陳 琳，屈文俊，朱 鵬，肖 杰

(1.上海寶冶集團(tuán)有限公司，上海 200941；2.同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系，上海 200092；3.廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引 言

混凝土結(jié)構(gòu)在使用荷載、環(huán)境的共同作用下會發(fā)生耐久性退化現(xiàn)象，這種耐久性退化現(xiàn)象在結(jié)構(gòu)上不是同時(shí)出現(xiàn)的，某些部位發(fā)生耐久性損傷的時(shí)間會明顯比其他部位要早，在混凝土結(jié)構(gòu)上，耐久性能是不均衡的?；炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性不均衡可以體現(xiàn)在構(gòu)件截面和結(jié)構(gòu)整體2個(gè)層次上。

在構(gòu)件截面層次上，影響不同邊、角部位耐久性能差異的因素包括角部雙向碳化作用、角部氯離子雙向傳輸、應(yīng)力狀態(tài)、風(fēng)向等。在一般大氣環(huán)境下，構(gòu)件截面角部的碳化速度快于一般邊部碳化速度[1]，角部耐久性壽命明顯短于一般邊部區(qū)域[2]，受拉邊耐久性壽命短于受壓邊[3]，直接受風(fēng)壓面的混凝土碳化速度快于間接受風(fēng)壓面[4]。在海洋區(qū)域，構(gòu)件角部氯離子侵蝕速度明顯快于一般邊部[5]，背風(fēng)面更容易產(chǎn)生氯離子積累[6]，耐久性壽命更短。

在結(jié)構(gòu)層次上，耐久性能的不均衡性和結(jié)構(gòu)類型、構(gòu)件位置及環(huán)境作用的形式等因素有關(guān)。例如，挪威沿海開放式港口工程的調(diào)查表明，平板式結(jié)構(gòu)的長期工作性能優(yōu)于梁板式結(jié)構(gòu)，這主要是因?yàn)橄鄬τ诹喊迨浇Y(jié)構(gòu)中的主次梁，平板在施工中更容易澆筑和搗實(shí)，施工質(zhì)量容易保證[7]；相對于簡支梁橋，連續(xù)梁橋的梁下蓋梁的病害會比較少，這主要是因?yàn)闃蛎娴倪B續(xù)避免了伸縮縫處水流的滲漏[8]；同樣是橋梁的主梁，位于外部的主梁與環(huán)境直接接觸面比較多，更易發(fā)生耐久性損傷[9]。

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能不均衡可能帶來的后果是：①從使用壽命角度來說，在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的某個(gè)部位發(fā)生耐久性失效時(shí)，需要對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進(jìn)行大修或更換，而此時(shí)結(jié)構(gòu)的其他部位還處于比較好的狀態(tài)，這種耐久性能不均衡的現(xiàn)象意味著使用壽命的提前終結(jié)；②從經(jīng)濟(jì)角度來說，不同部位耐久性能不均衡，耐久性失效時(shí)間參差不齊，每次結(jié)構(gòu)大修或更換行為都會產(chǎn)生一定的成本，其中一部分固定成本與維修規(guī)模無關(guān)，如機(jī)械使用費(fèi)、用戶成本等，多次大修或更換行為會產(chǎn)生多次固定成本，這種耐久性能不均衡現(xiàn)象意味著經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。

基于以上兩點(diǎn)，如果在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期就預(yù)先判斷可能發(fā)生耐久性薄弱區(qū)的位置，并有針對性地采取措施提高薄弱區(qū)的耐久性能，則有助于優(yōu)化結(jié)構(gòu)整體的耐久性能，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。這種在結(jié)構(gòu)層次和構(gòu)件層次上的耐久性能都相對均衡的結(jié)構(gòu)稱為等耐久性的結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)初期就采取措施使結(jié)構(gòu)耐久性能相對均衡的設(shè)計(jì)方法稱為等耐久性設(shè)計(jì)方法。

屈文俊等[10-11]提出了混凝土截面的等耐久性設(shè)計(jì)概念，其基本思想是采取措施保護(hù)混凝土構(gòu)件受拉區(qū)角部鋼筋，延緩角部混凝土因銹脹裂時(shí)間，使混凝土截面各邊、角部混凝土因銹脹裂時(shí)間的均值相等。構(gòu)件層次的等耐久性設(shè)計(jì)采取的方法有：在混凝土受拉區(qū)角部設(shè)置涂覆材料[11]，將受拉區(qū)角部鋼筋置換成不銹的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)筋[12]，受拉區(qū)混凝土采用耐久性良好的活性粉末混凝土(RPC)[13]等。

在混凝土截面等耐久性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文提出了混凝土結(jié)構(gòu)的等耐久性設(shè)計(jì)方法，明確了該方法的定義和思路，研究了該方法的主要過程，用算例說明了等耐久性設(shè)計(jì)的整個(gè)過程。

1 等耐久性設(shè)計(jì)的定義和思路

等耐久性設(shè)計(jì)方法是一種采用設(shè)計(jì)手段有針對性地加強(qiáng)薄弱區(qū)的耐久性能、改善混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能不均衡性的耐久性設(shè)計(jì)方法。使用壽命實(shí)質(zhì)上是耐久性能的一種度量，實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能均衡就是使組成混凝土結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分的耐久性使用壽命保持一致。然而，混凝土結(jié)構(gòu)是由不同類型的構(gòu)件通過一定規(guī)則組成的復(fù)雜的整體，各類型構(gòu)件的材料、功能、可更換性均不相同，所以將所有構(gòu)件都設(shè)計(jì)成相同的使用壽命是不現(xiàn)實(shí)的。

等耐久性設(shè)計(jì)比較合理的思路是：對結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件進(jìn)行分類，根據(jù)等耐久性原則將不同類型構(gòu)件的使用壽命進(jìn)行匹配，分別確定各構(gòu)件的目標(biāo)使用壽命，再對各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)以達(dá)到目標(biāo)使用壽命的要求，在構(gòu)件層次上，采取措施避免截面角部鋼筋提前銹蝕引起耐久性失效，形成等耐久性截面。

混凝土結(jié)構(gòu)等耐久性設(shè)計(jì)的定義為：將混凝土結(jié)構(gòu)中構(gòu)件進(jìn)行分類，各類構(gòu)件設(shè)計(jì)等同的耐久壽命，構(gòu)件實(shí)現(xiàn)截面等耐久性的設(shè)計(jì)方法。其意義在于優(yōu)化選擇各類構(gòu)件的耐久壽命，合理安排初始投資，減少大修次數(shù)，降低結(jié)構(gòu)后期維修成本，延長結(jié)構(gòu)壽命，實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展。

2 目標(biāo)使用壽命的確定

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所要求的目標(biāo)使用壽命是針對其結(jié)構(gòu)主體而言的，組成結(jié)構(gòu)的構(gòu)件不一定都需要達(dá)到這個(gè)要求，由于構(gòu)件的類型、材料等不同，有些構(gòu)件需要在使用過程中加以更換。由于不同構(gòu)件的使用壽命存在差異，為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的等耐久性設(shè)計(jì)，可以將結(jié)構(gòu)看作“分層模塊化體系”，對分層模塊化體系中的不同模塊、構(gòu)件進(jìn)行合理的目標(biāo)使用壽命規(guī)劃匹配設(shè)計(jì)。

2.1 結(jié)構(gòu)的分層模塊化劃分

根據(jù)尺度、功能、環(huán)境條件等將結(jié)構(gòu)體系劃分為7個(gè)不同的層次：結(jié)構(gòu)層、次結(jié)構(gòu)層、一級模塊層、二級模塊層、構(gòu)件層、次構(gòu)件層、表面層，每個(gè)層次都有其劃分規(guī)則(表1)，其中前面4個(gè)層次依結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況可以適當(dāng)省略。需要特別指出的是，專門劃分出“表面層”是因?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)的耐久性損傷多是從混凝土表面開始表現(xiàn)出來的，同一構(gòu)件不同表面可能遭受到的環(huán)境作用不同，劃分出表面層有助于實(shí)現(xiàn)截面的等耐久性設(shè)計(jì)。圖1為結(jié)構(gòu)分層模塊化體系劃分情況的一個(gè)樹狀示意圖。

表1 結(jié)構(gòu)不同層次的劃分規(guī)則

圖1 結(jié)構(gòu)分層模塊化體系

為便于對結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)和描述，對結(jié)構(gòu)的分層模塊化體系進(jìn)行編號，編號示意如Ⅰ.A1.001.002.a，其規(guī)則如下：

(1)第1項(xiàng)羅馬字母Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，…表示次結(jié)構(gòu)的序號，如果體系中忽略次結(jié)構(gòu)，則Ⅰ表示結(jié)構(gòu)整體。

(2)第2項(xiàng)大寫字母A，B，C，…表示一級模塊層的序號，大寫字母后所跟的數(shù)字表示二級模塊層的序號，如果體系中忽略二級模塊，則只有大寫字母表示一級模塊。

(3)第3項(xiàng)數(shù)字001表示模塊中構(gòu)件的編號。

(4)第4項(xiàng)數(shù)字002表示次構(gòu)件的編號。

(5)第5項(xiàng)小寫字母a，b，c，…表示表面層的編號。

2.2 基于等耐久性原則的目標(biāo)使用壽命確定

結(jié)構(gòu)不同模塊的功能和受力狀態(tài)不同，目標(biāo)使用壽命也是不同的。以橋梁結(jié)構(gòu)為例，一般來說，基礎(chǔ)、墩、主梁等的使用壽命被認(rèn)為應(yīng)當(dāng)與結(jié)構(gòu)整體的使用壽命相同，板、路面等被認(rèn)為在使用期內(nèi)可以維修和更換，其使用壽命可以短于結(jié)構(gòu)整體使用壽命。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的每一次維修或更換都會帶來一部分的固定成本，多次維修不便于實(shí)現(xiàn)降低全壽命成本的目標(biāo)；因此，從降低多次維修帶來的固定成本的角度上看，實(shí)現(xiàn)模塊間的使用壽命匹配變得比較重要。

等耐久性原則是使多個(gè)構(gòu)件或模塊在同一時(shí)間發(fā)生失效，一次性對多個(gè)構(gòu)件或模塊進(jìn)行維修，降低由于失效時(shí)間參差不齊而必須進(jìn)行多次維修帶來的多次固定成本。具體可執(zhí)行的目標(biāo)壽命規(guī)劃方法為：使一級模塊的壽命值為倍數(shù)關(guān)系[式(1),(2)]，使隸屬于同一一級模塊的二級模塊的壽命值相等[式(3)]。

LA=LB=mLD

(1)

LD=LE=nLF

(2)

LD1=LD2

(3)

式中：L為使用壽命；m，n為正整數(shù)；A，B，D，E，F(xiàn)，D1,D2等為模塊序號。

在模塊化的壽命規(guī)劃過程中應(yīng)當(dāng)綜合考慮環(huán)境技術(shù)水平、構(gòu)件更換的難易程度、全壽命的經(jīng)濟(jì)性等因素。

2.3 目標(biāo)使用壽命確定的過程

基于等耐久性原則的目標(biāo)使用壽命確定過程如下：①對業(yè)主和使用者的需求進(jìn)行調(diào)查；②對結(jié)構(gòu)的用途和使用條件進(jìn)行調(diào)查；③確定結(jié)構(gòu)整體的目標(biāo)使用壽命；④形成結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)方案；⑤將結(jié)構(gòu)劃分為分層模塊化體系；⑥確定模塊或構(gòu)件的目標(biāo)使用壽命。

3 等耐久性設(shè)計(jì)方法

根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)等耐久性設(shè)計(jì)思路，將使用壽命作為耐久性衡量和設(shè)計(jì)的目標(biāo)參數(shù)[8]。經(jīng)過等耐久性設(shè)計(jì)的混凝土結(jié)構(gòu)中每個(gè)構(gòu)件的每個(gè)部位均應(yīng)滿足目標(biāo)使用壽命的要求[式(4)][14]。結(jié)構(gòu)等耐久性設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上就是目標(biāo)使用壽命的設(shè)置和設(shè)計(jì)使用壽命的控制。

td≥tg

(4)

td=μ(ts)/γg

(5)

式中：tg為目標(biāo)耐久性使用壽命，根據(jù)本文第2節(jié)的方法和步驟進(jìn)行預(yù)先設(shè)定；td為設(shè)計(jì)耐久性使用壽命，是設(shè)計(jì)方案在一定保證率下的壽命值；μ(ts)為預(yù)期使用壽命的均值；γg為壽命安全系數(shù)，與耐久性等級、目標(biāo)可靠指標(biāo)等因素有關(guān)。

將公式(5)代入公式(4)可以得到，在進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)期使用壽命的均值應(yīng)當(dāng)滿足公式(6)的要求。由此可見，通過壽命安全系數(shù)γg，將對設(shè)計(jì)使用壽命的要求(基于一定允許失效概率)轉(zhuǎn)化為了對預(yù)期使用壽命均值的要求。

μ(ts)≥γgtg

(6)

3.1 使用壽命安全系數(shù)

使用壽命安全系數(shù)與耐久性要求和目標(biāo)可靠指標(biāo)直接相關(guān)，受業(yè)主和用戶的要求、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要程度、修復(fù)損傷的可能性、失效產(chǎn)生的后果等因素影響。重要程度越高、破壞后可修復(fù)性越差、破壞造成損傷越嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)時(shí)的耐久性要求越高，允許失效概率越低，目標(biāo)可靠指標(biāo)越高，使用壽命安全系數(shù)也越大。

用耐久性等級來描述對耐久性的基本要求，即結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在可能遇到的各種作用下容許破壞的最大程度。根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能影響因素和機(jī)理的分析，性能演變過程的分析和目前結(jié)構(gòu)耐久性的研究成果，建議將混凝土結(jié)構(gòu)耐久性水平劃分為如表2所示的3個(gè)等級。由于結(jié)構(gòu)在發(fā)生較為嚴(yán)重的耐久性損傷時(shí)會引起人們的重視，會對耐久性損傷進(jìn)行修復(fù)，不會任由其發(fā)展至影響結(jié)構(gòu)安全性的程度，因此這里定義的耐久性等級只停留在正常使用的范疇。

結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的耐久性等級是在進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)前應(yīng)當(dāng)明確的內(nèi)容。類似于安全等級的要求，構(gòu)件宜與結(jié)構(gòu)整體采用相同的耐久性等級，但允許對部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)其重要程度和綜合經(jīng)濟(jì)效果進(jìn)行調(diào)整。如某一構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中屬于重要的受力構(gòu)件且維修成本較高，則可以將該構(gòu)件的耐久性水平提高一級；相反，某構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中的重要程度較低，同時(shí)維修更換簡單且費(fèi)用較低，則可以將該構(gòu)件的耐久性水平降低一級。

表2 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性等級

耐久性等級從一級到三級，結(jié)構(gòu)失效的后果越來越嚴(yán)重，維修成本越來越高，因此，目標(biāo)可靠指標(biāo)也應(yīng)該越來越高。不同的耐久性等級下，目標(biāo)可靠指標(biāo)的建議取值如表3所示，具體的取值應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的重要程度和具體的極限狀態(tài)來確定。

表3 耐久性極限狀態(tài)目標(biāo)可靠指標(biāo)

使用壽命安全系數(shù)與目標(biāo)可靠指標(biāo)有關(guān)，同時(shí)與使用壽命的分布類型和變異系數(shù)有關(guān)。經(jīng)過對一般大氣環(huán)境和氯鹽環(huán)境下耐久性使用壽命進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，使用壽命服從對數(shù)正態(tài)分布，在2種情況下使用壽命的變異系數(shù)變化范圍分別為0.32～0.41，0.38～0.52；可見，環(huán)境作用下使用壽命的變異系數(shù)較大。根據(jù)計(jì)算結(jié)果假定在一般大氣環(huán)境下使用壽命的變異系數(shù)為0.4，氯鹽環(huán)境下使用壽命的變異系數(shù)為0.5。在這種假定下計(jì)算不同耐久性等級的壽命安全系數(shù)，取值見表4。這里僅給出了壽命安全系數(shù)的建議取值范圍，具體取值應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的重要性、結(jié)構(gòu)耐久性失效帶來的損失及耐久性修復(fù)的難易程度來確定。重要程度較高的構(gòu)件取建議范圍中的較大值；重要程度一般的構(gòu)件則取建議范圍中的較小值。

表4 使用壽命安全系數(shù)建議取值

3.2 預(yù)期使用壽命的計(jì)算

預(yù)期使用壽命的計(jì)算預(yù)估首先要明確耐久性的技術(shù)指標(biāo)和耐久性極限狀態(tài)。表5給出了3種耐久性等級下使用壽命估計(jì)模型所使用的技術(shù)指標(biāo)和極限狀態(tài)。

表5 使用壽命估計(jì)模型依據(jù)的技術(shù)指標(biāo)和極限狀態(tài)

基于耐久性的技術(shù)指標(biāo)和相應(yīng)的極限狀態(tài)，可以根據(jù)試驗(yàn)或理論研究建立預(yù)期使用壽命的計(jì)算模型。董振平等[15]提出了碳化速度系數(shù)的估算模型，屈文俊等[4]研究了在風(fēng)壓作用下混凝土的碳化速度，El Maaddawy等[16]研究了從鋼筋發(fā)生銹蝕到開始出現(xiàn)銹脹裂縫的時(shí)間模型，Mullard等[17]在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上給出了銹脹裂縫發(fā)展至最大裂縫寬度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停@些對材料退化規(guī)律的研究為預(yù)期使用壽命的計(jì)算預(yù)估提供了可能性。

預(yù)期使用壽命的計(jì)算模型中往往存在較多的隨機(jī)變量，預(yù)期使用壽命的均值可以采用Monte Carlo模擬方法進(jìn)行求解。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，這種做法會過于復(fù)雜，也可以直接對預(yù)期使用壽命的均值進(jìn)行計(jì)算。

假定使用壽命估計(jì)模型為Y=G(X1,X2,…,Xn)，G為隨機(jī)變量X1,X2,…,Xn的函數(shù)，X1,X2,…,Xn相互獨(dú)立且均服從正態(tài)分布，各隨機(jī)變量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為μXi和σXi(i=1,2,…,n)，以上基本假定對實(shí)際工程問題的影響很小，可以滿足工程要求的精度。

等耐久性使用壽命設(shè)計(jì)的主要過程如圖2所示。

圖2 等耐久性設(shè)計(jì)過程

4 設(shè)計(jì)算例

4.1 截面層次等耐久性設(shè)計(jì)

某簡支梁橋的邊主梁為T形截面，初始設(shè)計(jì)的跨中截面普通鋼筋布置如圖3所示，截面中的預(yù)應(yīng)力筋位于普通鋼筋內(nèi)部，圖中未顯示?；炷恋燃墳镃50，底部鋼筋(圖3中①)的直徑為25 mm，其余鋼筋均為10 mm，最外層橫向鋼筋的保護(hù)層厚度均為20 mm。橋梁位于內(nèi)陸地區(qū)，年平均氣溫為14.9 ℃，平均濕度為78%，主導(dǎo)風(fēng)向從圖中左側(cè)吹來，不使用除冰鹽。構(gòu)件目標(biāo)使用壽命為100年，耐久性等級分別為一級、二級、三級時(shí)的使用壽命安全系數(shù)為1.4，1.7，2.0，即預(yù)期使用壽命的均值應(yīng)當(dāng)分別大于140，170，200年。

圖3 初始設(shè)計(jì)的T形梁截面梁跨中截面鋼筋布置(單位:mm)

圖4 T形梁截面表面層劃分

4.1.1 截面表面層劃分和編號

為了方便說明和計(jì)算，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和構(gòu)件布置，對截面進(jìn)行表面層劃分和編號，如圖4所示。圖4中b，c，f，h表示角部，同一條邊有折線的位置考慮為同一表面，如a，d，e，g，i，j，由于構(gòu)件右側(cè)有另一主梁，翼緣右側(cè)有后澆帶，這里不對右側(cè)表面進(jìn)行編號。

4.1.2 影響耐久性能的關(guān)鍵因素

橋梁位于內(nèi)陸地區(qū)且不使用除冰鹽，因此造成結(jié)構(gòu)耐久性能退化的主要因素為碳化作用。

4.1.3 各表面層預(yù)期耐久性壽命均值計(jì)算

采用本文第3.2節(jié)中提到文獻(xiàn)所給出的使用壽命估計(jì)模型，根據(jù)初始設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度和保護(hù)層厚度，計(jì)算各表面層預(yù)期使用壽命均值，如表6，7所示?？紤]到a層表面會設(shè)置鋪裝層，故認(rèn)為該層不會發(fā)生由于鋼筋銹蝕引起的耐久性失效。

4.1.4 截面等耐久性設(shè)計(jì)

從表6，7中可以看出，考慮風(fēng)壓影響系數(shù)時(shí)，初始設(shè)計(jì)的預(yù)期使用壽命大多不能滿足目標(biāo)使用壽命的要求，且角部不滿足要求的情況更嚴(yán)重。不同風(fēng)壓面的預(yù)期使用壽命有較大的差異。根據(jù)等耐久性設(shè)計(jì)原則對截面進(jìn)行等耐久性設(shè)計(jì)，主要采取的措施有2種：①對于嚴(yán)重不滿足要求的部位(角部)，將縱向鋼筋替換為不銹的FRP筋材，角部箍筋也設(shè)置為FRP箍筋，如圖5所示；②對于其他部位，增大保護(hù)層厚度，保護(hù)層厚度以最外層的橫向鋼筋為基準(zhǔn)進(jìn)行。調(diào)整后的保護(hù)層厚度如表8所示。從表8可知：對于不同的表面，滿足計(jì)算要求的保護(hù)層厚度不同，通過這種不同的保護(hù)層厚度設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)截面的等耐久性；對于不同的耐久性等級，滿足計(jì)算要求的保護(hù)層厚度也不同，由此可以看出進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)時(shí)首先確定耐久性等級的重要性。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，為方便施工，可以將保護(hù)層厚度進(jìn)行微調(diào)，使之遵循常用保護(hù)層厚度的模數(shù)規(guī)定，但是最小厚度不能小于表8的要求。

表6 初始設(shè)計(jì)的預(yù)期使用壽命均值(縱向鋼筋)

注：*表示角部。

表7 初始設(shè)計(jì)的預(yù)期使用壽命均值(橫向鋼筋)

圖5 筋材替換區(qū)域

4.2 結(jié)構(gòu)層次等耐久性設(shè)計(jì)

某簡支梁橋主梁由4片T形梁組成，下部結(jié)構(gòu)采用柱式橋墩，初始設(shè)計(jì)某支點(diǎn)處布置如圖6所示。橋梁的使用環(huán)境與前一算例相同。橋梁目標(biāo)使用壽命為100年。各類構(gòu)件的初始設(shè)計(jì)參數(shù)如表9所示。

4.2.1 分層模塊體系的劃分和編號

根據(jù)圖6中所包含的構(gòu)件類別，對該部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，并對構(gòu)件進(jìn)行編號，如圖7和表10所示。

4.2.2 各模塊、構(gòu)件目標(biāo)使用壽命和壽命安全系數(shù)

由于在橋梁使用壽命期內(nèi)上述各模塊均不便于更換，所以所有構(gòu)件的目標(biāo)使用壽命都與橋梁整體的使用壽命相同，為100年。各模塊和構(gòu)件的壽命安全系數(shù)如表11所示。

表8 不同表面保護(hù)層厚度調(diào)整值

圖6 橋墩及上部結(jié)構(gòu)布置(單位:mm)

表9 各類構(gòu)件初始設(shè)計(jì)參數(shù)

圖7 分層模塊化體系及編號

4.2.3 影響耐久性能的關(guān)鍵因素

橋梁位于內(nèi)陸地區(qū)且不使用除冰鹽，造成結(jié)構(gòu)耐久性能退化的主要因素為碳化作用。

4.2.4 各構(gòu)件預(yù)期耐久性壽命均值計(jì)算

根據(jù)上一個(gè)算例可知，角部鋼筋銹蝕所確定的壽命遠(yuǎn)小于邊部鋼筋銹蝕所決定的壽命，可以通過特殊的保護(hù)措施來推遲角部耐久性退化過程，在計(jì)算各構(gòu)件預(yù)期耐久性壽命均值時(shí)，只計(jì)算邊部決定的預(yù)期使用壽命均值，且計(jì)算時(shí)以最外層鋼筋為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，如表12所示，表12中均為耐久性最薄弱表面的預(yù)期使用壽命值。

表10 分層模塊化體系及編號說明

4.2.5 結(jié)構(gòu)等耐久性設(shè)計(jì)

從表12中可以看出，多種構(gòu)件的預(yù)期使用壽命不能滿足目標(biāo)使用壽命的要求，對這部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行等耐久性設(shè)計(jì)主要采取增加保護(hù)層厚度的措施，調(diào)整設(shè)計(jì)后的設(shè)計(jì)參數(shù)如表13所示。從表13中可以看出，對于不同構(gòu)件，滿足計(jì)算要求的保護(hù)層厚度不同，同為主梁的A1和A2，由于局部環(huán)境不同，計(jì)算滿足要求的保護(hù)層厚度相差5 mm，邊梁計(jì)算滿足要求的保護(hù)層厚度大于內(nèi)部梁。對于不同耐久性等級，滿足計(jì)算要求的保護(hù)層厚度也不同，因此進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)時(shí)首先要確定各構(gòu)件的耐久性等級。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，為方便施工，可以將保護(hù)層厚度進(jìn)行微調(diào)，使之遵循常用保護(hù)層厚度的模數(shù)規(guī)定，但是最小厚度不能小于表13的要求。

表11 構(gòu)件的壽命安全系數(shù)

5 結(jié)語

(1)混凝土結(jié)構(gòu)等耐久性設(shè)計(jì)的定義為：將混凝土結(jié)構(gòu)中構(gòu)件進(jìn)行分類，各類構(gòu)件設(shè)計(jì)等同的耐久壽命，構(gòu)件實(shí)現(xiàn)截面等耐久性的設(shè)計(jì)方法。等耐久性設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)就是目標(biāo)使用壽命的確定及使用壽命的設(shè)計(jì)。

(2)提出了結(jié)構(gòu)分層模塊化劃分的方法及基于等耐久性原則的目標(biāo)使用壽命確定方法和過程。

表12 初始設(shè)計(jì)的預(yù)期使用壽命均值

表13 不同構(gòu)件保護(hù)層厚度調(diào)整值

(3)提出了等耐久性設(shè)計(jì)過程和不同耐久性等級的使用壽命安全系數(shù)建議取值范圍。

(4)通過2個(gè)算例說明了混凝土結(jié)構(gòu)等耐久性設(shè)計(jì)的過程。在截面層次進(jìn)行耐久設(shè)計(jì)時(shí)，對于耐久性能嚴(yán)重不足的部位(角部)，將鋼筋替換為不銹的FRP筋材，避免其過早提前耐久性失效；其余部位通過調(diào)整保護(hù)層厚度來實(shí)現(xiàn)截面等耐久性要求。在結(jié)構(gòu)層次進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)時(shí)，通過調(diào)整保護(hù)層厚度來達(dá)到結(jié)構(gòu)總體等耐久性的要求，實(shí)例表明，由于局部環(huán)境不同，同種類型的構(gòu)件需要設(shè)置不同的保護(hù)層厚度才能滿足等耐久性的要求。