多因素影響下的混凝土結構耐久壽命預測方法

張 璐

（黎明職業大學土木建筑工程學院，福建泉州 362000）

目前，我國的建筑因腐蝕的損失每年約為1 000多億元[1]，很多建筑工程因耐久性問題無法達到設計壽命，現役混凝土結構的耐久性問題日益突出.針對混凝土結構進行合理的壽命預測是結構耐久性設計的重要環節，同時也是結構維護保養的先決條件.目前對既有混凝土結構的壽命預測大都是單一影響因素下的壽命預測方法的研究，沒有考慮影響結構耐久性的所有因素.為此，本文在綜合考慮構件的外觀狀況、裂縫寬度、鋼筋銹蝕和承載力衰減等影響混凝土耐久性的幾個最主要因素的基礎上，根據一定的評判準則進行多因素的耐久性評定[2]；并根據評定所得到的評判分數進行結構的耐久性壽命預測，對既有混凝土結構耐久性評估有現實的指導意義.

1 混凝土結構耐久性影響因素的評判準則

根據影響混凝土結構耐久性各因素的特點，將其分為程度型和速度型指標[3].程度型指標是根據混凝土構件耐久性劣化程度來判別，包括構件外觀情況、裂縫寬度、鋼筋銹蝕率和承載力衰減系數；速度型指標是根據影響混凝土構件耐久性各主要因素的劣化速度來判別，主要有鋼筋銹蝕速率和承載力衰減速度[3].

1.1 程度型指標的評判

1.1.1 構件外觀狀況

處在大氣環境的混凝土構件由于碳化、氯離子侵蝕、凍融破壞等，會導致混凝土構件混凝土開裂受損剝落、鋼筋銹蝕外露.混凝土構件的外觀狀況在一定程度上體現了其耐久性性能劣化的程度，并且外觀的劣化，又會進一步引起混凝土構件其他性能的劣化，使構件的損害程度加劇.根據房屋鑒定方法[4]，可結合構件混凝土起鼓、開裂及剝落面積百分率（劣化面積占構件表面積的百分比）、鋼筋的露筋銹蝕與否進行評判，具體的評判準則見表1.

表1 構件外觀狀況的評判準則

b <1% 無c <2% 無d <3% 主、箍筋外露并銹蝕e ≥3% 主、箍筋外露并嚴重銹蝕

1.1.2 裂縫寬度

由鋼筋銹蝕產生的混凝土構件裂縫主要表現為順筋裂縫，是一種非受力裂縫；另一種是沿構件受力主筋處的橫向和縱向裂縫，由非腐蝕因素產生的.雖然裂縫產生的原因不同，但都會加劇對構件的破壞，引起鋼筋的進一步銹蝕和構件承載力的下降.裂縫對構件的損傷程度會隨著使用條件和構件所處部位不同而不同，例如在露天或高濕高溫環境下，裂縫會使構件中的鋼筋銹蝕加劇；所以，裂縫寬度的評判需考慮使用條件、構件部位及產生裂縫的原因等不同情況[2]，參考可靠性鑒定標準[8-9]對混凝土構件中裂縫寬度的評定等級，確定評判準則如表2所示.

1.1.3 鋼筋銹蝕率

混凝土構件中的鋼筋銹蝕是一個復雜的電化學過程，并且隨著銹蝕的加劇，銹蝕產物體積膨脹，會導致混凝土開裂甚至剝落，而開裂和剝落又會加劇鋼筋的銹蝕；鋼筋銹蝕會使其與混凝土之間的黏結力下降，有效受力截面減少、強度降低等，從而導致構件耐久性的降低.研究表明[6]，當鋼筋銹蝕率（也稱為鋼筋截面損失率）大于 5%時，鋼筋性能和構件承載力均有很大程度的降低.同時參考可靠性鑒定標準[8-9]，混凝土構件中鋼筋銹蝕率的評定可采用5%作為限值，其評判標準見表3.

1.1.4 構件承載力衰減系數

調查表明[7]，凍融循環、侵蝕性化學腐蝕、鋼筋銹蝕等因素，均能引起混凝土構件承載力下降，可參照可靠性鑒定標準[8-9]中對混凝土構件承載力等級的鑒定確定構件承載力衰減系數的評判準則，如表4所示.

表2 混凝土構件裂縫寬度評判準則

表3 鋼筋銹蝕率的評判準則[2]

表4 混凝土構件承載力衰減系數評判準則

注：表中R—結構或結構構件的；S—結構或結構構件的作用效應；γ0—結構的重要性系數，對安全等級為一級、二級、三級的結構構件，可分別取1.1、1.0、0.9.

1.2 速度型指標的評判

1.2.1 鋼筋銹蝕速度

鋼筋銹蝕速度是指單位時間的鋼筋銹蝕量，可采用線性極化法測定[6].根據實驗研究，鋼筋銹蝕速度指標的上限值為 0.5%/年，可由此得到鋼筋銹蝕速度的評判準則，如表5所示.

1.2.2 承載力衰減速度

承載力衰減速度是指單位時間內混凝土構件的承載力衰減程度.研究表明[3]，承載力衰減指標的上限是1%/年，可做為構件承載力衰減速率的評判準則，如表6所示.

表5 鋼筋銹蝕速率評判準則

表6 構件承載力衰減速率評判準則

2 混凝土結構壽命預測模型

2.1 結構耐久性劣化程度與劣化速度

根據上述影響耐久性各因素的評判準則，采用基于屬性識別的耐久性評估方法[10]，可得到的混凝土結構各主要構件耐久性能指標的評判分數；由構件的指標評判分數值，再得到整體結構耐久性劣化程度指標φ和劣化速度指標φ˙，以結構的耐久性能劣化到某一程度Φ0做為結構耐久壽命的終結標準，由此計算結構耐久性劣化程度Φ和劣化速度Φ˙分別為：

2.2 結構壽命預測

若在Ti年結構接受了第i次維護保養，承載力加強值和初始承載力的比值為ηi，得到結構耐久性能的衰減程度和衰減速度隨時間變化的指數關系：

式(3)、(4)中，α和β分別為衰減系數和衰減指數，受到構件表觀劣化狀況、鋼筋銹蝕量、承載力衰減情況等因素的影響；T為結構的服役年限；N為結構已接受的維養次數.

將由式(1)、(2)計算所得到的結構耐久性劣化程度Φ和劣化速度Φ˙及結構已服役的年限T0分別代入式（3）、（4）可得到α和β的具體數值.

根據結構耐久壽命的終結標準Φ0，代入式(3)可得結構的服役年限，即為結構的壽命期.

3 實例分析

我國沿海某地區的一座兩層鋼筋混凝土框架結構民用建筑，已使用10年，無維修保養紀錄.現場調查該建筑某些構件耐久性能劣化嚴重，檢測該建筑劣化較嚴重的構件（柱Z1、Z2、Z3、Z4，梁L1、L2），得到各構件的各項耐久性指標值，見表7.現將構件耐久性能指標分為劣化程度指標和劣化速度指標，采用屬性識別評定方法[2,10]，分別對程度型指標和速度型指標進行耐久性評定，可得到各構件和結構整體的綜合評判分數，其結果見表8.

表7 各構件耐久性指標的實測值

表8 構件和整體結構綜合評判分數

3.1 計算結構耐久性能的劣化程度與劣化速度

以結構耐久性等級A級的綜合評判分數5分為標準，根據整體結構的程度型指標的速度型指標的評判分數分別是3.920 3和3.564 8，計算出結構耐久性能劣化程度指標φ和速度指標φ˙的分別為21.6%和28.7%，這說明該結構當前的耐久性能劣化程度和速度分別已達21.6%和28.7%.以結構的耐久性能劣化10%（即取做為結構耐久壽命的終結標準，再由式(1)、(2)，得出結構耐久性能的劣化程度和速度分別為2.16%和0.287%/年.由此可見，當前整體結構的耐久性能下降2.16%，已使用 10年，則結構耐久性能的劣化的年平均速度為 0.216%/年；而根據計算得到的當前結構耐久性能的劣化速度為0.287%/年，大于劣化的平均速度；此結果表明，結構的整體性能的劣化速度會隨著使用時間的增加逐漸增長，與工程實際情況相符.

3.2 計算結構的總壽命和剩余壽命

根據結構已使用的年限和無維修保養紀錄的情況，將結構耐久性能的劣化程度Φ和劣化速度Φ˙的計算結果分別代入式(3)、(4)，得到α= 0.001，β=1.329.再根據設定的結構耐久壽命的終結標準10%代入式(3)，求得T = 31.7，即為該結構的總壽命；由結構已使用 10年，得到結構的剩余壽命為21.7年，符合文獻[10]的計算結果.

4 結束語

目前，我國正處于土建工程新建和維修并存時期，完善混凝土結構耐久性評估和壽命預測方法是我國科研人員的迫切任務之一.混凝土結構在一般大氣環境下，由于混凝土開裂剝落、鋼筋銹蝕、承載力衰減等因素的影響下，結構的性能逐漸劣化、可靠性降低，最終導致結構使用壽命縮短.本文基于影響混凝土耐久性的各個因素提出的耐久性壽命預測方法，不同于以往的僅考慮單一因素影響的耐久性剩余壽命預測方法，既可對單個混凝土構件作出耐久性評判，又可對整個混凝土結構作出綜合評判，同時還可得到結構壽命和剩余壽命；計算過程簡單，經實例證明可行，可在對混凝土構件進行耐久性評判的基礎上，快速進行結構的壽命預測.

[1]金偉良，呂清芳，趙羽習，等.混凝土結構耐久性設計方法與壽命預測研究進展[J].建筑結構學報，2007（2）：7-13.

[2]張璐，施養杭.在役混凝土構件耐久性的評判準則[J].華僑大學學報：自然科學版，2009（3）：315-320.

[3]張璐.在役鋼筋混凝土結構的耐久性評估與剩余壽命分析[D].華僑大學，2006：46-62.

[4]中華人民共和國行業標準.危險房屋鑒定標準（JGJ125-1999）[S].北京：中國建筑工業出版社社，1999：8-9.

[5]張偉平，張譽，劉亞芹.混凝土中鋼筋銹蝕的電化學檢測方法[J].工業建筑，1998，28（12）：21-25.

[6]惠云玲.混凝土結構鋼筋銹蝕耐久性損傷評估及壽命預測方法[J].工業建筑，1997，27（6）：20-22.

[7]Mornaga.S., Life prediction of reinforced concrete structures in hot and salt-laden environments. Concrete in Hot Climates,ed. M. J.Walker. RILEM. Pub. E&FN SPon, 2-6 Boundary Row.London SE18HN: 155-164.

[8]中華人民共和國國家標準.工業建筑可靠性鑒定標準（GB50144-2008）[S].北京：中國計劃出版社，2009：22-25.

[9]中華人民共和國國家標準.民用建筑可靠性鑒定標準（GB50292-1999）[S].北京：中國建筑工程出版社，1999：18-20.

[10]張璐.現役混凝土結構耐久性的評定與分析[J].黎明職業大學學報，2013，79（2）：77-80.

[11]盧木.基于耐久性評定的鋼筋混凝土結構的剩余壽命預測[J].建筑科學，1999，15（2）：23-28.