氯盐环境下混凝土结构的耐久性设计方法.pdf

第 1 9卷第 3期 2 0 1 6年 6月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI L DI NG MATE RI ALS Vo 1 1 9 No 3 J u n ， 2 0 1 6 文章编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 6 ) 0 3 0 5 4 4 0 6 氯 盐环境 下混凝 土结构 的耐久性设计方法 钟 小平 。 ， 金伟 良。 ， 张 宝 健 ( 1 扬州大学 建筑科学与工程学院 ， 江苏 扬州 2 2 5 1 2 7 ； 2 浙江大学 结构工程研究所 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 5 8 ； 3 广东益华集 团投资有 限公 司 江苏分公司 ， 江苏 镇江 2 1 2 0 0 0 ) 摘 要 ：为 了建 立氯 盐腐蚀 环境 下混 凝 土结构 的耐 久性 设计 方 法 ， 根据 混凝 土 结构性 能劣 化的 特 点 ， 在分析结构耐久性失效状态、 可靠度设置水平、 环境荷栽及抗 力影响因素的基础上 ， 建立 了钢筋初 锈、 保护层锈胀开裂及锈胀损伤达到最大限值这 3种情况下的耐久性极限状 态方程 基 于结构可靠 度设计理论 ， 引入荷载和抗力变量的分项 系数 来反映结构耐久 目标可靠指标的要 求， 建立了结构 耐久性设计的分项 系数表达形式 按照概率设计 与分项 系数设计具有相 同可靠度 水平的原则， 给 出了抗 力分项 系数 的确 定方 法及 不 同耐 久性 极 限状 态下抗 力 分项 系数 的取值 关键词：氯盐环境 ；混凝土结构；可靠度 ；分项 系数 ；耐久性设计 中 图分 类 号 ： TU3 l 文 献标 志码 ： A d o i ： i 0 3 9 6 9 i i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 6 0 3 0 2 2 Du r a bi l i t y De s i g n M e t ho d o f Co n c r e t e S t r u c t u r e s u n d e r Chl o r i de Env i r o n me nt ZHONG Xi a o p i n g ， J I N We i l i a n g ， ZHANG Ba o j f a n 。 ( 1 Co l l e g e o f Ci v i l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ，Ya n g z h o u Un i v e r s i t y，Ya n g z h o u 2 2 5 1 2 7 ，C h i n a ； 2 I n s t i t u t e o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g，Zh e j i a n g Un iv e r s i t y，Ha n g z h o u 3 1 0 0 5 8，Ch i n a ； 3 J i a n g s u B r a n c h，Gu a n g d o n g Yi h u a Gr o u p I n v e s t me n t Co ，L t d ，Z h e n j f a n g 2 1 2 0 0 0 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：Ac c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s t r u c t u r e p e r f o r ma n c e d e g r a d a t i o n，a f t e r a n a l y z i n g s u c h f a c t o r s a s t h e s t r u c t u r a l d u r a b i l i t y f a i l u r e s t a t e ，r e l i a b i l i t y l e v e l ，e n v i r o n me n t a l l o a d a n d r e s i s t a n c e ，t h e d u r a b i l i t y 1 i mi t s t a t e e q u a t i o n c o n s i d e r i n g s t e e 1 c o r r o s i o n i n i t i a t i o n，c o n c r e t e c o v e r c r a c k i n g a n d ma x i mu m c o r r o s i o n i n d u c e d d a ma g e v a l u e i s e s t a b l i s h e d f o r t h e d u r a b i l i t y d e s i g n u n d e r c h l o r i d e e n v i r o n me n t B a s e d o n t h e d e s i g n t h e o r y o f r e l i a b i l i t y ，t h e p a r t i a l c o e f f i c i e n t s o f l o a d a n d r e s i s t a n c e a r e i n t r o d u c e d t o r e f l e c t t h e t a r g e t r e l i a b i l i t y r e q u i r e me n t s o f s t r u c t u r a l d u r a b i l i t y，a n d s u b s e q u e n t l y t h e p a r t i a l c o e f f i c i e n t e x p r e s s i o n f o r m o f s t r u c t u r a l d u r a b i l i t y d e s i g n i s e s t a b l i s h e d Ac c o r d i n g t o t h e p r i n c i p l e o f t h e s a me r e l i a b i l i t y l e v e l f o r p r o b a b i l i t y d e s i g n a n d p a r t i a l c o e f f i c i e n t d e s i g n，t h e d e t e r mi n a t i o n me t h o d o f p a r t i a l c o e f f i c i e n t f o r r e s i s t a n c e a n d t h e i r v a l u e s u n d e r d i f f e r e n t d u r a b i l i t y l i mi t s t a t e s a r e p r e s e n t e d Ke y wo r ds ：c hl o r i de e nv i r o nm e nt ；c o nc r e t e s t r uc t ur e；r e l i a bi l i t y；pa r t i a l c o e f f i c i e nt ；du r a bi l i t y de s i gn 受氯 盐 侵蚀 作 用 的 混 凝 土结 构 ， 尤其 是 一 些 桥 梁 、 海港码头等 ， 会经常 出现不同程度 的钢筋锈蚀、 混凝土破损等现象， 其耐久性问题较为突出_ 1 混凝 土结构 的耐久性不足 ， 导致结构使用功能和安全可 靠性能降低 ， 并 由此产生了高额 的维护维修 费用及 安全隐患等 问题 因此 ， 为保障结构安全可靠运行及 减小维护维修带来 的经济损失 ， 需要针对不 同氯盐 侵蚀作用程度来开展混凝土结构 的耐久性设计 有 关混凝土结构耐久性设计方法的研究 ， 国内外 已取 得了一定的成果 1 9 8 9 年欧洲出版了“ C E B耐久混 凝土结构设计指南” ， 1 9 9 0年 日本发布了“ 混凝土结 构耐久性设计建议” ， 1 9 9 6年 国际材料与结构研 究 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 1 2 7 ；修订 日期 ： 2 0 1 5 0 3 2 3 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 7 8 4 4 4 ) 第一作者 ： 钟小平 ( 1 9 6 9 一) ， 女 ， 四川资 中人 ， 扬州大学副教授 ， 硕士生导师 ， 博士 E - ma i l ： z h o n g x i a o p i n g z j u e d u c a 第 3 期 钟小平 ， 等 ： 氯盐环境下混凝土结构 的耐久性设计方法 实验室联合会( RI L E M) 出版了“ 混凝 土结构的耐久 性设计” 报告 然而 ， 这些指南或建议都未能对混凝 土结构的耐久性能进行量化 随着对于混凝 土耐久 性研 究 的不断 深人 ， 2 0 0 0年 欧盟发 表 了“ Ge n e r a l Gu i d e l i n e s f o r Du r a b i l i t y De s i g n a n d Re d e s i g n ”的 研究总报告I 2 ， 该报告 中引入了混凝 土结构 的使用 寿命设计 ， 使结构 的耐久性设计逐步有了量的概念 之后 ， 部分学者 3 对混凝土结构耐久性设计 的概率 方法进行了研究 中国在总结 国内外研究成果 的基 础上 ， 于 2 0 0 0年2 0 1 0年 间先后颁布了 J T J 2 7 5 2 0 0 0 海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范 ， C C E S 0 1 2 O 0 4 混凝 土 结构 耐 久性 设计 与施 工指 南 ， GB T 5 0 4 7 6 -2 0 0 8 混凝土结构耐久性设计规范 ， TB l O O O 5 -2 O l O J 1 1 6 7 2 0 1 1 铁路混凝土结构耐 久性设计规范 这些指南或规范的问世 ， 对 提高混 凝土结构的耐久性能起到了积极作用 然而 ， 上述指 南或规范中的混凝土结构耐久性设计至今仍主要从 材料、 构造、 施工、 养护等方面来考虑结构的耐久性 问题 ， 如规定最小混凝土保护层厚度 ， 最大水灰 比、 最小水泥用量 、 含气量和水泥类别 等 显然 ， 这些规 定不可能给出混凝土结构耐久性能与其使用寿命 之 间的清晰关系以及业主可能承担的风险水平 为了 能够量化结构的耐久可靠性能 ， 本文针对氯盐环境 下的混凝土结构 ， 根据其性能劣化的特点， 在分析结 构耐久性失效状态及可靠度设置水 平的基础上 ， 引 入荷载和抗力变量的分项系数来反映结构耐久 目标 可靠指标的要求 ， 从而建立一种基于可靠度的混凝 土结构耐久性定量化设计方法 1 结构全寿命性能劣化过程 处于氯盐环境 中的混凝土结构 ， 其 中的钢筋锈 蚀是导致结构性能劣化 的最主要原因 根据钢筋锈 蚀程度 的发展变化过程 ， Tu u t t i 在 1 9 8 2年提出了钢 筋锈蚀 的两 阶段模型 4 ， 该模型 由锈蚀诱 导期 和锈 蚀发展期组成 在锈蚀诱导期 ， 钢筋并未发生锈蚀 ， 此 时 的混凝 土 结 构性 能 没有 明显 变 化 ； 当钢 筋进 入 锈蚀发展期后 ， 由于锈蚀产物的产生和发展 ， 锈胀力 导致混凝土保护层胀裂 、 剥落等现象相继发生 ， 混凝 土结构性能劣化速度显著加快 ， 承载力 、 可靠度指标 等均降低 根据钢筋锈蚀对混凝土结构性能 的影 响， 可将锈蚀发展期进一步划分为钢筋初锈至保护层锈 胀开裂 、 保护层锈胀开裂至累积损伤达到容许极 限 及适用性不 满足要求至 承载能力受 到影 响 3个 阶 段 从 已有 的混凝土结构性能劣化机理和过程分析 来看 ， 混凝土结构 的耐久性问题贯穿 于结构的整个 寿命期 ， 并对结构性能产生不 同程度的影响 因此 ， 对混凝土结构进行耐久性设计， 不能仅仅停留在对 结构材料 、 构造 、 施工 、 养护等方面的定性规定， 还必 须考虑耐久性对结构安全性和适用性的定量影响 2 耐久性极 限状态及 目标可靠指标 2 1耐 久性极 限状 态 结构耐久性设计是以性能设计为基础 的， 性能 设计的核心是满足结构预定 的功能要求及体现业主 的个性化需求 5 按 照性能设计 的思想以及结构使 用过程中的性能表现 ， 在混凝土结构的整个 生命历 程 中 ， 劣化 过程 的各 个 阶段 均 可 以 作为 耐 久 性极 限 状态 的基 准 ， 因此 ， 耐久性极 限状 态是 动态 的性 能状 态 ， 可以根据使用者的需要来定义， 不同的耐久性能 极限状态 ， 体现 了业主或使用者对结构某项性 能的 要求 根据 目前对混凝土结构性能劣化过程的研究 ， 混凝土内钢筋开始锈蚀、 保护层锈胀开裂、 锈胀损伤 达到一定限值是结构全寿命性能非常关键的几个时 间节点， 常常被选作为耐久性失效 的极限状态 下面 将对这几种极限状态在可靠度水平设置、 极 限状态 函数确定及概率模型设计等方面进行深入研究 2 2 目标 可 靠指标 在基于可靠度 的耐久性设计研究 中， 耐久性失 效状态的可靠度水平设置即 目标可靠指标的确定非 常关键， 它是结构耐久可靠性分析的基础 由于 目前 结构耐久性极限状态设计的内容 尚未纳人结构设计 规范 ， 因此 ， 也就缺少耐久性极限状态的 目标可靠指 标 文献E 5 - 1 在考虑公众心理、 失效状态下修复损伤 的可能性、 结构的重要性程度、 失效的后果 、 耐久性 等级 以及寿命期 内的经济性等因素后 ， 给出钢筋初 锈、 保护层锈胀开裂时刻及锈胀损伤( 锈胀裂缝宽度 或钢筋锈蚀深度 ) 达到容许 限值时的可靠指标分别 为 1 o ， 1 5 ， 2 o 3 基 于概率 的耐久性设计 方法 3 1耐久性 设计 的概 率模型 耐久性设计和结构设计一样 ， 依据的是 结构性 能 、 极限状态和可靠度 在进行结构承载力设计 时， 荷载与抗力变量的定义是 明确的， 荷载变量有人群 、 车辆 、 雪 、 风和机械荷载等， 抗力变量为材料参数， 如 混凝土抗压强度和钢筋屈服强度 与结构规范 中设 计的概念相似 ， 这种定义也可以用于耐久性设计 ， 以 材料变量表示抗力变量， 而描述环境的变量即为荷 载变量 因此 ， 结构在环境荷载作用下 的极限状态函 数 Z可 以表 示 为 ： 建筑材料学报 第 1 9 卷 z 一 二 。 L ， 1 4 不同耐久性失效状态的分项系数确定 式中： R为结构抗力 ； S 为环境作用效应 一 一一 如果把钢筋开始锈蚀 、 保 护层锈胀开裂或是锈 胀损伤( 锈胀裂缝宽度或钢筋锈蚀深度) 达到可接受 程度看作是“ 失效” ， 则结构失效概率 P t 可以写作 ： P f p( R S L 0 ) P ( 2 ) 式 中： P 为 目标失效概率 当确定了环境作用效应 、 结构抗力 的统计参数 及概率分布类型后 ， 即可利用式 ( 2 ) 的概率模型， 对 不同的耐久性极限状态进行概率设计 然而 ， 考虑到 概率可靠度方法计算复杂 ， 不便于实际工程运用 ， 因 此 ， 借助承载力极限状态实用设计表达形式的推导 方法， 采用分项系数的方式来设计结构 的耐久性极 限状态 通过选择相应的分项系数 ， 使之尽可能达到 目标可靠指标的要求 3 2 耐 久性 分项 系数 设计 方法 将复杂的概率设计转换为分项系数设计的表达 形式时 ， 需要确定 能满足耐久 目标可靠指标要求的 各分项系数 对于荷载分项系数 ， 承载力极 限状态设 计中将其分 为恒载分项 系数 和活载分项 系数两部 分 ， 考虑的是恒载+活载的简单组合 然而， 对 于侵 蚀环境作用下的耐久性设计而言 ， 由于考虑的是耐 久性引起的正常使用问题 ， 因此， 环境的影响是最主 要因素 ， 结构 自重对耐久性极 限状态 的影响可以忽 略不计 ， 即可仅考虑环境影响产生的作用效应及相 应的分项系数 对于抗力分项系数 ， 当给定环境作用 分项系数后 ， 利用等可靠度水平设置的原则 ， 即可确 定满足耐久 目标可靠指标要求的耐久性抗力分项系 数 y 。 ， 其方法如下 ： 在环境荷载作用下， 采用概率方法设计时， 结构 的极 限状态 方程 为 ： R SL一 0 ( 3 ) 采用分项系数法设计时 ( 仅考虑氯离子荷载) ， 结构的设计表达式可表示为 ： 7 o S L k R k y D ( 4 ) 式 中： S 为环 境活载 标准值效 应 ； R 为抗力标 准 值 ； y 。为环境作用分项系数 按照分项系数设计方法所设计的结构与按照概 率方法所设计 的结构应具有相同耐久可靠度水平 根据该原则 ， 耐久性抗力分项系数为 ： y 。一 式中： R 为根据 目标可靠指标按概率 方法求得 的 抗力标准值 4 1 钢 筋初锈 状态 4 1 1 环境荷载效应及抗力 氯盐环境下的混凝土结构 ， 氯离子在混凝 土中 扩散、 累积的结果是导致钢筋锈蚀的主要原 因， 故可 将结构表面的氯离子含量 ( 质量分数 ， 下 同) 视作为 环 境荷 载 在 环境 荷 载作用 下 ， 假 设混 凝土 拌 和物 中 的氯离子含量 可 以忽 略不计 ， 由 F i c k第二扩 散定 律， 环境作用效应可以表示为 ： x一2 e r r f 二 1 ( 6 ) s ， 式中： X为氯离子的扩散深度 ； 为暴露 时间； C 。 为 混凝土表面处 以混凝 土质量为基准的氯离子含量 ； D为混凝土中的氯离子扩散系数； C( x， f ) 为 t 时刻 距 混凝 土表 面 处 的氯 离子 含量 氯离子侵入到钢筋表面并达到钢筋锈蚀的临界 值时 ， 钢筋开始锈蚀 ， 这一过程的长短取决于混凝土 保护层厚度和混凝土保护层质量 ， 因而将混凝土保 护层厚度及其质量视作结构对氯离子侵蚀 的抗力 对于给定的环境 ， 耐久性设计就是要 为混凝 土 保护层质量和厚度的确定提供依据， 即通过定量设 计来确定混凝土保护层 的厚度 如 同承载力设计 确 定抗力的方法一样 ， 当考虑结构设计使用寿命要求 ， 确定氯离子荷载设计值 及材料性能参数后， 距混凝 土 表 面 x处 的氯离 子含 量 C( z， ) 一C 。 ( 以混 凝土 质 量为基准的临界氯离子含量) 时 ， 所对应 的扩散深度 X 即为耐久性设计所需的最小保 护层厚度 ， 此时， 侵蚀抗力 R 可表示为 ： R 一X。 一2 e r r - ( 1 一 ) ( 7 ) 注意通过式( 7 ) 来确定钢筋初锈所需的最小保 护层厚度 ( 侵蚀抗力) 时， 式 中的表面氯离子含量为 环境荷载设计值 ， 需将其作为常量来处理 考虑计算 模式不定性后 ， 抗力可表示为： R KP R。一 KP X。 ( 8 ) 于是 ， 构件抗力统计参数为： R一 KP R 一 KP xc r ( 9 ) 一 靠 + 一 +娃 ( 1 0 ) 其 中： 一 R ， c 一 ； 一 辜 豪 。 c 2 ， 上述式中： ， 分别为抗力的均值和变异系数 ； 。 为氯离子扩散系数的均值 ； K 为计算模式不确定性 第 3期 钟小平 ， 等 ： 氯盐环境下 混凝土结构 的耐久性设计方法 随机变量 ； K P ， 靠 分别 为随机变量 Kr的平均值和 变异系数 ； p x 。 分别为 X。 的均值和变异 系数 ； X 表 示 R 中 的 随 机 变 量 ， I 表 示 偏 导 数 在 平 d A l 均值处取值 4 1 2 极 限状 态方 程 以氯离子侵蚀到钢筋表面并使其开始锈蚀作为 失效标准 ， 将氯离子侵蚀深度作为环境荷载效应 ， 而 将钢筋开始锈蚀 的扩散深度作为结构抗力 ， 则极 限 状态方程和失效概率设计表达式为 ： Z R S L K X 一 K X = 0 ( 1 1 ) f p( R S L O )一 p( K X。 一 Kp X O ) P 岫 。 ( 1 2 ) 4 1 3 钢筋初 锈状态 耐久性抗力分 项系数 7 。 ， 。 的 确 定 预测 ， 需要乘以 1 个分项系数 ， 使之对侵蚀荷载的估 计偏于安全 参考文献r 6 - 1 的建议 ， 本文取氯离子作 用 ( 表面氯离子含量) 的分项系数为 1 2 处于环境作用下的结构 ， 必须能抵抗其侵蚀作 用 侵蚀抗力与结构所处的环境条件有关， 本文在确 定不同耐 久性 失效状 态 的抗力分 项系 数时 ， 考虑 G B T 5 0 4 7 6 -2 0 0 8 ( ( 混凝土结构耐久性设计 规范 中海洋氯化物环境为 D( 严重) 、 E( 非常严重) 、 F ( 极 端严重) 3种等级下 的情况 根据文献E 7 3 ， 不同氯化物环境等级的氯离子荷 载统计参数见表 1 抗力 R的统计参数 由公式 ( 9 ) ， ( 1 0 ) 求得 ， 影响抗力的各变量统计参数见表 2所示 以钢筋初锈作为结构耐久寿命终结 的标准 ， 根 据前述给出的耐久性抗力分项 系数 的确定方法 ， 当 R服从对数正态分布 ， S 服从正态分布时 ， 运用一 环境侵蚀作用是变化的， 是 1个变量 ， 难以准确 次二 阶矩法编制 MAT L AB程序 ， 可获得与耐久 目 表 1 不 同环境等级氯离子荷载 c 的统计参数 T a b l e 1 S t a t i s t i c a l p a r a me t e r s o f c hl o r i d e i o n l o a d c a t d i f f e r e n t e n v i r o n me n tal l e v e l s N o t e ： C i s c h l o r i d e i o n l o a d b y ma s s o f c o n c r e t e 裹 2 影响抗力 的各变量统计参数 Ta b l e 2 S ta t i s t i c a l p a r a me t e r s o f v a r i a b l e s a f f e c t i n g r e s i s t a n c e No t e： C i s c r i t i c a l c o nt e n t o f c h l or i d e i o n by ma s s o f c o nc r e t e 标可靠指标 一1 0相应的抗力标准值 R ， 然后 由 公式( 5 ) 求得钢筋初锈状态下不 同环境作用等级 的 耐久性抗力分项系数 7 。 。 ， 计算结果列于表 3 4 2保 护层 锈胀 开 裂状态 4 2 1 荷载效应及抗力 钢筋 锈蚀 引起 的保 护层 开 裂是 由于 锈胀 力超 过 了混凝土的抗拉强度所致 使保护层开裂 的锈胀力 与钢筋的锈蚀量 ( 锈蚀深度) 有关 由 F a r a d a y腐蚀 定律可知 ， 钢筋的锈蚀深度与腐蚀电流密度成正 比， 在相同的时间内， 腐蚀 电流密度越大 ， 钢筋的锈蚀深 度越深 ， 由此产生的锈胀力也越大 因此 ， 在对锈胀 开裂失效状态的可靠性进行分析 时， 可将腐蚀 电流 密度视为荷载随机变量 ， 其引起的作用效应( 锈蚀深 度 ( ) ) 按下式计算 引： ( ) 一o 0 1 1 6 r i o o rr ( ) d 一 J t 。 0 5 2 5一( 1- m m ) - 1 6 4 X l t 一 0 2 9 d t= t o t t 。 ( 1 3 ) 式中： t 。 为钢筋锈蚀开始发生的时间， a ； t 为钢筋锈 蚀后的时间 ， a ； t c r 为保护层锈胀开裂时间， a ； i 。 ( ) 为随时间变化的腐蚀 电流密度 ， A c m。 ； X t 为混凝 5 4 8 建筑材料学报 第 1 9卷 土保护层厚度 ， mm 当钢筋的锈蚀深度达到保护层开裂的临界锈蚀 深度时 ， 保护层即开裂 因此 ， 可将保护层锈胀开裂 时的 临界 锈蚀 深 度 h 视作 为 结 构 抗力 ， 按 下 式 确定 _- 8 ： k 。 0 1 5 ( ) ( + 等) s ( 1 4 ) 式 中 ： 愚 1 1 0 0 7 wl 一0 5 4 w2 2 4 7 w3 ， 1 ， 训z ， 。分别为粉煤灰 、 矿渣、 硅灰 的质量分数 ； k 。为钢 筋位置修正系数 ， 角区位置取 k 。 一1 0 ， 边中取 k 。 一 1 3 3 ； k 。为 钢筋 种类 修正 系数 ， 带肋 钢筋 取 k 。 一 1 。 0 ， 光 圆钢 筋 取 k 。 = = = 0 8 8 ； d为 钢 筋 直 径 ； f 。 为 混 凝 土 2 8 d抗 压强 度 4 2 2 极 限状 态方 程 对于锈胀开裂失效状态 ， 将腐蚀电流密度引起 的锈蚀深度作为荷载效应， 而将保护层锈胀开裂时 刻的临界锈蚀深度作为结构抗力 ， 则极 限状态方程 和失效概率可以表示为 ： Z R S( )= a c r h 一 a h( )一 o ( 1 5 ) f p E Rs ( ) o 一 户 d h 。 一a h ( ) O ( 1 6) 式中 为采用式( 1 4 ) 计算保护层锈胀开裂 时钢筋 临界锈蚀深度 h 的模式不确定性系数 ； 为采用式 ( 1 3 ) 确定钢筋锈蚀深度的模式不确定性系数 4 2 3 锈 胀 开裂状 态 耐久 性抗 力分 项 系数 y 确 定 腐蚀电流密度作为随机变量难 以准确预测 ， 需 要乘以 1 个分项系数 参考结构设计 中可变荷载分 项系数的取值 ， 本文建议腐蚀 电流密度 的分项系数 取 为 1 _ 4 表 4给 出 了各 主要 影 响 因 素 的统 计 特 性 其 中， 腐蚀电流密度 由于缺乏相关 的统计资料 ， 因此， 对于大气区( 轻度盐雾) 、 大气 区( 重度盐雾) 、 潮汐浪 溅 区 ( 非 炎热 地 区) 、 潮 汐 浪 溅 区 ( 炎 热 地 区 ) 的腐 蚀 电流密度变异性系数 ， 本文分别假定 为 0 1 5 ， 0 2 0 ， 0 3 5和 0 5 0 以混凝土保护层锈胀开裂作 为结构耐久寿命终 结的标准 采用与确定钢筋初锈状态下耐久性抗力 分项系数 ) ， D 。 一样 的方法 ， 可求得满足耐久 目标可 靠指标 J9 1 5的抗力分项系数 ， 队 ， 计算结果也列 于表 3 4 3锈胀损伤达到最大可接受程度的状态 4 3 1 荷载效应和抗力 混凝土保护层锈胀开裂后 ， 锈胀裂缝为侵蚀介 衷 3不同耐久性极限状态 的抗力分项 系数 Ta b l e 3 Re s i s t a nc e p a i M c o e f f i c i n t u n d e r d i f f e r e nt d u r a bi l i t y l i mi t s t a t e s 表 4 各主 要影响因素的统计参数 Ta b l e 4 S t a t i s t i c a l p a r a me t e r s o f ma i n i nf l u e n c e f a c t o r s 质 的入侵提供了极为便利 的通道， 从而加速了钢筋 的锈蚀速度 钢筋进一步锈蚀引起的结构损伤通 常 表现为裂缝宽度逐渐增大 、 混凝土保护层剥落及 刚 度降低等 所有这些影响正常使用的损伤现象， 其发 展变化的程度主要取决于钢筋的锈蚀程度 ( 锈蚀深 度) 及腐蚀电流密度 的大小 因此 ， 与保护层胀裂失 效状态一样 ， 仍将腐蚀电流密度视为荷载随机变量 ， 其引起的荷载效应由下式计算 ： t ( )一 h 1 ( t 。 ) +0 0 1 2 I ( 0 3 6 8 1 n t + 1 1 3 1 ) d t J l cr h 1 ( )+ 4 2 7 2 1 0 ( t i n t t c r i n t )+ o 8 8 4 l O ( 一 t ) ，t t ( 1 7 ) 式 中： h ( 。 ) 为由公式 ( 1 3 ) 计算 的锈胀开裂时刻钢 筋 的锈蚀深度 将混凝土表面出现可接受最大外观损伤时的钢 筋锈蚀 深度 h 作 为 结构 抗 力， h 可按 下 列公 式 估算 配有圆形钢筋的杆件 ： h d 一 0 2 5 5 + 0 0 1 2 - y+ 0 8 41 0 一f u k ( 1 8 ) “ 配有带肋钢筋 的杆件 ： h d一 0 2 7 3 + 0 0 0 8 + 0 5 5 1 0 一f k ( 1 9 ) 式中： 厂 c 为混凝土立方体抗压强度标准值 第 3期 钟小平 ， 等 ： 氯盐环境下混凝 土结构的耐久性设计方法 5 4 9 4 3 2 极限状态方程 当确定 了荷载作用效应及抗力模型后 ， 锈胀损 伤达到最大可接受程度的极限状态方程及失效概率 分 别 为 ： Z R S( )= = =口 d h d a h( )一 0 ( 2 O ) P f p RS ( ) O 一 户 a d h d a h( ) O ( 2 1 ) 式 中： a 为计算 的模式不确定 系数 ； a为采 用式 ( 1 7 ) 确定钢筋锈蚀深度的模式不确定系数 4 3 3 耐久性抗力分项系数 y 计算 以混凝土表面出现可接受最大外观损伤时 的钢 筋锈蚀深度作为结构耐久寿命终结的标 准 采用如 同钢筋初锈及保护层胀裂极限状态一样 的方法来确 定耐久性抗力分项 系数 y 根据钢筋锈蚀深度达 到最大可接受程度的耐久 目标可靠指标 一2 0 ， 考 虑不同的环境作用等级 ， 然后按照表 4数据 ， 可求得 y D 结果 同样列 于表 3 当确定 了不 同环境条件及不同耐久性极 限状态 的荷载 和抗 力分 项 系数后 ， 即可按 照式 ( 4 ) 的分 项 系 数设计表达式对结构 的耐久性进行定量设计 ， 以保 证劣化结构在设计使用寿命期 内具有合格的可靠指 标要求 5 结论 ( 1 ) 以结构可靠度理论为基础 ， 引入荷载和抗力 变量的分项系数来反映结构耐久 目标可靠指标的要 求 ， 并按照概率设计与分项 系数设计具有相同可靠 度水平的原则 ， 建立了基于可靠度 的分项系数设计 实用表达 形式 ， 给出 了抗 力 分项 系数 取值 的确定 方 法 ( 2 ) 针 对 结 构 的 耐 久 适 用 性 能 ， 考 虑 GB T 5 0 4 7 6 -2 0 0 8 混凝土结 构耐 久 性设 计规 范 中海 洋氯化物环境作用等级 为 C( 中度) 、 D( 严重 ) 和 E ( 非常严重) ， 建立 了钢筋初锈 、 保护层锈 胀开裂及 锈胀损伤达到最大 限值这 3种状态下 的耐久性极 限状态方程 ， 并分 别给 出了不 同环 境作 用等 级及 不 同耐久性极 限状态下结构 耐久性抗力 分项系数 的取 值 参 考文 献 ： 1 G J DR V 0 E Du r a b i l i t y d e s i g n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s i n s e v e r e e n v i r o n me n t s M No r wa y ： Ta y l o r F r a n c i s ， 2 0 0 9 ： 1 2 4 2 2 D u r a c r e t e Ge n e r a l g u i d e l i n e s f o r d u r a b i l i t y d e s i g n a n d r e d e s i g n R s I ： Th e E u r o p e a n Un i o n B r i t e E u R a m 11 1 ， 2 0 0 0 3 F AB RI C E D， MYR I AM C， AL AI N S T o wa r d a p r o b a b i l i s t i c d e s i g n o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e d ur a b i l i t y： Ap p l i c a t io n t o a ma r i n e e n v i r o n me n t J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 9 ， 4 2 ( 1 0 ) ： 1 3 7 9 - 1 3 91 4 T uT TI KC o r r o s i o n o f s t e e l i n c o n c r e t e R S t o c k h o l m： S we d i s h Ce m e n t a n d Co n c r e t e Re s e a r c h I n s t i t ut e Re p o r t ， 1 9 8 2 5 钟小平 ， 金伟 良 混凝土结 构 全寿命性 能设计 理论 框架研 究 J 工业建筑 ， 2 0 1 3， 4 3 ( 8 ) ： 1 9 ZHONG Xi a o p i n g， J I N We i l i a ng F r a me wo r k o f d e s i g n t h e o r y o n wh o l e l i f e - c y c l e p e r f o r