中外建筑设计耐久性差异

疲劳荷载





耐久性设计的极限状态
• 钢筋锈蚀
预应力钢筋－ 开始锈蚀 普通钢筋－混凝土表面锈痕， 顺筋开裂（0.1mm, ---,1mm） 保护层剥落
• 混凝土腐蚀
轻微，不影响混凝土对钢筋的保护
耐久性设计方法
传统方法 指数(评分)法
因子法 基于材料劣化模型的计算方法
耐久性设计内容
按 环境类别，环境作用等级，设计年限 确定： 混凝土材料 结构构造和裂缝控制 施工要求 使用阶段检测和维修要求 防腐蚀附加措施
耐久性设计的极限状态
•钢筋锈蚀
预应力钢筋－ 开始锈蚀 普通钢筋 － 顺筋开裂（0.1mm）
•混凝土腐蚀
轻微，不影响混凝土对钢筋的保护
海洋环境下的重要工程，要求委
托二个或二个以上的专业机构，分 别进行使用寿命计算
混凝土材料选择
1) 选用低水化热、低C3A含量、偏低含碱量水泥 2) 选用坚固耐久的洁净骨料，重视粗骨料级配及 粒形 3) 矿物掺和料作为一般情况下的必需组份 4) 将适量引气作为常规手段 5) 采用偏低的用水量 6) 限制单方混凝土中胶凝材料最低和最高用量 7) 尽可能降低胶凝材料中的硅酸盐水泥用量 强度与耐久性的矛盾 粉煤灰 低水胶比与抗裂性的矛盾 引气剂
GB50010－2002规范中，要求100年设计寿命的 保护层厚度为50年的1.4倍（即 t ∝ √a ），这个 规定值得探讨 碳化的深度到一定数值后有可能停止
事实上，只有不会发生锈蚀的干燥环境，碳化速 度才与时间 t 的0.5次方成正比。潮湿环境（RH= 81%）下与 t的0.4次方成正比，长期湿润下（高 湿度又经常受雨淋）甚至与 t 的0.1次方成正比。
• 使用年限－结构建造完成后，在预定的使用与维护和
修理条件下，能够满足原定性能要求的年限
• 设计使用年限－具有足够安全储备或保证率
设计使用年限的安全储备或保证率可以用 寿命安全系数或失效概率表示
定值法设计―――寿命安全系数凭工程经验和必要分析综合 给定，考虑工程重要性，耐久性失效后果的严重性，修理的 可行性与修理费用，环境作用、耐久性抗力和计算方法本身 的不确定性与不确知性
环境作用下混凝土结构的 耐久性设计方法
2004年2月
结构设计的外加作用与极限状态
作用
作用因素
载承能力
安全性
极限状态
正常使用
适用性
可修复
可修复性
耐久 性 考虑
一般荷 载作用
偶然灾 害作用 环境作 用
重力、风 强制位移
地震、爆 炸 湿度、温 度及其变 化，侵蚀 物质


60－100 >100 5000－ 10000 20000－ 40000 7500－ 15000
弱透水土层中 氯离子浓度 水中 mg/l , 土中 mg/kg 干湿交替 长期浸水 潮湿 5000 500
100－ 500－ 150－ 750
环境类别
选定一种最主要的环境类别进行设计 多种环境作用影响 荷载对环境作用影响
冻融环境
•必须引气 (B级可不引气，但需提高一级选择混凝土)
•低水胶比的混凝土，不大于0.5，氯盐环境下不大于0.4 •新混凝土延迟受冻；加大构件厚度；避免混凝土受湿
混凝土抗冻性能指标－－用耐久性指数 DF表示
100年与50年使用年限，在抗冻要求上的差别不 明显 厚度
（ Fagerlund，黄士元， Hobbs ）
关键在于规范要提高标准，尤其干湿交替和炎热环 境下的要求
表面裂缝宽度的限制也不应成为问题
横向裂缝能使裂缝截面处的普通钢筋提前发生局部 锈蚀，但通常不会向周边和深部发展，只当保护层被 碳化后，才能在钢筋表面发展全面稳定的锈蚀
混凝土规范的裂缝宽度限制不适用于较厚的保护层
预应力筋的应力腐蚀则不同
碳化锈蚀
耐久性极限状态
一般由适用性（正常使用极限状态） 或可修复性控制 少数可发生承载能力失效的极限状态
预应力高强钢筋（索）的应力腐蚀 隐蔽部位钢筋的锈断
混凝土结构耐久性设计 与施工指南
中国土木工程学会标准 CCES 01－2004
混凝土结构及其构件的耐久性，应根据 不同设计使用年限及其相应的极限状态 和不同环境类别及其环境作用等级进行 设计
一般冻融环境下，环境作用按降低一个等级选用保护层
氯盐引起锈蚀
氯盐引起的钢筋锈蚀最为严重 水下区混凝土缺氧，腐蚀速度极慢 危险的是干湿交替区
氯盐轻度腐蚀下，采用水胶比不高于0.4（或最多不超 过0.45）的矿物掺和料混凝土与适当的保护层厚度， 一般能解决问题 干湿交替、使用寿命又长的重要工程部位，可能需要防 腐蚀附加措施
传统方法 Deem-to-satisfy Method
针对不同环境类别和环境作用等级，
对混凝土材料和结构构造规定不同要求。
（ 回避使用寿命要求）
混凝土原材料（水泥、掺合料、外加剂、－－） 混凝土配合比（最大水胶比、最低胶凝材料用量－－） 混凝土最低强度等级，抗冻等级，－－－ 结构构造（保护层最小厚度，－－－） 改进趋向―― 细化环境类别及其作用等级
2 土中 S O4 总量 mg/kg，强透水土层
弱透水土层
1500－ ≤300 1000 300－ 5.5－ 6.5 4.5－ 5.5
水中M g
2wk.baidu.com
mg/l 水或强透水土层中 弱透水土层中
水的 pH 值
≤6.5 ≤5.5
水中 CO2
mg/l
水或强透水土层中
15－30 30－60
30－60 60-100 500－ 5000 5000－ 20000 750－ 7500
使用期内的维修和定期检测
使用年限与使用阶段维修紧密联系
环境严重作用下的结构物必须定期检测 设计文件中必须向业主与运营单位提出 使用过程中的定期检测和维修要求
防腐蚀附加措施
环氧涂层钢筋 混凝土表面防腐涂层、面层 钢筋阻锈剂
阴极保护
不同环境类别下的耐久性设计
碳化引起锈蚀
对付碳化锈蚀不应成为一个问题
基于材料劣化模型的计算方法
RILEM-130 委员会报告 《混凝土结构耐久性设计》1996 DuraCrete 《混凝土耐久性设计指南》2000
ACI Life-365 Computer Program 2000
日本土木学会标准示方书 2002
我
我国混凝土结构耐久性设计现状
规范的耐久性设置水准基本上停留在解放初 或50年代国际水平 由于水泥的早强成分和细度增加，施工进度
施工质量对结构耐久性的头等重要性
钢筋位置的误差，5mm的施工误差，可使20mm保 护层厚度的墙、板钢筋开始锈蚀的年限缩短近一 半 养护不良影响更大
DuraCrete 指 南 中 ， 7 天 的 养 护 系 数 为 1 天 的 2 倍 （氯离子作用）和4倍（碳化作用）可使工作寿命 从50年分别降到约25年和12.5年
氯盐环境下的裂缝宽度限制，不同标准差别较大
氯盐引起锈蚀
据DuraCrete的研究，氯离子侵入混凝土100 年或50年后，浓度达到临界值处的深度，即所 需保护层厚度 为： 对于低水胶比的大掺量矿物掺和料混凝土，x 约与 t 的0.15~0.20 次方成正比，并与大气区、 浪溅区、水下区等不同环境 条件有关。100年 与50年的差别不到15％ 对于不加矿物掺和料混凝土的普通混凝土， 100年需比50年增加30％
环境作用等级为C或C级以上（对无粘结预应力钢 筋为B或B级以上），应采用有防腐连续密封护套的预 应力钢筋。
施工要求与施工质量验收
必须将施工质量保证作为耐久性设计中特殊重要的内容
表层混凝土质量－－混凝土养护质量 保护层厚度的施工允许误差 质量检验
保护层厚度，含气量，表层混凝土渗透性 （现场回弹、抗拔、抗渗）
概率分析方法―――寿命安全系数为均值使用年限与设计使 用年限的比值，与设定的保证率或失效概率有关 若假定使用年限按对数正态分布，变异系数为 0.5。 对于 适用性极限状态，如失效概率5％，K在2. 4左右
环境类别
1 一般环境 （无冻融，盐、酸等作用） • 室内干燥环境 A
• 非干湿交替的室内潮湿环境或 露天环境，长期湿润环境 • 干湿交替环境 B C
露天环境下 保护层厚度 抗碳化锈蚀
C15
C25
C30（C25）
板2cm 梁3cm （对主筋） 仅水工规范 要求引气
3.8cm （d<16） 5.1cm （d>16） （对外侧钢筋） 要求引气
C35, 3.5cm
C40,4cm(干湿交替)
（对外侧钢筋） 要求引气
抗冻融
大型工程
城市地铁主体结构混凝土C20 跨海大桥浪溅区混凝土C30，保护层 3～4cm 高边坡预应力锚索、高强锚杆无双重保护 特大桥梁的公路桥面板底部保护层2cm
• • • • 设计使用年限－ 有一定的保证率或安全储备 极限状态－与环境类别及结构特点有关 环境类别－分7类 环境作用等级－分6级，A－F
结构设计使用年限
设计人员用以作为结构耐久性 设计依据的目标使用年限
设计使用年限应由业主或用户与设计人共同确定， 并满足有关法规的最低要求 • 设计基准期－为确定可变荷载(使用荷载、风雪荷载) 及与时间有关的材料强度而选用的时间参数
提出不同使用年限的不同要求
指数（评分）法
Index Method
日本土木工程学会1990年提出
环境指数S ≤ 耐久性指数R
S＝S0 ＋ ∑Si
S0 ——正常环境指数（ 50年设计寿命 取100）
Si——恶劣环境增量指数（冻融10－40，
盐蚀10－70）
R＝ R0 + ∑ Ri
R0 ——常数，取50
加快，混凝土耐久性的实际质量下降
环境条件恶化
规范还阻碍粉煤灰等掺合料和引气剂的使用,
为改善混凝土结构耐久性带来负面作用
国外对耐久性要求的不断改进—盐冻环境
加拿大安大略省公路桥面板耐久性要求
规范对耐久性的低标准要求
我国现行规范（80年代颁布）与国外比较
配筋混凝土 中国 美国 英国
最低强度 等级
氯离子扩散系数的测定
推荐 快速氯离子电迁移测定方法－ＲＣＭ方法
＋ －
橡胶筒
（内径100,外径114～ 120，高150～170）
环箍 支撑顶头（高15～20)
KOH溶液 阳极板 环箍 试件 阴极板 KOH+Cl 溶液
6 大气污染环境
汽车或机车废气 酸雨
环境类别
7 土中及地表、地下水中的化学腐蚀环境
作用等级
2
B
C
D
E
水中 S O4
mg/l
≤200 1000 ≤300 ≤ 1500 5000 1500
200－ 300－
1000－ 4000－ ( 海水环境除外 ) 4000 10000 1500－ 6000 5000－ 15000 1000－ 3000 4500 4.5－5.5 4.0.－4.5 4－4.5 3.5－4.0 6000－ 15000 15000－ 50000 3000－
构造措施和裂缝宽度限制
1) 隔绝或减轻环境对混凝土的作用－－ 结构形状，防、排水，
2)混凝土裂缝控制 3)钢筋的混凝土保护层
混凝土表面裂缝宽度限制与保护层厚度 的矛盾
钢筋保护层
普通钢筋（主筋、箍筋和分布筋）的混凝土保护层厚 度
c cmin + Δ
预应力筋的混凝土保护层厚度:
无密封护套的比普通钢筋大 10 mm
重度盐雾区
离平均水位上方15m以内的海上大气区， 离涨潮岸线50m内的陆上室外环境 • 水位变化区和浪溅区，非炎热地区
E
E
• 水位变化区和浪溅区，南方炎热地区
F
环境类别
4 除冰盐冻融环境
混凝土中度饱水 混凝土高度饱水 E F E F C D （pH小于4时按E级）
5 盐碱结晶环境
轻度盐碱结晶 重度盐类结晶
Ri —— i = 1―8 , 共8类，包括32个因素，分
别评分后相加 (按95％保证率考虑)
因子法
Factor Method
ISO15686-1 建筑物与设备使用年限规划
用于构件耐久性使用年限评估
te= tg· A· B· C· D· E· F· G
A——构件质量（水胶比、强度等级、含气量） B——设计水平（结构构造） C——施工质量 D——室内环境 E——室外环境 F——使用状态 G——维修保养水平
2 一般冻融环境 (无盐、酸等作用)
• • • • 微冻地区，混凝土中度饱水 微冻地区，混凝土高度饱水 严寒和寒冷地区，混凝土中度饱水 严寒和寒冷地区，混凝土高度饱水 B C C D
环境类别
3 近海或海洋环境
• 水下区 • 大气区 轻度盐雾区 D D
离平均水位15m以上的海上大气区， 离涨潮岸线50m外至200m内的陆上室外环境