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。     

混凝土桥梁的优化等耐久性设计

混凝土结构截面耐久性不等,是设计中不合理现象.本文以常遇大气环境下的混凝土桥梁为分析对象,从截面内钢筋脱钝时间相等入手,提出了混凝土桥梁等耐久性设计原则和方法;依据年均投资额的比较,提出了混凝土桥梁耐久性优化设计方法;算例说明:优化等耐久性设计可较大程度地延长桥梁结构耐久寿命,具有较好的经济效益.     

考虑全寿命性能和成本的碳化腐蚀下RC梁桥耐久性参数确定方法

发展了考虑时变温度效应的腐蚀开始时间模型和碳化腐蚀率模型,以混凝土保护层厚度、水灰比以及钢筋直径等参数为设计变量,建立钢筋混凝土(RC)梁桥耐久性设计全寿命概率成本模型。以寿命期内全寿命成本现值最小为优化目标、寿命期基于锈胀开裂的正常使用性能为约束条件,提出大气环境下RC梁桥全寿命耐久性优化设计模型,构建大气环境下RC梁桥基于成本-效益的耐久性参数确定新方法,为大气环境下RC梁桥全寿命过程耐久性设计参数确定提供了新的思路。计算发现RC梁桥的全寿命性能与钢筋的位置和直径有关。对于大气环境条件下受碳化腐蚀的RC梁桥,采用初始成本最优得到的耐久性设计参数不满足全寿命耐久性能要求。综合考虑全寿命成本和性能时,当保护层厚度为30mm和水灰比为0.45时,尽管考虑将来累积碳化腐蚀损伤效应,提高混凝土保护层厚度和混凝土强度不能降低全寿命成本,反而增加初始造价,不是成本效益比最优的耐久性设计对策。     

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.     

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。     

混凝土结构材料耐久性的研究现状与发展趋势

混凝土结构的耐久性问题是一个十分复杂的工程问题,不仅影响到结构的使用寿命,更加影响到整个社会的经济效益。本文介绍了混凝土结构耐久性的研究现状,详细阐述了混凝土结构耐久性的影响因素、研究方法以及耐久寿命的定义,重点介绍了混凝土结构材料耐久寿命预测的研究方法,最后提出了混凝土结构耐久性需进一步研究的问题。     

UHPC污水管道试设计及成本分析

普通混凝土排水管在使用中常发生受污水腐蚀而破坏的问题,为提高排水管的使用年限,可采用具有高耐久性的超高性能混凝土（UHPC）制备管材。文章以福州市某污水干管建设项目为背景,采用UHPC替换原管材的C50混凝土进行D1800污水干管试设计。通过结构计算和成本分析,结果表明：试设计的UHPC管材能够满足结构受力的要求,与C50普通混凝土排水管相比,自重减轻50.1%,接头减少,能够有效提高施工效率。虽然UHPC排水管的材料成本有所增加,但其耐久性优异,管道寿命大幅延长,全寿命周期综合成本将低于普通混凝土。     

基于延寿-减碳目标的混凝土结构耐久性控制策略研究

延长结构服役寿命是减少结构全寿命周期碳排放的有效途径。提出了一种综合考虑混凝土结构服役寿命和碳排放的耐久性控制策略分析方法。基于可靠性理论，考虑混凝土结构耐久性能劣化过程三个阶段的规律，研究不同耐久性控制策略对结构可靠度的影响，建立了基于混凝土结构耐久性控制策略的寿命计算模型和碳排放计算模型，提出了描述结构减碳效果的量化指标。通过比较不同耐久性维护和修复方法的延寿效果和碳排放组成，针对工程案例，分别考虑结构的建成状态和既有状态，计算获得不同耐久性控制策略下的服役寿命和年均碳排放量，对比不同策略的延寿和减碳效果。结果表明，耐久性控制策略最高可延长案例结构约22年的服役寿命，并获得8.76%的减碳收益率，在工程实践中应尽早对混凝土结构采取耐久性控制策略以更好地实现结构延寿-减碳目标。     

混凝土结构耐久性研究的新进展

从混凝土结构耐久性设计、评估和寿命预测等方面总结了国内外混凝土结构耐久性的研究现状,展望了混凝土结构耐久性研究的发展趋势,并提出当前混凝土结构耐久性研究亟待解决的几个问题,以期为更深入研究混凝土结构耐久性提供参考和借鉴.     

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。     

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     

钢筋混凝土结构基于耐久性的可靠度设计方法

对处于氯盐环境中的混凝土结构,为使其在设计使用寿命期内具有合格的可靠度要求,基于结构抗力劣化过程的动态计算模型及动态可靠度分析,在我国 现行结构可靠度设计表达式基础上,引入结构耐久性系数γD来考虑抗力衰减对可靠指标的影响,并给出了耐久性系数的确定方法。针对50年设计使用年限 情况,考虑港口结构3种荷载组合以及5种可变荷载与恒载效应比影响,给出不同的环境条件、水灰比、保护层厚度下结构耐久性系数γD的取值。从而建立 了基于耐久性的可靠度设计实用方法。     

氯盐环境钢筋混凝土构件服役寿命计算

根据混凝土构件承载力的耐久性退化作用,建立了腐蚀环境作用下混凝土结构的3阶段服役寿命理论模型:诱导期、退化期和破坏期;即钢筋表面的自由氯离子浓度达到锈蚀临界值的时间、混凝土结构的主要材料(混凝土和钢筋)达到其材料耐久性破坏的限值、混凝土结构的承载力降低到安全使用极限状态作为各阶段的时间节点.基于氯离子扩散计算模型、钢筋...     

考虑施工需求的混凝土结构耐久性定量设计参数协调取值方法

由传统耐久性设计方法所确定的混凝土结构一维和二维扩散区的耐久性定量设计参数取值往往互不相同,导致混凝土的制备和施工浇筑存在困难。鉴于此,提出了考虑施工需求的混凝土结构耐久性定量设计参数的协调取值方法。首先考虑氯离子扩散系数的时变特性,推导了混凝土结构中一维和二维扩散区氯离子浓度分布的时变解析模型;然后分析了混凝土结构角部箍筋弯折对混凝土附加保护层厚度的影响,并依据不同扩散区耐久性定量设计参数的协调一致性要求,建立了箍筋协调弯弧内半径的计算表达式,进而提出了混凝土结构耐久性定量设计参数的协调取值方法,从而满足对于同一截面上具有不同扩散区的构件能够一次性完成混凝土浇筑的施工需求。分析表明,该方法基于箍筋协调弯弧内半径和耐久性定量设计确定混凝土结构的耐久性设计参数取值,使混凝土结构能够在规定的腐蚀环境作用下满足预定的设计使用年限要求,从而克服传统耐久性设计方法所存在的缺陷。     

基于气候环境作用的混凝土材料与结构使用寿命预测方法

为了提升自然气候环境下钢筋混凝土结构使用寿命的预测精度,以混凝土受氯盐侵蚀为背景,分析了钢筋混凝土结构使用寿命的全过程,并给出各关键阶段使用寿命的计算模型;基于气候环境作用谱、混凝土微环境响应谱以及钢筋锈蚀速率时变模型的相关研究成果,提出新建混凝土结构耐久性设计的使用寿命预测方法,并给出算例说明;基于混凝土内钢筋锈蚀量的等效,提出混凝土材料与结构耐久性试验中的加速老化因子概念,并提出了基于人工气候环境耐久性试验的使用寿命预测方法。结果表明:该方法可以提高新建混凝土结构使用寿命的预测精度,并且使人工气候环境耐久性试验的设计更具有针对性。     

Durability problems of lining structures for Xiamen Xiang’an subsea tunnel in China

Durability problem of reinforced concrete for underground structures is a hot issue in the field of structural engineering.For underground structures,the prediction of structural service life and methodology for durability design are needed to estimate structural durability.Taking the case of Xiamen Xiang’an subsea tunnel as background,which is designed to meet the requirement of 100-year service life,the influential factors on tunnel lining durability are analyzed.Under the criteria of crack controlling and bearing capacity of lining structures,the theoretical service life of Xiamen Xiang’an subsea tunnel lining is studied.The regulations,which are needed for the diffusion capability of chloride ions in concrete by the relevant diffusion tests,are proposed.After a quick corrosion test,the bearing capacity test on eccentric short columns is implemented to investigate the variation rules in the bearing capacity of models with time.Influence of the corrosion degree of steel bars on the bearing capacity of models is also investigated.Based on the results of model tests,the acceleration ratio between the quick corrosion in laboratory test and the natural corrosion environments is established.Thus,the natural service life of subsea tunnel lining structures can be obtained by means of laboratory tests.Then,the proposed method using this modified model is employed to predict the service life of tunnel lining structures.Finally,the design and construction measures for improving the durability of lining structures of subsea tunnel are introduced.The proposed method in the present study based on a real engineering project is superior to those with only theoretical assumptions,and would be more suitable for similar projects.