混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的新進(jìn)展

　最近20 年，工程界對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的處置方法,發(fā)生了很大的變化。即從使用優(yōu)質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)耐久性,轉(zhuǎn)變?yōu)樵谠O(shè)計(jì)階段以合理的方法驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的耐久性。這一變化的沿革,表現(xiàn)在日本土木學(xué)會1986 年以來(約5 年修訂一次) 編制的“混凝土結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范”各種版本中。

　　1986 年版“混凝土結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范”,納入了極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法,因而對“設(shè)計(jì)篇”進(jìn)行了全面的修訂;而對于混凝結(jié)構(gòu)耐久性的相關(guān)規(guī)定卻很不系統(tǒng),只有混凝土氯化物的含量、裂縫寬度的核對、最小保護(hù)層厚度、大體積混凝土的施工等規(guī)定,散見于“設(shè)計(jì)篇”與“施工篇”。

　　作為“混凝土結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范”的補(bǔ)充,1989 年出版的“混凝土結(jié)構(gòu)物耐久性設(shè)計(jì)指針”中,提出以耐久性指數(shù)TP 、環(huán)境指數(shù)S P ,并以TP ≥S P 的方式檢驗(yàn)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。這是首次提出的以定量的方法評價結(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計(jì)方法。

　　1999 年版“混凝土結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范”,把“施工篇”改為“耐久性核對型施工篇”。將結(jié)構(gòu)的耐久性與結(jié)構(gòu)的安全性置于同等重要位置,即像驗(yàn)算結(jié)構(gòu)抗彎承載力、抗剪承載力一樣,核對結(jié)構(gòu)對混凝土的碳化、鹽害的抵抗能力。同時引入混凝土碳化速度系數(shù)、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、絕熱溫升特性、堿骨料反應(yīng)特性等概念,以保證耐久性核對的進(jìn)行。

　　2002 年版“混凝土結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范”,將“設(shè)計(jì)篇”改為“結(jié)構(gòu)性能核對篇”,而恢復(fù)了“施工篇”。

　　這本規(guī)范把以往對混凝土裂縫寬度的驗(yàn)算與對混凝土鹽害的抵抗能力的核對,進(jìn)行了整合。即以鋼筋位置氯化物離子的濃度Cd ,小于等于鋼筋發(fā)生腐蝕的極限濃度Clim的方法,核對鋼筋的耐久性。亦即:

式中γi 為結(jié)構(gòu)物系數(shù); Cd 按氯化物擴(kuò)散移動模型預(yù)測,即公式(2) 。

　　式中C0 為由環(huán)境條件確定的混凝土表面氯離子濃度;γCl 為考慮預(yù)測值的不確定性的安全系數(shù); c 為保護(hù)層厚度; Dd 為混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù); t 為設(shè)計(jì)使用年限。

　　公式(2) 中的Dd 是氯離子在已發(fā)生彎曲裂縫的混凝土中的擴(kuò)散系數(shù),由式(3) 求得。

Dd = γcDk + η(W／l) D。

η = (WPWa ) 2

　　式中γc 為混凝土的材料系數(shù); Dk 為無裂縫混凝土中的擴(kuò)散系數(shù);W 為裂縫寬度; l 為裂縫間距; Wa 為容許裂縫寬度; D0 為考慮裂縫影響的常數(shù)。

　　關(guān)于裂縫寬度的計(jì)算公式,較以往亦有所發(fā)展,如式(4) 。

　　式中k1 為鋼筋形狀影響系數(shù); k2 為混凝土品質(zhì)的影響系數(shù); k3為預(yù)應(yīng)力鋼筋等級的影響系數(shù); Cs 為鋼筋中心的間距; < 為鋼筋直徑;σse為鋼筋應(yīng)力; Es 為鋼筋彈模;ε′csd 為混凝土收縮、徐變的影響值。