中美歐海洋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)參數(shù)對比分析

馮云芬，馮澤玉

（1.聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東 聊城 252059；2.莘縣黃河河務(wù)局，山東 莘縣 252400）

1 引言

海洋環(huán)境是引起混凝土耐久性劣化的主要誘因之一[1]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與“一帶一路”倡議的提出，我國建筑企業(yè)涉外工程日益增多，國際設(shè)計(jì)、施工單位也逐漸進(jìn)入國內(nèi)市場。規(guī)范在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面起著重要的指導(dǎo)作用[2]，各國混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定也不盡相同，因此有必要研究國內(nèi)外混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方法的異同之處。

目前，國際上最具影響力的混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范主要是美國規(guī)范《混凝土結(jié)構(gòu)建筑規(guī)范》(ACI318-19)[3]與歐洲混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(EN1992-1-1：2004 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-第1-1 部分：一般規(guī)程與建筑設(shè)計(jì)規(guī)程)[4]，我國《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50476-2019)》[5]在前幾版的基礎(chǔ)上，經(jīng)過修改也更規(guī)范化。目前，各國的耐久性設(shè)計(jì)思路一般都是先確定環(huán)境類型與環(huán)境作用等級，再確定混凝土水膠比(或水灰比)、混凝土強(qiáng)度、保護(hù)層厚度等設(shè)計(jì)參數(shù)[6]。本文針對中、美、歐海洋環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對比分析，旨在分析國內(nèi)外混凝土耐久性設(shè)計(jì)方法的異同，為我國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的進(jìn)一步修訂提供參考，為設(shè)計(jì)施工人員進(jìn)行涉外工程提供幫助。

2 水灰比與混凝土強(qiáng)度

混凝土密實(shí)性與抗?jié)B性是氯離子擴(kuò)散速度及混凝土耐久性的重要影響因素，這主要與混凝土水灰比、膠凝材料的組成及混凝土強(qiáng)度有關(guān)。

2.1 我國規(guī)范GB/T 50476-2019

我國規(guī)范規(guī)定的海洋環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)的最低混凝土強(qiáng)度等級、最大水膠比和最小混凝土保護(hù)層厚度，見表1[5]。

2.2 歐洲規(guī)范EN1992-1-1

歐洲規(guī)范規(guī)定的海洋環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)的最小混凝土強(qiáng)度和最大水灰比，見表2。

2.3 美國規(guī)范ACI318-2019

美國規(guī)范環(huán)境類別中沒有單列海洋氯鹽環(huán)境，僅在暴露類別：鋼筋防腐環(huán)境C2 中提及海水環(huán)境，其最大水膠比與最小抗壓強(qiáng)度，見表2。C2 類別規(guī)定的混凝土最低抗壓強(qiáng)度為5000psi(34.48MPa)，大體相當(dāng)于我國的C40 混凝土。

2.4 對比分析

由此表1 和表2 可看出，中、美、歐規(guī)范都以環(huán)境條件為主要因素，但由于國情、所用材料、地理位置、環(huán)境等條件不同，所考慮因素也不同。確定結(jié)構(gòu)等級與混凝土強(qiáng)度時(shí)，我國考慮了設(shè)計(jì)使用年限、環(huán)境等級與構(gòu)件類型等因素[5]；歐洲規(guī)范考慮了設(shè)計(jì)使用年限與環(huán)境等級；美國規(guī)范僅考了環(huán)境作用等級。我國將海洋環(huán)境分為4 個(gè)等級，其中潮汐區(qū)與浪濺區(qū)考慮了氣候影響，將其分為Ⅲ-E 和Ⅲ-F 兩級，因此我國相比歐美更為嚴(yán)謹(jǐn)，對混凝土強(qiáng)度的要求也相對較高。

表1 海洋環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級、水灰比與最小保護(hù)層厚度c(mm)[5]

表2 歐美海水環(huán)境最小混凝土強(qiáng)度與最大水灰比[3,4]

確定最大水灰比時(shí)，中歐規(guī)范基本都考慮了環(huán)境類別、環(huán)境等級、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限等因素；美國規(guī)范考慮因素較單一，僅考慮了環(huán)境作用，由于自身未劃分環(huán)境作用等級，因此并未規(guī)定不同環(huán)境作用等級下的水膠比。各國水灰比的規(guī)定差距不大，基本在0.35-0.5 之間。

3 混凝土保護(hù)層厚度

增大混凝土保護(hù)層厚度是提升混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要措施[7]。中、美、歐規(guī)范均規(guī)定了滿足耐久性要求的保護(hù)層厚度，均考慮了環(huán)境等級、設(shè)計(jì)使用年限、混凝土強(qiáng)度等級等因素，由于種種原因，規(guī)定的最小保護(hù)層厚度有一定的差距。

我國混凝土保護(hù)層厚度是指混凝土表面到鋼筋公稱直徑外邊緣的最小距離[5]。歐洲規(guī)范規(guī)定的混凝土保護(hù)層厚度是混凝土表面至最外層分布筋或箍筋表面的距離[4]，歐洲規(guī)范的施工圖標(biāo)注的一般為名義厚度。

3.1 我國規(guī)范GB/T 50476-2019

我國規(guī)范規(guī)定的海水環(huán)境的最小保護(hù)層厚度見表1。

3.2 歐洲規(guī)范EN1992-1-1

歐洲規(guī)范將名義保護(hù)層厚度定義為最小混凝土保護(hù)層厚度加上設(shè)計(jì)偏差裕度：

式中：cmin為滿足粘結(jié)、耐腐蝕和防火要求的最小保護(hù)層厚度，見表3；cdev為設(shè)計(jì)中的偏差裕度。

表3 按EN 10080 設(shè)計(jì)的鋼筋混混凝土構(gòu)件滿足耐久性要求的最小保護(hù)層厚度cmin (mm)

滿足粘結(jié)和環(huán)境條件的最小保護(hù)層厚度cmin為：

式中：cmin,b為滿足粘結(jié)要求的最低保護(hù)層厚度(mm)；cmin,dur為滿足環(huán)境條件的最小保護(hù)層厚度，與結(jié)構(gòu)等級和環(huán)境暴露等級有關(guān)；分別為附加安全厚度，采用不銹鋼時(shí)最小保護(hù)層厚度的減量和為采用附加防護(hù)措施如涂層時(shí)，最小保護(hù)層厚度的減量，可由執(zhí)行歐洲規(guī)范國家的國家附錄規(guī)定，若無進(jìn)一步說明，歐洲規(guī)范推薦取0。

3.3 美國規(guī)范ACI318-19

美國規(guī)范ACI318-19 分現(xiàn)澆與預(yù)制兩種情況，考慮暴露類型、構(gòu)件類型與采取的鋼筋直徑等因素，確定了最小混凝土保護(hù)層厚度。氯鹽環(huán)境的最小混凝土保護(hù)層厚度，見表4。

表4 美國氯鹽環(huán)境混凝土構(gòu)件保護(hù)層厚度[3]

3.4 對比分析

混凝土保護(hù)層厚度與諸多因素有關(guān)，我國規(guī)范考慮了環(huán)境類型與環(huán)境等級(Ⅲ-C—Ⅲ-F 四個(gè)等級)、構(gòu)件類型(條形構(gòu)件與面型構(gòu)件)和混凝土強(qiáng)度等級等因素，考慮因素比較全面細(xì)致。由表1 可看出，所處環(huán)境等級越高，混凝土保護(hù)層厚度越大；所處環(huán)境與設(shè)計(jì)使用年限相同時(shí)，由于受力情況不同，條形構(gòu)件的保護(hù)層厚度較面形構(gòu)件高5mm；同一環(huán)境等級下，混凝土等級增加一級，混凝土保護(hù)層厚度會相應(yīng)減小5mm；同一設(shè)計(jì)年限下，混凝土強(qiáng)度與水灰比相同時(shí)，環(huán)境等級增加一級，混凝土保護(hù)層厚度大致增加5-10mm。

歐洲規(guī)范確定混凝土保護(hù)層厚度時(shí)，考慮因素也較多，其中包含粘結(jié)、防火和耐久性要求。通過選用合適的鋼筋類型(普通鋼筋還是鋼筋束)確定相應(yīng)保護(hù)層厚度以滿足粘結(jié)要求；根據(jù)結(jié)構(gòu)所處環(huán)境類型與環(huán)境等級與結(jié)構(gòu)等級確定滿足最低耐久性要求所需的混凝土保護(hù)層厚度[2]。考慮施工時(shí)混凝土保護(hù)層厚度不易控制，歐洲規(guī)范規(guī)定了最小混凝土保護(hù)層厚度可接受的負(fù)偏差，規(guī)范推薦值為10mm，若構(gòu)件是遵循相關(guān)質(zhì)量保證體系制作的或采取非常精確的儀器測量保護(hù)層厚度并摒棄不合格產(chǎn)品時(shí)，保護(hù)層設(shè)計(jì)偏差裕度可視情況降低。

美國規(guī)范ACI318-19 分現(xiàn)澆與預(yù)制兩種情況，并考慮了暴露條件、構(gòu)件類型、與鋼筋類型和型號。與中歐規(guī)范相比，美國規(guī)范針對不同鋼筋直徑，規(guī)定了不同的混凝土保護(hù)層厚度。預(yù)應(yīng)力構(gòu)件保護(hù)層厚度較非預(yù)應(yīng)力構(gòu)件稍薄，條形構(gòu)件較其他構(gòu)件的保護(hù)層稍厚一些。此外，該規(guī)范在構(gòu)件類型中單獨(dú)列出了殼體和折板構(gòu)件，而我國規(guī)范并未列出。

4 結(jié)論

（1）最大水灰比與最小混凝土強(qiáng)度各國均考慮了環(huán)境因素。我國同時(shí)考慮了設(shè)計(jì)使用年限、環(huán)境作用等級與構(gòu)件類型；歐洲考慮了設(shè)計(jì)使用年限和環(huán)境作用等級；美國僅考慮了環(huán)境作用等級。整體看，我國相對比較嚴(yán)謹(jǐn)。

（2）對于最小保護(hù)層厚度，我國考慮了環(huán)境類型與環(huán)境等級、構(gòu)件類型和混凝土強(qiáng)度等級等因素，考慮因素比較全面細(xì)致。歐洲規(guī)范根據(jù)環(huán)境類別與環(huán)境作用等級、鋼筋類型分別確定了滿足最低耐久性與粘結(jié)要求的最低保護(hù)層厚度；此外還規(guī)定了保護(hù)層厚度的負(fù)偏差。美國規(guī)范分現(xiàn)澆與預(yù)制兩種情況，考慮了暴露條件、構(gòu)件類型、鋼筋類型和型號、鋼筋直徑的影響等因素。在考慮構(gòu)件類型時(shí)，美國規(guī)范較我國更全面，列出了殼體和折板構(gòu)件，不過整體上我國考慮的因素更為詳盡。