混凝土结构耐久性设计方法.ppt

5、混凝土结构耐久性设计方法1 中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 混凝土结构耐久性设计方法混凝土结构的寿命：技术性适用寿命，是结构使用到某种技术指标（如结构整体性、承载力等）进入不合格状态时的期限，这种状态可因混凝土剥落、钢筋锈蚀引起。功能性使用寿命，与使用功能有关，是结构使用到不再满足功能实用要求的期限。如桥梁的行车能力已不能适应新的需要、结构的用途发生改变等。经济性使用寿命，是结构物使用到继续维修保留已不如拆更为经济时的期限。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 中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 混凝土结构耐久性设计方法状态控制：在明确目标使用寿命后，状态控制是混凝土结构耐久性设计的关键步骤，采取一定的措施或方法，使破损状态维持在结构或构件耐久性要求的范围内。时间破坏扩展期开始发生钢筋脱钝保护层开裂或损伤裂缝扩展极 限倒塌t1t2t3t4 中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 混凝土结构耐久性设计体系可修复设计（结构再设计）：所谓混凝土结构耐久性的可修复性，是指混凝土结构一旦出现不可接受的耐久性损伤，通过常规结构加固修复方法，使结构具备可修复能力。结构的可修复设计，实质是保证构件破损后的承载能力有一定的富裕量的设计。中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 混凝土结构耐久性设计方法体系 鉴于混凝土结构耐久性设计现状，在对混凝土结构耐久性设计体系系统而全面的研究基础上，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，本人在十余年的研究基础上，提出了以极限破损状态为控制目标的结构全寿命、分阶段的耐久性设计方法体系。中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 混凝土结构耐久性设计体系的提出基于状态控制的耐久性设计体系基于状态控制的耐久性设计体系破损极限状态破损极限状态环环境境作作用用寿寿命命设设计计状状态态控控制制可可修修复复设设计计耐耐久久性性状状态态监监控控设设计计与使用阶段的极限状态关联与使用阶段的极限状态关联构造设计材料制备设计 中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 混凝土结构耐久性设计体系的提出破损极限状态确立 混凝土结构的破损状态受多种因素的控制，对于允许裂缝出现的构件，在总结及分析的基础上，借助试验研究结果确立耐久性破损极限值为0.6mm。籍此，可得破损极限状态确立系统：极限破损状态t1：钢筋脱钝极限破损状态t2：保护层开裂或损伤极限破损状态t3：裂缝扩展极限破损极限状 态 中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 混凝土结构耐久性设计方法 基于以上破损状态的确立，本章主要介绍如下三种耐久性设计方法：1）以破损状态t1或t2为极限状态的混凝土结构寿命设计方法。2）以破损状态t3为极限状态的混凝土结构破损状态控制设计方法。3）以破损状态t3为极限状态的混凝土结构可修复设计方法。中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 结构寿命设计方法 建筑结构可靠度设计统一标准（GB500682001）规定根据结构破坏可能产生的后果）危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等)的严重性，采用不同的安全等级。安全等级安全等级破坏后果破坏后果建筑物类型建筑物类型一级一级很严重很严重重要的房屋重要的房屋二级二级严严 重重一般的房屋一般的房屋三级三级不严重不严重次要的房屋次要的房屋建筑结构的安全等级 中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 结构寿命设计方法 混凝土结构耐久性设计规范（GB/T 504762008）根据结构所处环境按其对钢筋和混凝土材料的腐蚀机理将环境分为5类：环境类别环境类别名称名称腐蚀机理腐蚀机理一般环境一般环境保护层混凝土碳化引起钢筋锈蚀保护层混凝土碳化引起钢筋锈蚀冻融环境冻融环境反复冻融导致混凝土损伤反复冻融导致混凝土损伤海洋氯化物环境海洋氯化物环境氯盐引起钢筋锈蚀氯盐引起钢筋锈蚀除冰盐等其他氯化物环境除冰盐等其他氯化物环境氯盐引起钢筋锈蚀氯盐引起钢筋锈蚀化学腐蚀环境化学腐蚀环境硫酸盐等化学物质对混凝土的腐蚀硫酸盐等化学物质对混凝土的腐蚀环境类别 中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 结构寿命设计方法 混凝土结构耐久性设计规范（GB/T 504762008）还用环境作用等级来反应环境对配筋混凝土结构的作用程度。环境作用等级环境作用等级环境作用等级环境类别环境类别A轻微轻微B轻度轻度C中度中度D严重严重E非常严重非常严重F极端严重极端严重一般环境一般环境-A-B-C冻融环境冻融环境-C-D-E海洋氯化物环境海洋氯化物环境-C-D-E-F除冰盐等其他氯化物环境除冰盐等其他氯化物环境-C-D-E化学腐蚀环境化学腐蚀环境-C-D-E 中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 结构寿命设计方法思路 依据建筑的结构的重要性等级及结构所处的环境对结构的作用等级，可以按如下标准进行结构的寿命设计：重要性等级结构的设计寿命OR结构破损状态选择高长t2t1环境作用等级结构的设计寿命严重长结构破损状态选择t2t1 中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 混凝土碳化寿命设计 混凝土碳化耐久性失效，即钢筋发生锈蚀的极限方程为：式中：X（t）混凝土碳化深度（mm）；c 混凝土保护层厚度，是随机变量；x0 碳化残量，是混凝土强度、环境相对湿 度及混凝土保护层厚度的函数，也是 随机变量。中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 破损极限状态t1面向破损极限状态t1的寿命设计：主要参数有：氯离子临界浓度、表面氯离子浓度、保护层厚度、随时间而变的抗力、几何尺寸、材料、施工、环境等。控制方程采用欧洲设计方程 中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 混凝土保护层锈胀开裂寿命设计 混凝土保护层出现锈胀裂缝的极限状态方程为：式中：cr 混凝土保护层锈胀开裂时的钢筋锈蚀深度 （mm），是一个随机变量；e1（t）锈胀开裂前的钢筋锈蚀量，是一个随机过 程。中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 破损极限状态t2面向破损极限状态的寿命设计，主要指t1-t2阶段：主要参数有：临界裂缝对应的钢筋锈蚀率及腐蚀电流密度。式中：x1 混凝土表面临界破损状态下的钢筋腐蚀深度；icor 发展过程的腐蚀电流。中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 结构破损状态控制设计方法 状态控制设计的实质是通过适当的措施或方法，按照确立的混凝土破损极限状态，对构件在使用过程中的破损程度进行控制。控制手段大体分为以下几种：1）混凝土内或结构表面添加控制载体，如FRP等。2）基于混凝土结构设计构成，通过改性或调整设 计参数，如箍筋加密。3）保护层采用改性混凝土材料，等。中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 结构破损状态控制设计方法混凝土构件剖面混凝土构件表面t1t t1 1钢筋脱钝钢筋脱钝t2t t2 2混凝土保护层开裂混凝土保护层开裂 或损伤或损伤t3t t3 3裂缝扩展极限裂缝扩展极限t4t t4 4倒塌倒塌服役期 中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 结构破损状态控制设计方法混凝土构件剖面混凝土构件表面t1t t1 1钢筋脱钝钢筋脱钝t2t2混凝土保护层开裂 或损伤t3t3裂缝扩展极限t4t4倒塌 中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 结构破损状态控制设计方法控制目标：通过设计使构件的锈胀裂缝宽度控制在允许范围内。控制参数：抑制体、混凝土的弹性模量；纵向钢筋的数量；混凝土的抗拉强度标准值；控制的裂缝宽度；混凝土锈胀裂缝开裂面的宽度；混凝土保护层厚度；钢筋的弹性模量。中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 结构破损状态控制设计方法控制方程：采用卫军所提出的下式作为控制方程。式中：N 抑制体与混凝土的弹性模量之比。控制的裂缝宽度。中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 状态控制模型：锈胀破损 将本构建模型计算结果与国内外具有代表性的拟合公式计算值相比较，结果显示，具有很好的一致性。中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 状态控制模型：FRP抑制式中：At1 FPR网格单肢截面积；st 网格间距；Et FRP的弹性模量；t 抑制载体距钢筋中心r处的应变。中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 状态控制模型：箍筋抑制Ast 箍筋单肢截面积；s 箍筋间距；Est 箍筋的弹性模量；考虑箍筋对纵向钢筋约束的作用指数；nst 箍筋的肢数；dst 箍筋的直径，d钢筋直径；抑制载体距钢筋中心Rst处的应变。中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 结构可修复设计方法现行混凝土结构设计规范（GB500102002）的规定 正常使用极限状态的限定分为裂缝宽度和构件变形，按照不同的环境类别，对裂缝宽度的限定分为三类：环境类别环境类别钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构预应力混凝土结构预应力混凝土结构裂缝控制裂缝控制等等 级级裂缝宽度裂缝宽度（mm）裂缝控制裂缝控制等等 级级裂缝宽度裂缝宽度（mm）一一三三0.3（0.4）三三0.2二二三三0.2二二-三三三三0.2一一-结构构件的裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值 中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 结构可修复设计方法 可以发现，现行规范中把钢筋混凝土构件的正常使用极限状态的裂缝控制等级设置为第三级，即：允许出现裂缝的构件 当混凝土结构构件的裂缝宽度最大裂缝宽度限值混凝土结构构件具有可修复性 中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 可修复能力的附加系数研究 在设计过程中，采用基于可修复能力的附加系数来保证结构具有可修复的安全储备。基于可修复能力的定义，建筑结构可靠度设计统一标准及民用建筑可靠性鉴定标准，附加系数可定义为：式中，为不考虑可修复能力情况下原构件的设计可靠度；为构件修复时的可靠度。中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 可修复能力的附加系数研究 不同功能要求及不同类型的构件，其设计控制的附加系数也不尽相同。如承载力附加系数为 ：式中，为不考虑可修复能力情况下原构件的设计承载力；为构件修复时的承载力;为构件可修复能力的作用效应系数。中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 可修复能力的附加系数研究轴轴心受心受压压柱柱0.07850.07850.15400.15400.25000.25000.90.91.071.071.241.241.521.520.870.871.031.031.201.201.471.470.850.851.011.011.171.171.441.44大偏心柱大偏心柱或受弯构件或受弯构件0.030.030.060.060.110.110.90.91.051.051.071.071.131.130.870.871.011.011.031.031.091.090.850.851.001.001.011.011.071.07通过分析，可得到不同构件类型附加系数的建议取值 中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 可修复设计结果校核 可修复能力校核：对于可修复能力的校核，取破损状态t3为构件最不利的破损状态，即构件面向侵蚀环境中的保护层达到裂缝宽度限值或全部脱落状态。式中，为达极限破损状态构件承载力；为构件可修复能力的作用效应系数，基于鉴定标准，依据不同功能构件可有0.90、0.87、0.85三种；为原构件承载能力的校核值。中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 我国新建大型工程项目杭州湾跨海大桥目前世界上最长的跨海大桥杭州湾跨海大桥 中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 杭州湾跨海大桥 杭州湾跨海大桥已于2007年6月全线通车。该桥北起嘉兴市海盐，跨越杭州湾海域，止于宁波市慈溪，全长36km。杭州湾大桥按双向六车道高速公路标准设计，每天可通行9万辆车，设计时速为100km。在国内第一次明确提出设计寿命大于或等于100年的耐久性要求。中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 杭州湾跨海大桥寿命的总体方案 影响杭州湾跨海大桥混凝土结构耐久性的主要劣化因子是Cl-对钢筋的锈蚀。在设计时按照下图的模型考虑。以t1为极限状态进行耐久性设计。即，Cl-扩散渗透过保护层，在钢筋表面上Cl-浓度达到阀值时所需的时间为100年。健全期潜伏期进展期加速期劣化期阀值劣化进展程度外部Cl-t0Cl-侵入t1钢筋开始锈蚀t2裂缝发生t2a临界裂缝t3承载力下降结构失效 中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 保证混凝土结构耐久性的基本措施采用海工耐久混凝土。针对工程不同结构部件、不同设计要求、不同腐蚀环境，制定了不同的配合比设计原则和质量要求。结合国外跨海工程实例，参考国外有关规范，根据杭州湾的腐蚀环境、桥梁各部位的受力特点和设计使用年限，制定不同部位混凝土的保护层厚度。中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 进一步提高耐久性的措施预应力混凝土孔道的压实灌浆采用环氧树脂涂层钢筋采用阻锈剂外加电流阴极防护 中中南南大大学学Durability of Concrete&Concrete Structure混凝土与混凝土结构耐久性原理混凝土与混凝土结构耐久性原理 耐久性监测措施 经过多次方案及技术论证，采用德国压琛工业大学土木工程研究所发明的的梯形阳极混凝土结构预埋式耐久性无损监测系统。