一种基于钢筋混凝土结构设计程序的优化方法（一）

混凝土结构的耐久性设计传统做法都是对材料种类、材料组成及结构的尺寸等提出模糊和定性的要求。按照这种规则,就不可能准确的弄清结构寿命与耐久性之间的直接关系,并以最优的费用来确定能够满足耐久性要求的材料组成。本文介绍了一个能够较好的用于钢筋混凝土结构设计的耐久性设计程序,该程序可以在确保周期费用最优化的条件下直接将耐久性设计与结构设计过程统一起来。耐久性评价是基于根据超过极限状态程度的原则来确定使用寿命,这种极限状态是结构设计中常用的概念。通常有两种破坏极限状态用于评价由于海水浸入而导致钢筋受腐蚀的情况。在结构寿命设计时混凝土的使用寿命决定了将来的维修费用和时机,在初始费用和将来的运营费用间进行比较权衡,从寿命周期费用的观点来选取最合适的设计方案。另外,由于各种设计和环境因素对寿命周期费用的影响,结构的耐久性也要进行评估。     

混凝土结构耐久性的概率极限状态设计法

混凝土结构耐久性设计中的一个重要方法就是概率极限状态设计法,这种方法根据描述耐久性劣化过程的数学模型,首先建立耐久性极限状态方程,再将环境作用与抗力作用的某个特征值与相应的分项系数代入极限状态方程,经验算就可在一定可靠度水准上得到耐久性设计参数的设计值.该法与我国混凝土设计规范的结构设计方法一致,其中的关键问题是选取描述耐久性劣化过程的数学模型与合适的设计参数.根据理论与经验相结合的碳化深度模型.选择混凝土保护层厚度与混凝土立方体抗压强度作为耐久性设计参数,建立了基于碳化寿命准则的耐久性概率极限状态设计方法,给出了碳化寿命耐久性接受准则、分项系数与设计表达式.该法适用于一般大气环境下不允许出现钢筋锈蚀的混凝土结构,根据设计表达式可直接确定满足使用寿命要求的保护层厚度与混凝上强度.     

基于破损形态控制的RC结构耐久性设计体系

混凝土结构的耐久性设计直接关切到结构耐久性能,目前结构耐久性研究还没有形成设计体系,仅仅局限于环境区划、材料制备及结构寿命的理论分析状态.通过对混凝土结构耐久性的分析,确定把破损形态作为混凝土结构耐久性极限状态的控制目标.本着结构全寿命设计理念,基于结构抗力与环境作用的时变性,提出了极限破损状态控制目标的结构全寿命、分阶段的耐久性设计体系,以期完善结构耐久性设计体系.     

碳化作用下基于可靠度的混凝土结构耐久性设计方法研究

对碳化作用下基于可靠度的混凝土结构耐久性设计方法进行了研究。首先确定碳化作用对应的结构耐久性极限状态和可靠指标,然后选择碳化深度预测模型,以设计使用寿命模式建立失效概率方程,最后在满足结构设计使用年限的条件下综合确定结构与材料的耐久性指标,并给出不同环境条件下的计算实例。     

混凝土结构耐久性设计方法与寿命预测研究进展

由混凝土结构耐久性定义入手,首先评述现有的混凝土结构耐久性设计方法,提出耐久性设计的发展应结合结构全生命周期成本(SLCC)的理念;其次总结了结构耐久性的评估和寿命预测方法的研究现状,认为耐久性的评估与寿命预测需要研究确立反映结构使用寿命的耐久性指标,并建立基于动态评估方法的寿命评估体系;最后提出上述方面发展领域尚待解决的一些基本问题,包括:界定给定环境和使用要求下的混凝土结构耐久性失效极限状态;确定表征材料与结构耐久特征的指标与参数;建立耐久性动态检测数据分析理论等。     

混凝土结构碳化耐久性的分项系数设计法

混凝土结构耐久性设计中的一个重要方法就是概率极限状态设计法,这种方法根据描述耐久性劣化过程的数学模型,首先建立耐久性极限状态方程,再将环境作用与抗力作用的某个特征值与相应的分项系数代入极限状态方程,经验算就可在一定可靠度水准上得到耐久性设计参数的设计值。选用合适的设计参数是混凝土结构耐久性设计的关键问题,设计参数应具有明确的物理意义和容易掌握的统计规律,且易为设计人员所接受。根据理论与经验相结合的碳化深度模型,建立了考虑保护层厚度与混凝土强度两个随机变量的碳化耐久性的分项系数设计方法,提出了碳化寿命准则极限状态的目标可靠指标的建议值,计算确定了保护层厚度与混凝土抗压强度满足目标可靠指标的分项系数,由此给出了碳化寿命准则的耐久性设计表达式。该耐久性分项系数设计法适用于一般大气环境下任意设计使用年限的不允许出现钢筋锈蚀的混凝土结构,根据设计表达式可直接确定满足耐久性要求的保护层厚度与混凝土强度。     

混凝土结构耐久性设计原则、方法与标准

结合最新颁布的《混凝土结构耐久性设计标准》(GB/T 50476—2019)综述混凝土结构耐久性的总体设计原则、方法和规定。结合混凝土结构耐久性的定义,分析耐久性设计的三要素：性能劣化、耐久性极限状态以及设计使用年限,强调耐久性设计需要向全寿命耐久性规划拓展。结合标准规定,解析使用环境分类和等级划分表示性能劣化、耐久性极限状态以及设计使用年限针对整体结构与构件的不同含义。然后,结合定性设计方法分析典型环境下材料和构件层次上耐久性规定以及耐久性指标,针对防腐蚀附加措施和后张法预应力体系分析耐久性多重保护的理念。综述表明,标准最大程度总结了我国混凝土结构耐久性科学认识与工程实践,发展基于模型的性能化设计、设计阶段系统开展维护设计、推动耐久性多屏障设计理念是耐久性标准将来的发展方向。     

混凝土结构全寿命等耐久性设计的理论框架

为延长混凝土结构的寿命,实现混凝土结构可持续发展,节约成本和资源,提高结构在寿命周期内的经济效益,基于等耐久性设计和全寿命设计理念,提出了全寿命等耐久性设计方法,指出了其核心研究内容,并对设计方法的基本思路、理论框架、设计过程进行了研究。结果表明:全寿命等耐久性设计方法具有均衡结构耐久能力、延长使用寿命、减小全寿命成本的优点,可在结构设计的初步设计阶段发挥作用;将全寿命等耐久性设计方法应用于成本投入高、使用周期长的混凝土结构（如桥梁结构）,有望带来可观的经济效益。     

氯离子侵蚀环境下基于可靠性的混凝土结构耐久寿命预测

对氯离子侵蚀作用下基于可靠性的混凝土结构耐久寿命预测进行了研究。首先,确定氯离子环境作用下对应的性能水准和结构耐久性极限状态,然后,选择氯离子侵蚀深度模型和钢筋锈胀模型,以极限状态模式建立失效概率方程,在满足规定的失效概率条件下,确定结构的耐久性寿命,并给出不同性能水准的计算实例。结果表明,基于可靠性的混凝土结构耐久寿命预测方法与工程实例调查结果相一致,该方法可以有效地用于氯离子侵蚀环境下结构耐久寿命预测。     

混凝土结构的耐久性设计方法

本文提出了依据结构的工作环境，设计使用寿命，耐久性极限状态和抵抗环境作用的能力进行混凝土结构耐久性设计的方法，并以一般大气环境中的混凝土结构为例，说明如何运用这种方法进行久性设计。     

钢筋混凝土结构适用耐久性分析

针对钢筋混凝土适用耐久性的2种极限状态,即碳化耐久性极限状态和锈胀开裂耐久性极限状态,运用可靠性结构原理.在可靠度水准上提出确定混凝土结构或构件碳化和锈胀开裂寿命的计算方法。     

氯盐侵蚀下结构混凝土服役寿命的可靠度分析

为了全面考虑随机因素对氯盐侵蚀下结构混凝土耐久性的影响,研究建立了氯盐环境下混凝土服役寿命分析的可靠度随机边界元法。首先基于全时域初值推进法研究建立了混凝土中氯离子随机时变扩散分析的摄动随机边界元法,进而基于正常使用极限状态建立了混凝土结构服役寿命分析的可靠度分析格式,据此研究了保护层厚度、氯离子扩散系数等随机参数对结构混凝土服役寿命的影响,克服了传统的随机边界元法的缺陷。结果表明,混凝土材料及氯盐腐蚀环境的随机性、混凝土结构几何外形所导致的二维扩散现象等对氯盐环境下混凝土结构的服役寿命具有显著影响,在耐久性设计中必须合理考虑才能保障使用寿命。     

高性能混凝土综述

天津作为沿海城市，受恶劣地质条件影响，普通混凝土结构损坏快、寿命短已成为突出问题。现代混凝土技术工艺，能够通过科学选择混凝土组成材料与设计配合比、良好施工质量控制，获得高耐久性、高工作性或高强度混凝土，即高性能混凝土（HPC）。针对结构所处环境条件，设计应用HPC建设结构，能够大幅度延长结构使用寿命和减少养护维修费用。因此，HPC将成为新时期天津市政等大型工程建设的优选材料。     

市政道路几种路面铺设材料的寿命周期成本比较

寿命周期成本分析(LCCA)是现代道路基础设施设计和系统选择过程中必不可少的组成部分。在对道路路面结构和铺设材料进行方案选择时,LCCA不仅要评价初始的建造费用,还要评价使用过程中的维护和修复费用。道路路面结构的初始实际使用寿命、使用过程中所发生的修复处理,取决于多种因素,包括交通类型、荷载的构成、维护保养的时间间隔、环境因素(例如大气温度和降雨量)等。为研发一种有可比性的成本评价方法,以进行不同类型路面的全寿命周期成本分析,有必要了解修复的时间安排、修复类型和修复工程量以及它们的使用寿命。LCCA对于在设定分析期间内建造和维护一种路面所必须的所有成本都进行了量化,设定分析期一般为25～50年;通过使用贴现率,把未来发生的费用折合为现在的价格,贴现率考虑了未来预期的通货膨胀率和银行存款利息率。输入这些数据有助于确定未来维护和修复费用的净现值。在某些特殊的场合,通过比较两种或者多种类型的路面结构和铺设面材的全寿命周期使用成本,为选择最好的路面结构方案,提供了做出有根据决策的可能性。所开发的LCCA软件工具,使预先检验不同设计方案、确定哪种路面结构在整个使用周期内取得最大成本效益成为可能。为获取连锁混凝土路面砖铺设后的全寿命周期的使用成本,需对路面设计、维护和修复程序进行适当的说明。使用LCCA软件,分别对传统柔性沥青路面、刚性混凝土现浇路面、连锁混凝土路面砖路面的全寿命周期使用成本进行分析。近年来随着全球沥青价格的上扬,这点正在变得日益重要。本文概述了LCCA的指导原则和便于使用的电子数据表格模式;对低交通量市政道路在采用柔性材料路面、刚性材料路面或连锁混凝土路面砖路面的三种状况,进行了设计及用LCCA进行对比,证实了连锁混凝土路面砖路面的全寿命周期使用成本,要低于传统沥青路面和现浇混凝土路面。在这项对比分析时,预先假设路面为一般设计寿命、典型的路基基础材料和预期的交通负荷。     

结构全寿命的耐久性与安全性、适用性的关系

在结构可靠度分析和设计中,尚未考虑耐久性对结构安全性和适用性的影响,缺乏相应的耐久性失效准则,对耐久性概念的认识还存在一定的分歧,针对上述存在的问题,从结构全寿命的角度出发,分析了安全性、适用性和耐久性三者的基本概念,明确了三者的基本内涵。通过分析影响结构抗力变化的各种因素,结构性能随时间变化的过程,指出在结构全寿命期内,不同的耐久性水平对结构安全性和适用性将产生不同的影响,三者之间是相互制约、相互影响的交叉关系,重新定义了结构的耐久性。提出了基于性能设计的耐久性极限状态设计新理念,同时指出性能极限状态设计可根据不同的耐久性要求,定义不同的耐久性极限状态,对同一结构构件,若采用不同的性能极限状态,结构的失效概率或使用寿命会有较大的差别。     

建筑、桥涵和水工三种混凝土结构设计规范比较

由于结构构件所处环境、结构可靠度要求以及使用特点等不同,各类混凝土结构设计规范存在很大差异。为了体现＂大土木＂的教育思想,分别从适用范围、工作环境、耐久性要求、材料性能、结构分析方法、素混凝土构件计算、构件承载能力极限状态设计、正常使用极限状态设计、预应力混凝土构件计算等几个方面,对我国的建筑、桥涵和水工三种混凝土结构设计规范进行了较为全面和详细的对比,并指出了之所以产生差异的原因,以供学习者和设计者参考。     

碳化后的混凝土剩余使用寿命的研究

混凝土结构存在使用寿命的问题。对结构进行剩余使用年限的评定可及时对结构进行维护,减少维护的费用,揭示潜在的危险。在混凝土碳化的耐久性极限状态的研究基础上,对混凝土构件经过一定碳化损伤后,对剩余使用年限进行研究。     

混凝土结构等耐久性设计方法

针对混凝土结构耐久性能不均衡的现象,在混凝土等截面耐久性设计的基础上提出了混凝土结构等耐久性设计方法,并明确了该方法的定义。首先将结构进行分层模块化划分,基于等耐久性原则确定各层次的目标使用寿命,然后进行使用寿命设计,使各层次的耐久性使用寿命达到目标要求; 在构件截面层次上,对截面的角部采取措施避免截面角部钢筋提前锈蚀引起耐久性失效,实现截面的等耐久性。提出了结构分层模块化划分的规则和方法及基于等耐久性原则的目标使用寿命确定方法和过程; 对于耐久能力严重不足的部位(角部),将钢筋替换为不锈的纤维增强复合材料(FRP)筋,避免过早使耐久性失效,其余部位通过调整保护层厚度使结构达到等耐久性的要求。由于局部环境不同,同种类型的构件需要设置不同的保护层厚度才能实现等耐久性的目标。提出了等耐久性设计的总体过程及不同耐久性等级的使用寿命安全系数取值范围,并通过一个混凝土桥算例说明了截面和结构层次等耐久性设计过程。结果表明:等耐久性设计可以优化选择各类构件的耐久寿命,合理安排初始投资,减少大修次数,降低结构后期维修成本,延长结构寿命,实现混凝土结构的可持续发展。     

结构耐久性设计的混凝土保护层厚度

目前世界各国钢筋混凝土设计规范中的耐久性设计均通过一系列条文实现 ,无法确定目标使用年限 ,而且也无法表示不同措施对结构耐久性的影响程度是这种方法的主要缺陷。要改进这些缺陷 ,需在设计阶段明确结构使用寿命的要求 ,为此必须对结构构件抗力及适用性的衰减过程、极限状态、可靠性指标有一个明确的认识。在总结碳化钢筋腐蚀耐久性研究成果的基础上 ,提出了针对碳化钢筋腐蚀条件下钢筋混凝土构件中混凝土保护层厚度的要求     

混凝土结构耐久性控制区及设计参数的定量分析

现行规范的混凝土结构耐久性设计方法难以定量分析结构几何参数、环境作用等级、材料性能衰退等因素对结构服役寿命的影响。为此,针对氯化物腐蚀环境,提出了混凝土结构的耐久性控制区,并建立了混凝土结构耐久性设计参数的定量分析方法。首先基于混凝土中氯离子扩散补偿理论和结构几何外形建立混凝土结构的耐久性控制区模型;然后结合Fick第二定律,建立不同扩散维数下混凝土结构的耐久性定量分析模型,据此合理选取耐久性设计参数,并通过定量分析确定其取值。最后结合工程实例和设计规范对比验证了文中方法的有效性和适用性。研究表明,所提方法能够综合考虑混凝土结构几何外形及尺寸、环境作用等级、初始暴露龄期和材料性能衰退等因素对混凝土结构服役寿命的影响,可以有效克服现行规范耐久性设计方法中设计参数重复设置,不能有效反映材料性能衰退和结构几何外形的影响等不足。