结构耐久性定义界定

结构耐久性界定
张光辉
（西安建筑科技大学土木工程学院，西安710055）
摘要：结构耐久性研究是一个复杂的学术体系，各学者在耐久性的定义、范畴、应用研究等领域的研究均存在较多差异。

本文从拟建结构（结构设计阶段）与既有结构（检测评估阶段）两个方面入手，系统地分析了结构耐久性在这两大研究领域的共性和异性，并进行了结构耐久性的界定。

关键词：耐久性结构设计检测评估拟建结构既有结构
1 概述
结构耐久性的概念使用已久，但无公认的定义。

在我国已经出版的多部著作中结构耐久性均有不同的表述。

李田、刘西拉认为:结构耐久性是指结构在设计要求的目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和外观要求的能力[1]。

金伟良、赵羽习认为:所谓混凝土的耐久性，是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下，在设计要求的目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和外观要求的能力[2]。

牛荻涛认为:所谓结构的耐久性是指结构在正常设计、正常施工、正常使用和正常维护条件下，在规定的时间内，由于结构构件性能随时间的劣化，但仍能满足预定功能的能力；结构耐久性还可定义为结构在化学的、生物的或其它不利因素的作用下，在预定的时间内，其材料性能的恶化不致导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，不需要花费大量资金加固处理而能保证其安全性和适用性的能力[3]。

张誉等对混凝土结构耐久性的定义为:结构在规定的使用年限内，在各种环境条件作用下，不需要额外的费用加固处理而保持其安全性、正常使用性和可接受的外观的能力[4]。

文献[5]中对结构耐久性的定义为:结构及其部件在可能引起材料性能劣化的各种作用下能够长期维持其应有性能的能力。

在结构设计中，结构耐久性又常被定义为预定作用和预期的维修与使用条件下，结构及其部件能在预定的期限内维持其所需的最低性能要求的能力[5]。

最新出版的《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476-2008）中对结构耐久性的定义为：在设计确定的环境作用和维修、使用条件下，结构构件在设计使用年限内保持其适用性和安全性的能力[6]。

根据该定义以及我国混凝土相关设计规范中的《建筑地基基础设计规范》、《建筑抗震设计规范》以及《建筑结构可靠度设计统一标准》中的相关规定认为，定义中的条件应该是指：正常施工、正常使用和正常维修。

设计使用年限按条文术语中规定是指：结构各种性能均能满足使用要求的年限。

因此，可以对规范中的耐久性这样认为：即在正常施工、正常使用和正常维修的条件下，结构构件在满足使用要求的年限内能够保持其适用性和安全性的能力。

欧洲规范EN 1990：2002以及国际标准ISO2394：1998中指出：耐久性是满足可靠性要求的基本条件，在适当的维护下，结构和结构构件的耐久性应保证它们在设计使用年限内始终适用[7][8]。

从以上定义来看，耐久性在不同学者及国家之间的定义有较大的差异，主要在以下几点上存在区别：1）耐久性是否与安全性、适用性相关联；2）耐久性是否应与经济性相关联；3）耐久性是否应包括外界的生物腐蚀、机械外力作用、磨损、冲刷等劣化因素的影响。

正是这种概念上的差异为混凝土结构耐久性界定与研究带来了一定的困难。

2结构耐久性界定分析
国内外资料表明：结构耐久性分析的目的主要是进行拟建结构（结构设计阶段）使用寿命的预测与既有结构（检测评估阶段）的使用寿命评估。

如果不仔细推敲，这二者最终可被理解为一个概念，即耐久性分析与使用寿命的预测是等价的。

然而，在实际操作中，这二者有着较大的差别。

其理由有以下几点：1）研究对象不同。

耐久性结构设计中研究对象是拟建建筑，是虚构的理想实体，建筑能否按图纸实
现具有较多的可变性；检测评定的对象是既有建筑，是真正的实体。

虽然二者在某种程度上是指同一物体，但有明显区别。

2）研究的目标不同。

结构耐久性设计的主要目标是为了确保主体结构能够达到规定的设计使用年限，满足建筑物的合理使用年限要求[6]。

这种使用年限通常应是使用过程中仅需一般维护（包括构件表面涂刷等）而不需进行大修的期限[5]。

而检测评估的目的则在于为评定既有混凝土结构的耐久性，保证结构在下一目标使用年限内的安全和正常使用[9]。

这种耐久性规定的结果可能会导致结构的整体维修、构件的更换或者结构的拆除重建。

a）考虑的年限定义不同。

耐久性结构设计中主要考虑设计使用年限，通过设计来满足规范规定的年限要求。

根据《混凝土结构耐久性设计规范》附录A中对结构构件的耐久性极限状态表述可以看出，这种耐久性要求在一定程度上是《混凝土结构设计规范》中正常使用极限状态的上限，与结构的安全性无关，或者可以理解为在耐久性失效前，结构不存在安全性隐患。

而检测评估阶段耐久性考虑的主要是结构或构件在下一使用阶段的合理使用年限，由于考虑的因素和参数已经发生根本性变化，这种评估的年限已与设计阶段的设计使用年限毫无关系。

b）目的不同。

耐久性的设计仅通过满足规范的相关规定来满足用户或者业主的合理使用年限要求，在一定保证率的前提下确定一个可靠的设计使用年限。

而检测评定阶段则主要基于用户或业主对建筑的使用功能发生改变时或对建筑后续使用的经济价值认定等方面有需求时所进行的活动，评估的目的主要在于通过耐久性的评估明确对结构进行简单维修、大修还是拆除重建做出决定，评估主要考虑在研究阶段后续的使用剩余年限内建筑结构能否满足正常使用极限状态以及与承载力极限状态相关的结构安全性问题。

即设计阶段的耐久性研究更多关注结构的适用性，而检测评估阶段则关注于结构的安全性和适用性。

c）建筑经济时效不同。

耐久性设计阶段由于要考虑建筑结构在后续外界劣化环境的影响，在设计构造上对使用的材料方面相比较以前的设计规范有了更严格的规定（见表1）。

表1 耐久性相关规定对比表
备注：由于两规范对环境类别划分的不同，此表仅以设计使用年限为50年为例。

由于设计规定的环境类别比较详细，表中数据部分为范围值，确切数据以规范规定为准。

保护层厚度以板、墙等面形构件为例。

从表1中可以看出，随着结构耐久性研究的不断深入，规范对构件材料使用的要求越来越高，无形之中增大了结构初始的建造成本，即建筑越来越不“经济“。

如果在原有设计基础上，结构在后续使用年限内不存在大修、加固补强等经济行为，则这种成本的增加是绝对的。

如果在后续的使用年限内需要进行大修、加固补强等经济行为，则这种成本的增加是相对的，因为按照新的耐久性设计规范设计的结构可能较为“安全、实用”，不需要进行修补，这种设计中新增的成本可能会低于或者高于原设计建造成本与后续补强成本之合，这种成本的增加则是相对的。

二者仅有的区别在于前期增加的成本失去了成本可能增值的时间价值。

检测评估中的经济性主要取决于评估的结果，如果需要发生经济行为，则这种经济一方面可参与建筑经济的综合评价，另一方面可不考虑建筑新建期间发生的沉没成本，仅考虑目前或者后续目标的经济性研究，从某种意义上认为这种经济的产生具有可变性和较好的时效性。

3）劣化因素的时变性。

这种时变性包括以下几个层次的内容：
a）结构设计中不可能对未来存在的众多劣化因素进行可靠的、定量的估计。

例如混凝土结构耐久性
规范3.2.5条规定：混凝土结构的耐久性设计尚应考虑高速流水、风沙以及车轮对混凝土表面的冲刷、磨损作用等实际使用条件对耐久性的影响。

其中汽车产生的磨损如何估计，磨损量应取多大，设计工作者或者业主能否在短暂的设计时间内提供这些相关的资料。

此外，相关的生物腐蚀以及可能产生的意外碰撞、火灾等劣化因素，在结构设计阶段是不可能估计和考虑的，但在检测评估阶段，可根据研究对象的不同进行实地勘察与调查，可在一定程度上获得更多、更有用的实测评估资料和数据。

b）随着研究对象由拟建建筑转变为既有建筑后，研究中的劣化环境可能会发生变化。

建筑物的兴建或多或少必将对周围环境产生一定的影响，其中包括地下水、大气环境以及土壤质量等。

如果拟建的是一个生产具有腐蚀性气体产生的工业厂房，设计前虽有条件对厂房区域土壤、地下水位以及大气中可能存在的腐蚀气体进行测量，但是，一旦厂房建设完成后产生的腐蚀是无法估计的，即使在建设前有腐蚀性预案，也不能完全代替建设后实际建筑物所处的劣化环境，这种现象已经在各大工矿企业得到实际验证。

即使对于设计中可定量考虑的因素，如设计荷载等，在研究对象发生变化后由于实际使用条件的不同都可能发生较大的变化。

c）对于结构设计而言，劣化条件在设计理念中是永恒不变的，是基于设计时给定的劣化参数，在满足一定保证率的前提下，通过构造或概念设计中给定的相关规定来满足规范对建筑物相关年限的规定。

而检测评定阶段的劣化条件可通过对劣化因子的变化发展的研究进行预测，通过预测与实际现场的调查，可有针对性地对建筑进行评定，研究中考虑的劣化因素是时间的函数，时间不同，因素的破坏程度不同。

d）劣化因素复杂程度不同。

设计中的耐久性是在正常施工、正常使用、正常维修条件下产生，没有考虑混凝土微观结构、外界机械外力、荷载等因素的变化对混凝土耐久性的影响。

而检测评定中的耐久性是基于破坏现象的综合研究，必须根据不同破坏特点进行综合分析，考虑的劣化因素产生的条件更复杂、更充分。

4）对象的时变性。

对于耐久性设计而言，研究对象是永恒不变的，结构中的材料性能一直保持不变（考虑了理论上的保证率）。

而检测评估中的对象由于混凝土微观结构以及在外界劣化因素的影响下会随着时间的推移，性能与设计前发生较大变化，评定的过程都是建立在实际结构构件检测的实测数据基础之上，具有更强的真实性和科学性。

5）研究方法的不同。

以上分析表明，在进行拟建结构（结构设计阶段）和既有结构（检测评估阶段）的寿命预测上其方法有着明显的区别。

拟建结构寿命预测多采用：①基于经验的预测方法。

这是根据试验室和现场大量试验结果与以往经验的积累，对使用寿命作半定量的预测；②基于比较的预测方法。

这种方法用的甚少，其中假定如果混凝土在某一期限内是耐久的，则相似环境下相似混凝土也将有同样的寿命；③加速试验预测方法。

通过加速试验来解决预测使用寿命的数学模型问题；④数学模型预测方法。

利用数学模型预测使用寿命，其预测的可靠度与模型的合理性以及材料与环境参数选取的准确性有关；⑤寿命预测的随机方法。

充分考虑到影响结构使用寿命的各因素都是随机变量，应用概率方法进行结构的耐久性寿命预测。

既有结构寿命评估采用：①基于实际检测的时间外推法；②数学模型方法。

既有结构寿命预测与拟建结构寿命预测的本质区别在于前者可以通过结构现有状态的实际调查，获得更多和更明确的资料信息，实测的数据可以对寿命预测模型进行既有环境的修正[3]。

6）寿命类型的不同。

学术界对结构寿命的分类公认为三类：①技术性使用寿命：是结构使用到某种技术指标（如结构整体性、承载力等）进入不合格状态时的期限。

②功能性使用寿命：与使用功能有关，是结构使用到不再满足功能实用要求的期限；③经济性使用寿命：是结构物使用到继续维修保留已不如拆换更为经济时的期限。

在结构耐久性设计阶段，根据《混凝土耐久性设计规范》规定，混凝土结构构件的耐久性极限状态可分为以下三种：1 钢筋开始发生锈蚀的极限状态；2 钢筋发生适量锈蚀的极限状态；
3 混凝土表面发生轻微损伤的极限状态。

这三种极限状态均属于结构使用寿命耐久性终结的技术性标志。

也就是结构耐久性设计阶段主要考虑的是结构的技术性使用寿命，而真正的检测评估阶段应当是在技术性使用寿命和功能性使用寿命存在问题或不满足的情况下进行的经济性使用寿命的预测和判断。

因此，如果对拟建结构（结构设计阶段）和既有结构（检测评定阶段）采用相同的耐久性概念则不利
于行业的发展，可能在一定程度上会误导学术研究。

3 结论
基于以上分析研究，作者认为，对于拟建建筑（结构设计阶段）结构耐久性是指在正常设计、正常使用、正常维修的条件下，结构及结构构件在设计使用年限内保持其适用性和安全性的能力。

在研究时应：①以勘察报告提供的环境劣化条件对结构类型进行划分和确定；②以规范设计的要求进行初步设计；③以可预测的数学模型进行工程设计使用年限的预测和对设计耐久可靠性进行校核。

对于既有建筑（检测评估阶段）结构耐久性是指在正常使用、正常维修的条件下，结构及结构构件在下一目标合理使用年限内，在外界各种劣化因素影响下能够满足其适用性和安全性的能力。

研究时应：①对结构既有环境以及历史环境破坏因子进行调查；②检查结构符合原设计的程度，并对实际结构进行详细勘察；③劣化现象及劣化程度的评估；④试验室试验测试，获取真实、科学的数据；⑤结构的再分析；⑥结构适用性、安全性、经济性综合评定。

参考文献：
[1] 李田，刘西拉.混凝土结构耐久性分析与设计[M].北京：科学出版社，1999.
[2] 金伟良，赵羽习.混凝土结构耐久性[M]. 北京：科学出版社，2000.
[3] 牛荻涛.混凝土结构耐久性与寿命预测[M].北京:科学出版社，2003.
[4] 张誉，蒋利学，等.混凝土结构耐久性概论[M].上海:上海科学技术出版社，2003.
[5] 中国工程院土木水利与建筑学部工程结构安全性与耐久性研究咨询项目组.混凝土结构耐久性设计与施工指南[M].北京:
中国建筑工业出版社，2004.
[6] 国家标准.混凝土结构耐久性设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.
[7] Eurocode.Basis of structure design（EN 1990：2002）[S].2002.
[8] Internation standard.General principles on reliability for structure（ISO 2394：1998）[S].1998.
[9] 协会标准.混凝土结构耐久性评定标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2007.
The Durability Definition of Construction
Zhang Guang-hui
(Civil Engineering school of xi’an university of architecture and technology, xi’an 710055)
Abstract: The Study of sturcture durability is a complicated Academic system. More differences are existed in definition, Category and Application among researchers. The article systemeically analized generality and individuality between detection evaluation and structure design, and defined the dueability.
Key words: dueability, Structural Design, Detection Evaluation, Proposed Structure, Existing structure。