1项罗马字母Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，…表示次结构的序号，如果体系中忽略次结构，则Ⅰ表示结构整体。

(2)第2项大写字母A，B，C，…表示一级模块层的序号，大写字母后所跟的数字表示二级模块层的序号，如果体系中忽略二级模块，则只有大写字母表示一级模块。

(3)第3项数字001表示模块中构件的编号。

(4)第4项数字002表示次构件的编号。

(5)第5项小写字母a，b，c，…表示表面层的编号。

2.2 基于等耐久性原则的目标使用寿命确定

结构不同模块的功能和受力状态不同，目标使用寿命也是不同的。以桥梁结构为例，一般来说，基础、墩、主梁等的使用寿命被认为应当与结构整体的使用寿命相同，板、路面等被认为在使用期内可以维修和更换，其使用寿命可以短于结构整体使用寿命。结构构件的每一次维修或更换都会带来一部分的固定成本，多次维修不便于实现降低全寿命成本的目标；因此，从降低多次维修带来的固定成本的角度上看，实现模块间的使用寿命匹配变得比较重要。

等耐久性原则是使多个构件或模块在同一时间发生失效，一次性对多个构件或模块进行维修，降低由于失效时间参差不齐而必须进行多次维修带来的多次固定成本。具体可执行的目标寿命规划方法为：使一级模块的寿命值为倍数关系[式(1),(2)]，使隶属于同一一级模块的二级模块的寿命值相等[式(3)]。

LA=LB=mLD

(1)

LD=LE=nLF

(2)

LD1=LD2

(3)

式中：L为使用寿命；m，n为正整数；A，B，D，E，F，D1,D2等为模块序号。

在模块化的寿命规划过程中应当综合考虑环境技术水平、构件更换的难易程度、全寿命的经济性等因素。

2.3 目标使用寿命确定的过程

基于等耐久性原则的目标使用寿命确定过程如下：①对业主和使用者的需求进行调查；②对结构的用途和使用条件进行调查；③确定结构整体的目标使用寿命；④形成结构的初步设计方案；⑤将结构划分为分层模块化体系；⑥确定模块或构件的目标使用寿命。

3 等耐久性设计方法

根据混凝土结构等耐久性设计思路，将使用寿命作为耐久性衡量和设计的目标参数[8]。经过等耐久性设计的混凝土结构中每个构件的每个部位均应满足目标使用寿命的要求[式(4)][14]。结构等耐久性设计实质上就是目标使用寿命的设置和设计使用寿命的控制。

td≥tg

(4)

td=μ(ts)/γg

(5)

式中：tg为目标耐久性使用寿命，根据本文第2节的方法和步骤进行预先设定；td为设计耐久性使用寿命，是设计方案在一定保证率下的寿命值；μ(ts)为预期使用寿命的均值；γg为寿命安全系数，与耐久性等级、目标可靠指标等因素有关。

将公式(5)代入公式(4)可以得到，在进行耐久性设计时，预期使用寿命的均值应当满足公式(6)的要求。由此可见，通过寿命安全系数γg，将对设计使用寿命的要求(基于一定允许失效概率)转化为了对预期使用寿命均值的要求。

μ(ts)≥γgtg

(6)

3.1 使用寿命安全系数

使用寿命安全系数与耐久性要求和目标可靠指标直接相关，受业主和用户的要求、结构或构件的重要程度、修复损伤的可能性、失效产生的后果等因素影响。重要程度越高、破坏后可修复性越差、破坏造成损伤越严重的结构，其设计时的耐久性要求越高，允许失效概率越低，目标可靠指标越高，使用寿命安全系数也越大。

用耐久性等级来描述对耐久性的基本要求，即结构或构件在可能遇到的各种作用下容许破坏的最大程度。根据混凝土结构耐久性能影响因素和机理的分析，性能演变过程的分析和目前结构耐久性的研究成果，建议将混凝土结构耐久性水平划分为如表2所示的3个等级。由于结构在发生较为严重的耐久性损伤时会引起人们的重视，会对耐久性损伤进行修复，不会任由其发展至影响结构安全性的程度，因此这里定义的耐久性等级只停留在正常使用的范畴。

结构和构件的耐久性等级是在进行耐久性设计前应当明确的内容。类似于安全等级的要求，构件宜与结构整体采用相同的耐久性等级，但允许对部分结构构件根据其重要程度和综合经济效果进行调整。如某一构件在结构中属于重要的受力构件且维修成本较高，则可以将该构件的耐久性水平提高一级；相反，某构件在结构中的重要程度较低，同时维修更换简单且费用较低，则可以将该构件的耐久性水平降低一级。

表2 混凝土结构耐久性等级

耐久性等级从一级到三级，结构失效的后果越来越严重，维修成本越来越高，因此，目标可靠指标也应该越来越高。不同的耐久性等级下，目标可靠指标的建议取值如表3所示，具体的取值应考虑结构的重要程度和具体的极限状态来确定。

表3 耐久性极限状态目标可靠指标

使用寿命安全系数与目标可靠指标有关，同时与使用寿命的分布类型和变异系数有关。经过对一般大气环境和氯盐环境下耐久性使用寿命进行分析发现，使用寿命服从对数正态分布，在2种情况下使用寿命的变异系数变化范围分别为0.32～0.41，0.38～0.52；可见，环境作用下使用寿命的变异系数较大。根据计算结果假定在一般大气环境下使用寿命的变异系数为0.4，氯盐环境下使用寿命的变异系数为0.5。在这种假定下计算不同耐久性等级的寿命安全系数，取值见表4。这里仅给出了寿命安全系数的建议取值范围，具体取值应综合考虑结构的重要性、结构耐久性失效带来的损失及耐久性修复的难易程度来确定。重要程度较高的构件取建议范围中的较大值；重要程度一般的构件则取建议范围中的较小值。

表4 使用寿命安全系数建议取值

3.2 预期使用寿命的计算

预期使用寿命的计算预估首先要明确耐久性的技术指标和耐久性极限状态。表5给出了3种耐久性等级下使用寿命估计模型所使用的技术指标和极限状态。

表5 使用寿命估计模型依据的技术指标和极限状态

基于耐久性的技术指标和相应的极限状态，可以根据试验或理论研究建立预期使用寿命的计算模型。董振平等[15]提出了碳化速度系数的估算模型，屈文俊等[4]研究了在风压作用下混凝土的碳化速度，El Maaddawy等[16]研究了从钢筋发生锈蚀到开始出现锈胀裂缝的时间模型，Mullard等[17]在试验数据的基础上给出了锈胀裂缝发展至最大裂缝宽度的经验模型，这些对材料退化规律的研究为预期使用寿命的计算预估提供了可能性。

预期使用寿命的计算模型中往往存在较多的随机变量，预期使用寿命的均值可以采用Monte Carlo模拟方法进行求解。在进行结构设计时，这种做法会过于复杂，也可以直接对预期使用寿命的均值进行计算。

假定使用寿命估计模型为Y=G(X1,X2,…,Xn)，G为随机变量X1,X2,…,Xn的函数，X1,X2,…,Xn相互独立且均服从正态分布，各随机变量的均值和标准差分别为μXi和σXi(i=1,2,…,n)，以上基本假定对实际工程问题的影响很小，可以满足工程要求的精度。

等耐久性使用寿命设计的主要过程如图2所示。

图2 等耐久性设计过程

4 设计算例

4.1 截面层次等耐久性设计

某简支梁桥的边主梁为T形截面，初始设计的跨中截面普通钢筋布置如图3所示，截面中的预应力筋位于普通钢筋内部，图中未显示。混凝土等级为C50，底部钢筋(图3中①)的直径为25 mm，其余钢筋均为10 mm，最外层横向钢筋的保护层厚度均为20 mm。桥梁位于内陆地区，年平均气温为14.9 ℃，平均湿度为78%，主导风向从图中左侧吹来，不使用除冰盐。构件目标使用寿命为100年，耐久性等级分别为一级、二级、三级时的使用寿命安全系数为1.4，1.7，2.0，即预期使用寿命的均值应当分别大于140，170，200年。

图3 初始设计的T形梁截面梁跨中截面钢筋布置(单位:mm)

图4 T形梁截面表面层划分

4.1.1 截面表面层划分和编号

为了方便说明和计算，根据设计要求和构件布置，对截面进行表面层划分和编号，如图4所示。图4中b，c，f，h表示角部，同一条边有折线的位置考虑为同一表面，如a，d，e，g，i，j，由于构件右侧有另一主梁，翼缘右侧有后浇带，这里不对右侧表面进行编号。

4.1.2 影响耐久性能的关键因素

桥梁位于内陆地区且不使用除冰盐，因此造成结构耐久性能退化的主要因素为碳化作用。

4.1.3 各表面层预期耐久性寿命均值计算

采用本文第3.2节中提到文献所给出的使用寿命估计模型，根据初始设计混凝土强度和保护层厚度，计算各表面层预期使用寿命均值，如表6，7所示。考虑到a层表面会设置铺装层，故认为该层不会发生由于钢筋锈蚀引起的耐久性失效。

4.1.4 截面等耐久性设计

从表6，7中可以看出，考虑风压影响系数时，初始设计的预期使用寿命大多不能满足目标使用寿命的要求，且角部不满足要求的情况更严重。不同风压面的预期使用寿命有较大的差异。根据等耐久性设计原则对截面进行等耐久性设计，主要采取的措施有2种：①对于严重不满足要求的部位(角部)，将纵向钢筋替换为不锈的FRP筋材，角部箍筋也设置为FRP箍筋，如图5所示；②对于其他部位，增大保护层厚度，保护层厚度以最外层的横向钢筋为基准进行。调整后的保护层厚度如表8所示。从表8可知：对于不同的表面，满足计算要求的保护层厚度不同，通过这种不同的保护层厚度设置，可以实现截面的等耐久性；对于不同的耐久性等级，满足计算要求的保护层厚度也不同，由此可以看出进行耐久性设计时首先确定耐久性等级的重要性。实际设计时，为方便施工，可以将保护层厚度进行微调，使之遵循常用保护层厚度的模数规定，但是最小厚度不能小于表8的要求。

表6 初始设计的预期使用寿命均值(纵向钢筋)

注：*表示角部。

表7 初始设计的预期使用寿命均值(横向钢筋)

图5 筋材替换区域

4.2 结构层次等耐久性设计

某简支梁桥主梁由4片T形梁组成，下部结构采用柱式桥墩，初始设计某支点处布置如图6所示。桥梁的使用环境与前一算例相同。桥梁目标使用寿命为100年。各类构件的初始设计参数如表9所示。

4.2.1 分层模块体系的划分和编号

根据图6中所包含的构件类别，对该部分结构进行划分，并对构件进行编号，如图7和表10所示。

4.2.2 各模块、构件目标使用寿命和寿命安全系数

由于在桥梁使用寿命期内上述各模块均不便于更换，所以所有构件的目标使用寿命都与桥梁整体的使用寿命相同，为100年。各模块和构件的寿命安全系数如表11所示。

表8 不同表面保护层厚度调整值

图6 桥墩及上部结构布置(单位:mm)

表9 各类构件初始设计参数

图7 分层模块化体系及编号

4.2.3 影响耐久性能的关键因素

桥梁位于内陆地区且不使用除冰盐，造成结构耐久性能退化的主要因素为碳化作用。

4.2.4 各构件预期耐久性寿命均值计算

根据上一个算例可知，角部钢筋锈蚀所确定的寿命远小于边部钢筋锈蚀所决定的寿命，可以通过特殊的保护措施来推迟角部耐久性退化过程，在计算各构件预期耐久性寿命均值时，只计算边部决定的预期使用寿命均值，且计算时以最外层钢筋为基准进行计算，如表12所示，表12中均为耐久性最薄弱表面的预期使用寿命值。

表10 分层模块化体系及编号说明

4.2.5 结构等耐久性设计

从表12中可以看出，多种构件的预期使用寿命不能满足目标使用寿命的要求，对这部分结构进行等耐久性设计主要采取增加保护层厚度的措施，调整设计后的设计参数如表13所示。从表13中可以看出，对于不同构件，满足计算要求的保护层厚度不同，同为主梁的A1和A2，由于局部环境不同，计算满足要求的保护层厚度相差5 mm，边梁计算满足要求的保护层厚度大于内部梁。对于不同耐久性等级，满足计算要求的保护层厚度也不同，因此进行耐久性设计时首先要确定各构件的耐久性等级。实际设计时，为方便施工，可以将保护层厚度进行微调，使之遵循常用保护层厚度的模数规定，但是最小厚度不能小于表13的要求。

表11 构件的寿命安全系数

5 结语

(1)混凝土结构等耐久性设计的定义为：将混凝土结构中构件进行分类，各类构件设计等同的耐久寿命，构件实现截面等耐久性的设计方法。等耐久性设计的实质就是目标使用寿命的确定及使用寿命的设计。

(2)提出了结构分层模块化划分的方法及基于等耐久性原则的目标使用寿命确定方法和过程。

表12 初始设计的预期使用寿命均值

表13 不同构件保护层厚度调整值

(3)提出了等耐久性设计过程和不同耐久性等级的使用寿命安全系数建议取值范围。

(4)通过2个算例说明了混凝土结构等耐久性设计的过程。在截面层次进行耐久设计时，对于耐久性能严重不足的部位(角部)，将钢筋替换为不锈的FRP筋材，避免其过早提前耐久性失效；其余部位通过调整保护层厚度来实现截面等耐久性要求。在结构层次进行耐久性设计时，通过调整保护层厚度来达到结构总体等耐久性的要求，实例表明，由于局部环境不同，同种类型的构件需要设置不同的保护层厚度才能满足等耐久性的要求。