钢筋混凝土结构的耐久性设计

钢筋混凝土结构的耐久性设计

樊曼莉

中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司 陕西省西安市 710032

摘要：随着我国城镇化水平的不断提高，建筑行业迎来了前所未有的发展机遇。建筑物的结构在长期自然环境或使用环境下随着时间的推移，逐步老化、损伤甚至损坏，它是一个不可逆的过程，必然影响到建筑物使用功能以及结构的安全。因此结构的耐久性是结构可靠性的重要内涵之一。

关键词：钢筋混凝土结构；耐久性；设计

引言

钢筋混凝土结构是一种在工业建筑、民用建筑、港口工程、水利工程、道路与桥梁工程中有着广泛应用的结构形式，它合理利用了钢筋和混凝土两者性能特点，具有强度高、刚度大、防火性能和耐久性好的优点。

1钢筋混凝土结构耐久性的概况

1.1钢筋混凝土结构耐久性的概念

钢筋混凝土结构的耐久性具体指的是钢筋混凝土及其其他的构件在特定的工作环境中，同时又由于材料本身的内部因素影响所致，钢筋混凝土整体构件在一定的使用期限内对自然环境，化学侵蚀或其他变化过程的一种抵抗能力，通过这种抵抗能力，钢筋混凝土材料不需要消耗其他的能源资金来进行维修，也能够保证其整体性能不产生变化。

1.2钢筋混凝土结构耐久性问题的重要性

在我国的工程建筑中，钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝土的双重优点，造价低廉，是当今乃至未来很长一段时间内的主要建筑结构形式之一，从我国最早开始使用钢筋混土材料来作为建筑的主要材料以来，到现在为止已经有150多年的历史，然而许多的钢筋混凝土结构由于多种原因而导致其性能降低或丧失，究其原因主要有结构设计时抗力不足，使用过程中荷载过重，但更多的主要是因为结构的耐久性能不足而导致的，尤其是在我国的沿海地区，由于气候潮湿，空气中水分较多，钢筋混凝土结构在长期的自然环境侵蚀氧化下，其结构早已遭到破坏，其耐久性能甚至已然慢慢丧失，对此维修起来花费大量资源资金不说，而且还会造成被迫停工的局面，带来更加巨大的经济损失。

2钢筋混凝土结构的耐久性设计

2.1耐久性设计的原则

在进行混凝土耐久性设计时，设计人员应首先明确该结构耐久性目标是什么，即预期设计使用寿命是多少；其次是要清楚耐久性失效标准是什么。对于拟建结构的预期使用寿命已明确将结构设计使用年限划分为四类。对于耐久性失效标准的定义，目前尚没有一致的看法，对于一般的钢筋混凝土结构，多数的观点认为有两种耐久性失效标志:一种是结构由于耐久性能退化导致结构的变形不能满足正常使用的要求，多数以钢筋锈蚀发展到出现混凝土沿顺筋开裂作为正常使用耐久性失效标准;另一种是以结构性能退化导致结构承载能力降低到承载能力极限状态，称为承载能力耐久性失效标准。

2.2材料耐久性研究

针对材料耐久性，国内外学者以及对混凝土碳化、钢筋锈蚀、氯离子腐蚀、碱骨料反应、混凝土冻融破坏进行了大量研究。钢筋锈蚀等因素是导致结构构件破坏和抵抗力下降的最主要因素，成了近期研究的重点。混凝土中钢筋的锈蚀是一个电化学反应过程，研究人员己从不同的角度进行过混凝土中钢筋锈蚀的相关研究，结果不尽相同，但有一个共同的认识，那就是钢筋的钝化膜破坏后，在氧气和水的共同作用下开始锈蚀，锈蚀后体积膨胀，会使得周围混凝土产生压应力，于是混凝土产生顺筋裂缝，引起混凝土保护层剥落，而裂缝和保护层剥落又会进一步加剧钢筋锈蚀，如此恶性循环，对混凝土结构造成破坏。研究学者对混凝土保护层开裂前后的钢筋锈蚀量、及其与裂缝宽度的相互联系进行了大量研究，并就此提出了钢筋锈蚀量的预测模型。现有预测模型可大概分为两大类：第一类是以腐蚀电化学原理为基础的理论模型，有牛荻涛等建立的大气环境混凝土开裂前后锈蚀量预测模型、金伟良等提出了混凝土开裂前钢筋锈蚀率预测模型，他认为氧气扩散系数与时间密切相关，并考虑了钢筋锈蚀后的半径变化，采用了一般的碳化表达式；第二类是锈蚀量预测模型，这类模型是以试验数据和实际工程调研为基础，用构件特征参数建立起的经验模型，有Morinaga提出的环境参数变化的经验表达式，他认为钢筋锈蚀速度是受温度、氧气浓度、相对湿度、氯离子含量等因素影响的。

2.3构件耐久性研究

构件耐久性研究是结构耐久性的前提和基础。研究主要包括对锈后裂缝宽度的变化，锈后钢筋混凝土粘结性能的改变，锈后构件承载力和构件适用性的评估，以及对构件使用寿命的预测。其中，构件寿命预测方面的研究较多，主要有碳化寿命理论、锈胀开裂寿命理论、承载力寿命理论、经济寿命理论等。构件的耐久性研究，主要是对耐久性退化构件的研究。目前，已初步了解了构件的锈蚀和损坏程度与承载力、黏结滑移性能的关系。而构件耐久性研究的大量成果是由快速锈蚀构件得出，其中，外加电流的快速锈蚀试验法，是一种能在短期时间内得到预定锈蚀程度构件的试验方法，方法简单。同时，也有学者指出通电锈蚀下的钢筋锈蚀规律及构件耐久性下降机理与自然锈蚀下的情况有所不同。

2.4结构设计

首先要将普通的混凝土材料与预应力混凝土材料区分开来，根据不同的侵蚀环境与使用期限要求，设置不同厚度的保护层；在结构构件受到外部环境严重侵蚀时，应保证主要受力钢筋材料的直径最小不能低于16mm；在设计过程中要保证结构的表面简洁光滑，不仅要利于排水也要防止造成积水，同时还要对结构的接缝处构造进行处理；在建筑物的屋面层与混凝土的顶板之间还要设置防水层，以防止保温层出现积水的情况；在严重腐蚀的环境中，必须在钢筋混凝土的表面涂抹防腐面层。（1）施工具体要求。钢筋混凝土结构在具体施工时，针对有特别要求的钢筋混凝土材料，需按一定配合比例保证结构的抗腐蚀等级达到要求，应选择最优的配合比方案进行施工；在采用商品混凝土材料时，要保证其主要的化学成分与掺量没有超标，而且添加剂中的氯离子含量不能大于水泥含量的0.02%；在进行钢筋混凝土的浇筑施工时应检查其保护层垫块的尺寸大小与钢筋的位置，保证其厚度达到标准要求，同时在浇筑过程中要防止出现冷缝，将表面抹平，做好浇筑表面的后期养护工作；在冬季进行施工时，在钢筋混凝土内掺杂盐分要严格控制掺杂量，氯化物含量不能超标。（2）使用过程中的要求。钢筋混凝土结构在使用过程中要一定的要求，首先要明确结构本身的正常使用界限，根据结构构件暴露的环境不同，结构本身的耐久性也不同，其次就是对于特别重要的建筑结构要进行定期的安全性能检测，无论是处于侵蚀环境下的结构，还是已经呈现损伤的建筑结构，都要在使用期内定期进行检测，比如检测其沉降速率，倾斜趋势，裂缝开裂的程度或者变形程度等。

结语

混凝土结构耐久性设计、分析与评估是当前混凝土结构理论研究的一个热门话题，它涉及到混凝土材料耐久腐蚀理论、建筑结构可靠度设计准则、混凝土结构维修加固等诸多方面知识，其设计、分析与应用方法的研究对实际工程建设起着关键作用。

参考文献

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