混凝土结构耐久性研究的新进展.pdf
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1、2 0 1 1年 第 8期 (总 第 2 6 2 期 ) Nu mb 8i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 2 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE ORETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 1 0 8 0 1 7 混凝土结构耐久性研究的新进展 左江波,綦春明 ( 南华大学 城市建设学院,湖南 衡阳 4 2 1 0 0 1 ) 摘要 : 从混凝 土结构 耐久性设 计 、 评估和寿命预测等方面总结 了国内外 混凝土结构耐 久性的研究现状 ,
2、展望 了混凝土结构 耐久性研 究的发展趋势 , 并 提出当前 混凝土结构耐久性研究亟待解决的几个问题 , 以期为更深入研究混凝土结构耐久性提供参考和借鉴 。 关键词: 混凝土结构;耐久性设计;评估;寿命预测 中图分类号 : T U5 2 8 O l 文献标 志码: A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 8 0 0 5 1 - 0 4 L a t es t r e s ea r c h pr ogr e s s i n t he dur a bi l i t y of c onc r e t e s t r u c t u r e s z UoJ i a
3、n g - b o Q I C h u n - m n g ( C o l l e g e o f Ci t yC o n s t r u c t i o n , U n i v e r s i t y o f S o u t hC h i n a , H e n g y a n g4 2 1 0 0 1 , C h i n a ) Ab s t r a ct : T h e c u r r e n t s i t u a t i o n o f d o me s t i c a n d i n t e r n a t i o n a l o n t h e d u r a b i l i t
4、y o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s t h a t i n c l u d e s t r u c tur a l d u r a b i l i t y d e s i g n , e v a l u a t i o n a n d l i f e p r e d i c t i o n we r e s u mma ri z e d Mo r e o v e r , t h e d u r a b i l i ty o f c o n c r e t e s t r u c t ure s r e s e a r c h t ren d s
5、we r e l o o k e d f o r wa r d a n d s e v e r a l p r o b l e ms s h o u l d b e s ol v e d u r g e n t l y t o p r o v i d e r e f e r e nc e f o r a mo re i n d e p t h s t u d y of t h e d ur a b i l i t y o fc o n c r e t e s t r u c t u r e s Ke y w o r ds : c o n c r e t e s t r u c tur e; d
6、 ura bi l i t y d e s i gn ; e v a l u a t i o n; l i f e p r e di c t i o n 0 引言 1 研 究混凝 土结构耐久性的意义 从现代混凝土开始应用于建筑工程至今的 1 5 0年时间内, 大量的钢筋混凝土结构由于各种各样的原因而提前失效 , 达不 到设计寿命。 分析其原因有的是由于结构设计的抗力不足引起 的, 有的是由于使用荷载的不利变化造成的, 但更多的是由于 结构耐久性不足导致的。 事实上, 混凝土结构的耐久性失效问题 己成为当前困扰土木工程的一个世界性问题【 1 。 所谓结构的耐久性是指结构在正常设计 , 正常施工,
7、 正常 使用和正常维护条件下 , 在规定的时间内, 由于结构构件能随 时间的劣化 , 但仍能满足预定功能的能力 ; 结构耐久性还可以 定义为结构在化学的, 生物的或其他不利因素的作用下, 在预 定的时间内, 其材料性能的恶化不致结构出现不可接受的失效 概率 ; 或指结构在要求的目标使用期内, 不需要花大量资金加 固处理而能保证其安全性和适用性的能力 。 混凝 土结构 的耐久性研 究己越来 越引起人 们的高度关注 , 迄今为止 , 已经形成 了混凝土结构耐久性研究框架 , 见 图 1 。 混凝土结构耐久性 f 大气环境 环 境 层 次 鬟 l 工业环境 f 混凝土碳化 氯盐腐蚀 材料层次 冻融破
8、坏 I 碱 一 集料反应 【 钢筋锈蚀 f 混凝土锈胀开裂模型 构件层次 黏结性能衰退模型 【 构件承载力的变化 结 构 层 次 搿 灸 桂 替 藕 圈 1 混凝土结构耐久性研究框架 收稿 日期 :2 0 1 1 _ J 0 2 _ o 2 世界上一般国家的基本建设分为三个阶段: 第一阶段为大 规模新建, 第二阶段为新建与维修改造并重 , 第三阶段为转向 旧建筑的维修改造。 目前, 我国正处于第二阶段, 据有关部门统 计, 我国既有的近 7 0 x 1 0 iT 1 的城镇建筑有 5 0 进入老化阶段, 其中约有( 1 0 2 0 ) x l O s I l l 需维修加固才能使用, 同时最近
9、每年 用于基础设施工程的投资额度高达 2 0 0 0 0亿元人民币以上, 而 且 以惊人 的速度增长 , 那 么大约在 3 O 5 0年后 , 这些工 程也将 进入维修期, 所需的维修费或改造费用, 将更为巨大。 美国学者 用“ 五倍定律” 形象地说明了混凝土结构耐久性设计的重要性 , 特别是设计耐久性方面的重要性。 它的意思是说对新建项 目在 钢筋防护方面节省 1 美元, 就意味着发现钢筋锈蚀时采取措施 需多追加维修费 5美元, 钢筋开裂时需多追加维修费 2 5美元 , 严重破坏时将需多追加 1 2 5美元【 。 对在役混凝土结构进行耐久性评定与剩余使用寿命预测, 不仅可 以揭示潜在危 险
10、, 及时作 出维 修或拆除 的决 策 , 避免重 大事故的发生, 而且研究成果可以直接用于指导结构设计州 。 因 此, 混凝土结构耐久性问题是一项具有重大实际意义和社会经 济效益的研究。 2 多学科联合研究混凝土结构耐久性 在对混凝土结构耐久性研究的初期, 国内外的学者往往局 限于材料的研究, 研究的成果主要包括混凝土的抗渗性, 抗冻 性 , 抗碳化能力 , 抗钢筋锈蚀, 抗侵蚀( 包括大气和水 ) , 抗碱骨 料反应, 我国从 2 0 世纪 5 0 年代开始在水利水电设计规范, 试验 规程和施工规范中列入了耐久性的有关指标 , 如抗冻强度等级 、 51 学兔兔 w w w .x u e t
11、u t u .c o m 抗 渗强度等级等 。 2 O世纪 8 0年代后期美 国国家标准局 和美 国 混凝土耐久性委员会体 AC I 一 2 0 1 共同研制建立了建筑材料的 第一个专家系统一 D U R C O N( D u r a b i l i ty c o n c r e t e ) 系统 , 专门用 于为提高混凝土耐久性而进行混凝土设计选择方案决策的标 准系统, 主要包括提供控制混凝土钢筋锈蚀、 冰冻和盐冻 、 抗硫 酸盐侵蚀和碱骨料反应等方面的参数5 。 而到 2 0世 纪末 2 1 世纪初 , 混凝土耐久性 的研究 又 出现 了 新的概念 , 即混凝土耐久性的“ 整体论” 。 大
12、量的研究l6 初步说 明混凝土材料尤其是混凝土结构, 其耐久性是一个综合因素的 损伤破坏过程, 必须整体来研究和考虑。 混凝土结构耐久性研究是一个多学科、 多目标的系统工程, 涉及材料 、 结构、 力学 、 化学、 数学等多个领域, 随着耐久性研究 的发展, 科研人员对混凝土结构耐久性认识程度的不断加深, 逐 步认识到材料与结构二者是分不开的。 材料影响结构, 结构的状 态和变化又影响材料。 因此, 耐久性的研究必须实现结构和材料 的联合 。 除此之外 , 环境状态又与耐久性 问题 息息 相关 , 因为在 不同的环境条件下, 混凝土材料以及结构产生的老化损伤规律 是不同的。 在根据耐久性设计混
13、凝土结构使用寿命方面, 尤其要 注重从材料到结构, 从结构到环境以及运行状态等多方面的联 合研究 , 仅有如此才能得到符合实际工程应用的成果。 3混凝土结构 的耐久性设 计 1 9 8 9年欧洲 出版 了 C E B耐 久混凝 土结 构设计指南 嘞 , 解 决了耐久性构造和施 技术方面的要求 , 并对环境类别及其作 用等级作了细化 , 提出了不同使用年限的不同要求 , 考虑了材 料常规指标及组成和保护层厚度等因素的影响, 体现了将混凝 土耐久性作为设计指标的设计理念。 同年 日本首次提出以定量 的方法评价混凝土结构的耐久性, 并在“ 混凝土结构物耐久性 设计指针” 中引人耐久性指数的概念。 我
14、国在借鉴国内外科研 成果的基础上 , 于 2 0 0 4年编制了 C C E S 0 l : 2 0 0 4 ( 混凝土结构 耐久性设计与施工指南 , 于 2 0 0 9年住房和城乡建设部颁布了 G B T 5 0 4 7 6 -2 0 0 8 ( ,凝土结构耐久性设计规范 。 然而世界各 国颁布的这些规定仍然局限于环境分类 、 材料方面、 结构的形 式和构造 、 施工方法等方面的要求, 从宏观上控制和保证结构 的耐久性, 并没有实现对混凝土结构耐久性的设计 目标的量化 规定。 如何完善混凝土结构耐久性设计是国内外科研丁作者的 迫切任务。 当前 , 混凝土耐久 性设计 的理论研 究主要有两种
15、9 , 1 1 : 第一 种理论 认为 , 在进行 混凝土结 构耐久性设 计之前 , 首先 要进行 结构的工作环境分类, 然后确定结构的设计使用寿命 , 最后利 用极限状态法对耐久性极限状态进行验算。 这种方法主要按适 用性的要求确定, 常以有害介质侵蚀到钢筋表面或混凝土保护 层胀裂作为为耐久性极限状态, 体现是材料层面的研究成果, 不 能直接参与结构使用寿命的预测计算模型, 且现行规范采用的 以近似概率为基础的设计方法不一致。 第二种理论认为, 混凝土结构耐久性设计应包括计算和验 算部分, 构造要求部分。 基于这种理论 , 李田、 刘西拉 J o l等学者引 入耐久性设计概念 , 提出了 S
16、 r l R, 式中 S为内力设计值 , R为 构件抗力设计值, 为耐久性设计系数, 它是构件经 t 时间后的 可靠指标B( t ) 的函数 , n = f 1 3 ( t ) 1 。 这种方法的计算和验算部分 不仅是混凝土耐久性设计的关键, 它要分析出抗力与荷载随时 间变化的规律 , 使新设计的结构有明确的目标使用期 , 使改建 52 扩建结构同原结构有相 同的有效使用寿命 , 达到安全 、 经 济 、 实 用的 目的, 并且与现行混凝土结构设计规范设计方法相协调 , 被 广大设计者所采用。 但由于每个地区抗力衰减规律难以统计, 并且即使是同一地区, 由于使用环境不同, 其抗力衰减规律也 有
17、所不同, 故这一领域的研究有待深人。 4 混凝 土结构 的耐 久性评估 混凝 土结构 的耐久性 与寿命 预测是 同际结构工 程学科 研 究的热点问题 , 受到工程界的普遍关注与重视。 结构耐久性评估 包括结构耐久性评定 、 结构构件及结构的寿命预测。 目前关于混凝土耐久性评估理论的研究可分为三类【 1 1 - 2 : 一 是混凝土结构耐久性专家系统评估法; 二是基于可靠性理论 的混凝土结构耐久性评估 ; 三是运用现代不确定性数学T具 , 建 立各种评估模型, 包括基于灰色理论的多层次综合评定方法、 基 于模糊数学理论 的评定 方法 、 利用神经 网络建立评 定模 型 以及 联 合运用模糊推理
18、、 神经 网络 、 遗传算法等理论建立评估模 型。 4 1 专 家 系统评估 法 壬永平 3 1等在对十位桥梁专家的咨询以及大量调查研究基 础之上, 收集整理了桥梁评估专家知识 , 提出用损伤度来度量结 构或构件的损伤程度 , 并探索了桥梁评估的专家系统; 文献 1 4 1 用专家系统来分析水电工程钢筋混凝土结构破损状况 , 试图模 仿人类专家决策的机理, 发展一种决策方法对建筑物的破损状 态进行评估 。 4 2 基于可靠性理论的混凝土结构耐久性评估 姜海波_ 】5 等采用可靠度理论对一座既有铁路混凝土桥梁在 单元时段内的失效概率进行了估计, 并根据剩余使用期内的失 效概率与单元时段内失效概率
19、的简单比例关系, 对该梁剩余使 用期内的失效概率进行了估计 ; 文献【 1 6 考虑了结构抗力随时 间衰减的时变性对结构可靠性的影响, 给出了基于可靠度的钢 筋混凝土结构耐久性分 析方法 ; 彭可可等 基于时变可靠度理 论, 将随机有限元、 神经网络和蒙特卡罗法结合 , 提出评估在役 桥梁结构可靠度的 F NM 法, 并对 1座建成 8年 、 主跨为 8 O m 钢筋混凝土拱桥进行时变可靠度分析 , 得 该桥主拱在第 8年 需要维修加固的结论。 4 3 人 工智能手段的综合评估方法 天津大学张玉敏等_I 8 1 采用基于神经网络与响应面法相结合 的结构可靠度分析方法 , 通过得出的可靠指标对受
20、海水腐 蚀的 混凝土结构进行 了耐久性评价 , 该方法建立的神经 网络模 型可 以很好地拟合真实 的极 限状 态函数 , 在混凝土耐久性 预测中具 有较广阔的应用前景等 ; 薛鹏飞等的基于灰色关联和模糊识别 方法 , 利用信息熵和复合权重的概念, 综合考虑了专家经验和 检测数据固有信息对混凝土结构耐久性进行评估 , 并结合T程 算例验证了其有效性 ; 胡志坚I 2 o 在评估系统巾嵌入专家知识, 采用多层神经网络和模糊理论实现结构状态评估 , 以J - 程实例 验证 了 C B C S AS的可行 性与有效性 ; 大连理 J : 大学海岸与近海工 程国家重点实验室, 将模糊推理、 神经网络、
21、遗传算法二 t 种技术有 机融合在一起, 建立了基于自 适应神经一 模糊推理系统( AN FI S ) 和 遗传算法( G AS ) 的桥梁耐久性评估专家系统。 该系统将 专家的 模糊推理过程蕴含于神经网络结构中, 使神经网络的节点和权 值具有明确的物理意义 , 避免了传统神经网络1 作过程的“ 黑 盒” 性。 同时该系统又具有神经网络的自适应性和学习能力, 克 服了传统模糊推理系统学习能力差的缺点。 并以实测数据对其 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 进行训练和测试, 系统输出与期望输出吻合较好_2 1 】。 5 混凝土结构耐久性寿命预测 1 9 6 1 年 D
22、 a v e y 首次提出了建筑结构服役寿命的概念。 1 9 8 6 英 国S o me r v i l l e 从使用寿命的角度出发, 将使用寿命分为 3类: 技术服役寿命 、 经济服役寿命、 功能服役寿命。 1 9 9 3年 C l i ft o n 2 3 总结预测建筑结构材料的服役寿命的方法, 主要有从相似的材 料性能进行推测的方法、 基于经验的估计方法、 加速试验方法、 基于化学或物理劣化过程的数学模型方法以及应用可靠度与 随机概念的方法。 5 1 寿命 准 则 结构寿命预测的关键是在进行结构寿命预测之前, 首先要 明确结构 的预定功 能是什 么以及 如何判 断结构 的功能失效 ,
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