在役预应力混凝土结构的寿命预测

　　摘要：本文介绍了影响在役预应力混凝土结构耐久性的众多因素，并通过算例分析，阐述了在役预应力混凝土结耐久性的评估等级，从而给出了其寿命预测的方法。
　　关键词：在役预应力混凝土结构，耐久性，寿命预测
　　1概述
　　建筑结构与其他产品一样，都具有使用寿命，建筑结构的使用寿命可分为自然寿命和无形寿命[1]。建筑结构的自然寿命也称为结构的使用寿命或耐久年限。对于已经使用一个时期的旧建筑物，将在正常使用和正常维护条件下，仍然具有预定使用功能的时间称为结构的剩余使用寿命或剩余耐久年限。无形寿命是指建筑结构尚未达到其自然寿命之前，由于各种原因终止其原有使用功能的时间。
　　使用寿命可以从不同的角度定义和分类。在英国的建筑物耐久性标准中[2]，提出了要求使用寿命、预期使用寿命、设计寿命的不同概念。对预应力混凝土结构而言，有种种原因可以造成使用寿命的终结，例如，因材料劣化导致承载力降低而不能满足安全要求；因氯离子渗透到钢筋表面且其浓度超过一定值使钢筋锈蚀的危险性达到难以捉摸的地步；因继续进行维修的费用过大达到人们难以承受的程度；因外观陈旧达到不能接受的程度；因建筑用途不能满足要求等。英国的Somerville[2]从使用寿命终结的角度出发，将使用寿命分成以下三类：
　　技术性使用寿命、功能性使用寿命、经济性使用寿命。
　　目前，人们所说的使用寿命基本上是指结构的技术性使用寿命。结构的使用寿命或耐久年限的定义为建筑结构在正常使用和正常维护条件下，仍然具有其预定使用功能的时间。根据这一定义，在进行结构寿命预测之前，首先必须明确结构的预定功能是什么，如何判断结构的功能失效，即耐久性极限状态的定义，这是结构寿命预测和剩余寿命评估的关键。如前所述，影响预应力混凝土结构耐久性的因素众多，有内在的因素，如混凝土的水灰比、保护层厚度、最大裂缝宽度、混凝土的浇筑及养护质量等；也有来自外在的因素，如环境侵蚀条件、环境相对湿度及温度等。此外，对于后张预应力结构，还有预应力筋的防腐及锚固状况、管道灌浆密实度等。在对预应力结构进行耐久性评定时，不可能也没有必要对所有影响因素都加以考虑，而只能考虑其中的主要因素。
　　2影响预应力混凝土结构耐久性因素的模糊特征函数
　　从理论上讲，当碳化深度达到力筋表面时或力筋表面的Cl-含量达到临界值时，预应力筋表面的钝化保护膜将遭到破坏，导致预应力筋开始腐蚀，这种状态称为预应力结构的耐久性极限状态。但是，实际工程调查表明：某些使用二、三十年的预应力构件，虽然碳化深度早已达到了预应力筋表面或力筋表面的Cl-含量已超过了临界值，却未发生耐久性失效。分析其原因，主要是由于预应力筋没有具备腐蚀的环境条件，即适宜的湿度及氧的供应。预应力筋腐蚀速度可表示为[3]。
　　(2-1)
　　式中—阴极电位；—阳极电位；R—阴极、阳极间电阻。
　　从上式可以看出，若混凝土长期处于干燥环境中，即使预应力筋己经脱钝，由于阴、阳极间具有相当高的电阻，使腐蚀电流受电阻控制，预应力筋腐蚀的可靠性也很小。加大混凝土的保护层厚度，增加混凝土的密实性，可使外界介质(如氧的供应)渗入困难，从而抑制阴极过程，降低预应力筋的腐蚀速度。相对而言，最大裂缝宽度对预应力筋腐蚀速度的影响则很小。大多数情况下，预应力筋腐蚀速度受两种效应的共同作用。因此，预应力筋的腐蚀速度与周围混凝土的相对湿度、混凝土的水灰比、保护层厚度、最大裂缝宽度及混凝土的质量有关。许多研究表明：采取降低水灰比、增加保护层厚度、控制最大裂缝宽度、提高混凝土的浇筑及养护质量等措施会大大降低预应力筋的腐蚀速度；相反，会增大预应力筋的腐蚀速度。但是，这些因素对耐久性的影响程度难于定量表示，具有模糊性，因此，通常采用模糊数学的方法来评价它们对结构耐久性的影响。
　　若以D表示预应力结构耐久性失效的模糊集合，用表示因素(i=1,2...n)对结构耐久性的影响程度，称之为模糊特征函数。若接近于1，说明因素属于D的程度越大；若接近于0，表明因素属于D的程度很小，即该因素对结构耐久性失效的贡献很小。各影响因素模糊特征函数的参数应通过对大量试验及工程调查结果的统计分析确定，在研究因素的影响时，首先应固定其它主要影响因素，改变因素的值，以比较其对耐久性的影响程度。根据现有试验及工程调查结果，前人经分析，对上述主要影响因素给出如下的模糊特征函[4]：
　　1）相对湿度：
　　(2-2)
　　2）水灰比：
　　(2-3)
　　3）最大裂缝宽度：
　　(1)碳化侵蚀环境：
　　(2-4)
　　(2)Cl-侵蚀环境：
　　(2-5)
　　4）混凝土保护层厚度c：
　　(1)碳化侵蚀环境：
　　(2-6)
　　(2)Cl-侵蚀环境：
　　(2-7)
　　5）混凝土浇筑及养护质量：
　　如前所述，由于混凝土的实际强度在一定程度上能反映具有相同水灰比的混凝土质量的好坏，因此，这里用混凝土实际强度等级与计算值的比值来间接地表示混凝土浇筑及养护质量，即：
　　(2-8)
　　若，取。式中—混凝土的实际强度等级；—水泥标号的标准值。
　　6）管道灌浆质量：
　　(2-9)
　　灌浆密实时，取＝1.0；不密实时应予折减。
　　7）环境温度T：
　　许多试验证明:温度升高，腐蚀速度加快。因此，引入环境温度影响系数来表示温度对结构耐久性失效的影响程度，见下式：
　　(2-10)
　　3预应力混凝土结构耐久性评估:
　　3.1单因素作用下结构耐久性模糊失效概率
　　影响预应力结构耐久性的因素不是孤立的，而是相互联系、相互作用的。首先假定其它因素对结构的耐久性失效不产生影响，仅研究单一因素的作用。若以表示因素的概率密度函数，则仅作用下结构耐久性模糊失效概率由下式求得[5]：
　　(3-1)
　　式中为影响因素引起结构耐久性失效的概率；可根据所评定结构的实测结果统计求得，一般近似取为正态分布或对数正态分布。
　　3.2各因素间的相互关系
　　从上述分析可以看出，预应力结构的力筋脱钝后，影响其腐蚀速度的因素可分为两大类：一类为内在因素，如混凝土保护层厚度、水灰比、最大裂缝宽度以及混凝土的浇筑和养护质量；另一为外部因素，即环境相对湿度及温度。内因是决定力筋腐蚀速度的根本，外因则对力筋的腐蚀起催化作用。经分析用图5-1表示各主要影响因素对结构耐久性失效所起作用的逻辑关系，其中各内在因素之间为并联关系，内在因素与外在因素间则为串联关系。
　　3.3多因素作用下结构耐久性综合评估
　　事实上，混凝土保护层厚度、水灰比、最大裂缝宽度、混凝土浇筑水灰比及养护质量、环境相对湿度、温度以保护层厚度及灌浆质量等因素对结构耐久性都会相对湿度环境温度产生重要影响，因此，应考虑它们的混凝土质量综合作用效应。设、分别表示内裂缝宽度在因素及相对湿度作用下结构耐久性失效概率，则：
　　
　　图3-1各影响因素间的逻辑关系图
　　
　　(3-2)
　　式中为因素对结构耐久性失效所占的权数，可根据大量试验及工程调查结果分析求得。当缺少大量统计资料情况下，可通过分析单影响因素对结构耐久性的损伤程度，结合现有的试验及调查结果由经验确定。
　　(3-3)
　　多因素作用下结构耐久性模糊失效概率为：
　　(3-4)
　　式中—多因素作用下结构耐久性失效概率；—环境温度影响系数。
　　3.4评估程序及等级划分
　　对在役预应力混凝土结构耐久性进行评估，主要包括以下几方面的内容[6]。
　　(1)裂缝情况调查。包括最大裂缝宽度，裂缝的类型、位置、分布特征等；
　　(2)力筋腐蚀状态的调查。包括碳化深度，力筋表面的Cl-含量，力筋的锈蚀状况等；
　　(3)实测混凝土保护层厚度、混凝土实际强度等级、管道灌浆密实状况等；
　　(4)有关资料的收集。如混凝土水灰比及当地平均相对湿度；
　　(5)单因素作用下结构模糊失效概率的计算；
　　(6)根据上述调查、分析和计算，对结构进行综合评定。
　　按上述步骤可以求得被评定结构的耐久性失效概率，但是，人们更习惯于以分级形式表达的评定结果，为此，对上述评定结果尚需进行等级划分，以便与现行的的鉴定标准及规范相一致。文献[7]根据建筑物可靠性综合评定等级的原则，将结构耐久性等级分为下述三级：
　　(1)耐久性等级A：结构性能满足设计要求或下一目标使用年限的使用要求，
　　可继续使用；
　　(2)耐久性等级B：结构性基本能满足设计要求或下一目标使用年限的使用要
　　求，针对局部进行处理或维修后，可继续使用；
　　(3)耐久性等级C：结构性不能满足设计或使用要求，需要进行加固或拆除。并规定时属A级；时属B级；时属C级。
　　算例分析：某一预应力混凝土屋架，处于室内环境，屋架下弦底面及侧面混凝土保护层厚度均为25mm，使用时间23年后，经检侧跨中下弦底面最大裂缝宽度为0.23mm。碳化已达到高强钢丝表面，仅出现微锈，混凝土实际强度等级为C32，且灌浆密实、锚固可靠。己知混凝土水灰比，当地相对湿度RH分布(以月计)见表3-1，环境年平均温度T＝13.5℃，试对其进行耐久性评估。
　　环境相对湿度分布表3-1
　　相对湿度(%) (30~35)(35~40)(40~45)(45~50)(50~55)(55~60)(60~65)(65~70)
　　出现频率(%) 0.93.56.610.218.136.216.77.8
　　解：(1)内因作用下耐久性失效概率
　　首先确定各影响因素的权重系数，这里取kc＝0.35、kw/c＝0.27、kfcu＝0.23、
　　＝0.08、kξ＝0.07，则：
　　=0.35×0.50+0.27×0.80+0.23×0.005+0.08×0.533+0.07×1=0.50479
　　(2)相对湿度作用下耐久性失效概率PDII
　　＝0.362×0.0714+0.167×0.2143+0.078×0.3571＝0.0895
　　(3)各因素综合作用下耐久性失效概率
　　＝0.9064×0.5049×0.0895＝0.041<0.10
　　因此，该榀屋架耐久性等级属A级，可继续使用。
　　从上述分析可以看出，环境相对湿度及各影响因素的权重系数是影响评估结果的重要指标。因此，实际评估时应尽量多收集当地的气候信息，相对湿度RH可细化到以天为单位，这样可以提高评估的精度，而各影响因素的权重系数则需要通过大量的试验或实测结果来标定。
　　4预应力混凝土结构的寿命预测
　　对预应力筋已具备启始腐蚀条件的预应力混凝土结构，可对其进行耐久性评估；至于碳化深度尚未达到力筋表面或力筋表面的Cl-含量未达到临界值的结构，则可对其进行寿命预测。
　　4.1碳化环境下结构耐久性寿命预测
　　碳化深度预测模型：
　　(4-1)
　　式中—应力状态系数
　　—混凝土的名义拉应力或名义压应力，名义拉应力取正值，名义压应力取
　　负值。
　　己知某预应力混凝土框架使用t1年后，测得混凝土碳化深度，预应力筋保
　　护层厚度为c，设结构耐久性预测寿命为，剩余寿命为，则有：
　　(4-2)
　　预测寿命(4-3)
　　剩余寿命(4-4)
　　4.2Cl-侵蚀环境下结构耐久性寿命预测
　　Cl-侵蚀预测模型：
　　(4-5)
　　已知某预应力混凝土结构使用t1年后，依据实测数据，求得混凝土表面的Cl-
　　含量为Cs,等效扩散系数为Da，则：
　　由得
　　由得
　　设结构耐久性预测寿命为t2，剩余寿命为tl，含量的临界值为Ccrit，则：
　　(4-6)
　　通过迭代计算，由上式可以求出预测寿命为t2，则剩余寿命tl＝t2–t1。对于后张有粘结预应力结构，还应该考虑波纹管的有利作用，因为碳化或Cl-只有穿越波纹管后才能到达力筋表面，所以，应该说结构实际剩余寿命比上述计算值大。
　　5结论
　　⑴影响预应力混凝土结构耐久性的因素众多，但它们对结构耐久性的影响程度不同，且具有模糊性，本文分析了影响结构耐久性的主要因素，并给出其模糊特征函数。
　　⑵在役预应力结构力筋脱钝后，是否发生耐久性失效还取决于其所处环境条件，即适宜的湿度及氧的供应，通过分析各主要因素对预应力混凝土结构耐久性失效的影响程度，确立了各主要影响因素间的逻辑关系模型，提出了在役预应力混凝土结构耐久性评估方法。实例分析表明：该方法简单、实用，评估结果基本能反映各主要影响因素的作用。
　　⑶对于处于碳化或Cl-侵蚀环境的力筋尚未脱钝的预应力混凝土结构，本文给出了其寿命预测的方法。
　　参考文献
　　[1]西安建筑科技大学.建筑物的可靠性与耐久性.西安建筑科技大学内部资料，1994
　　[2]G.Somerville.Thedesignlifeofstructures.Edi.BlackieandSonLtd.，1992
　　[3]洪乃丰.混凝土中钢筋的腐蚀与防护技术(2).工业建筑，1999(9)
　　[4]张德锋，吕志涛.现代预应力混凝土结构耐久性研究.东南大学学报，2001:33~36
　　[5]王光远.工程软设计理论.北京:科学出版社，1992
　　[6]曹双寅.裂缝对结构耐久性损伤程度评估方法的探讨.工业建筑，1992(1)
　　[7]屈文俊.既有混凝土桥梁的耐久性评估几寿命预测.[学位论文]成都:西南交通大学，1995
　　

《在役预应力混凝土结构的寿命预测》

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