锈蚀钢筋混凝土结构的剩余使用寿命实用计算方法.pdf

第 3 7卷 第 6期 2 0 1 0年 6月 建筑技术开发 Bu i l d i n g Te c hn i qu e De ve l o pme n t Vo 1 3 7，No 6 J u n 2 01 0 锈蚀 钢 筋 混凝 土 结构 的剩余 使 用 寿命实用计算方法 王晓刚 ( 1 烟 台大 学土木 工程 学 院 ， 山东烟 台 ， 2 6 4 0 0 5 ； 2 刘永峰 山 东泰 华路桥 工程有 限公 司 ， 山东烟 台 ， 2 6 4 0 0 3 ) 摘要 】 针对钢筋锈蚀引起的混凝 土结 构性 能劣化 ， 建立了锈蚀钢筋 混凝土结 构剩余使用 寿命的实用计 算方法。极 限状态定义为锈蚀结 构的安全性 、 适用性和耐久性评定等级 由等级 b降为等级 c的临界状态 ， 按现有 规范此 时锈蚀结构必须采取修复加固处理 。根据钢筋锈蚀对结构 性能 的影 响机理 ， 将 锈蚀结构 的使用寿命 周期分 为 ： 钢筋 未发生锈蚀 的初始阶段( T 。 ) ， 锈胀开裂前 的锈蚀发展阶段 ( ) ， 锈 胀开裂到极 限状态 的加速锈蚀阶 段 ( ) ， 并建立各 阶段锈蚀速率与结构性能退化模 型。在此基础上进行试算 ， 假设时间 ， 计算评定 时 间 点锈蚀结构 的等级 ， 调整 使某一控制指标 首先达 到极限状态 ， 由此确 定结构剩余 使用寿命 。最终 通过算 例验证此计算方法实际可行。 关键词 】 混凝土结构 ； 钢筋 ； 锈蚀 ； 使用寿命 中图分类号 】 T U 3 7 5 【 文献标志码 】 A 【 文章编号 1 0 0 1 - 5 2 3 X( 2 0 1 0 ) 0 6 - 0 0 0 8 - 0 5 1概 述 混凝土 中钢筋锈蚀 已经成 为影响钢筋混凝 土结构使用 寿命 的一个主要 问题 。锈蚀 一方面造成钢筋 有效受力截 面 减小 、 力学性 能退化 ， 大幅 削弱 构件 的安全 性 ； 另一 方 面锈 蚀钢 筋与混凝 土 间粘 结性 能退 化 ， 构 件 变形 增 大 ， 保 护层 锈 胀甚 至剥 落 ， 严重 危害结 构 适用 性 。 因此 ， 在 对 已有锈 蚀 损伤 的混凝 土 建 筑进 行 检 测 评 定 时 ， 需 要 对 其 剩余 使 用寿命 进行 评估 ， 以此 为后 继 维 护及 加 固修 复 处 理 提供 决策依 据 。 过去 的几十年 中， 国内外学者对锈蚀钢筋混凝土结构 的 剩余使用 寿命进行 了多方面研究 ， 提 出了多种相关计算分析 模型 1 - 9 和可靠度理论模型_ 4 J 。然而 ， 从对 结构性能影 响 的角度 ， 混凝土中钢筋锈蚀是 一个多 阶段的发展 过程 ： 锈蚀 开始前的侵蚀介质渗透 阶段 ； 锈蚀发生到保护层开裂 的锈蚀 发展阶段 ； 保护层开裂后 的加速锈蚀 阶段 ； 混 凝土保 护层完 全剥落后的 自然锈 蚀阶段 。由于各阶段 钢筋锈蚀 速率存在 较大差异 ， 锈蚀对结构性 能的影 响亦不一致 ， 这 给上述模 型 在实际工程中的应用带 来很 大局 限。本 文基于锈 蚀对结 构 安全性和适用性的影 响， 在综合 已有研究成 果 的基 础上 ， 结 合 国家和地方相关规范与标 准 ， 提 出了锈蚀钢筋混凝土结构 剩余使用寿命的实用计算方法。利用锈蚀发展三个阶段的特 征分别建立相关劣化模型 ， 最后采用试算法确定锈蚀结构的 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 31 5 作者简介： 王晓刚( 1 9 8 0 ) ， 男 ， 山东平度 人 ， 毕业于 同济大学 ， 博士 ， 讲师 ， 现从事混凝土结 构耐久 性、 结构鉴 定加 固相 关 的教 学与科研 工作。 8 剩余使用寿命 。 2锈蚀钢 筋混凝土结构的使用寿命 2 1 劣化 过 程 普通 大气中 ， C O ： 通过扩散进入 混凝 土 内部 ， 与 孔溶液 中水化产物发生反 映， 引起孔溶 液 p H值下 降 ， 并最终 导致 混 凝土 中预埋钢 筋发 生锈蚀 。虽然混凝 土中钢筋锈蚀 的化 学 转化过程没有完全 研究透 彻 ， 但所 有研究 都证 明锈蚀 产物体积引起体 积显著增 加 ， 对锈 蚀钢 筋周 围混凝 土产 生 径 向压力 。当混凝 土中由此产生 的环 向拉 应力超过混凝 土 抗拉强度后 ， 混凝土保 护层 便会产 生沿 钢筋 纵向 的锈胀 裂 缝 ， 使侵 蚀介质 更 易进入 混 凝 土 内部 ， 从 而导 致 劣化 速度 加快 。 混凝土中钢筋锈蚀引起 的结构性 能劣化是 一个 时变过 程 。根据锈 蚀对 结构性能产生危害的机理 ， 定义 以下几个关 键时问点 ： 1 ) 钢筋锈蚀 开始 时问 t ； 2 ) 混凝 土保护层 锈胀开 裂时间 t ； 3 ) 锈胀裂缝宽度 达到 限值时间 t 。 ； 4 ) 承载力降 至 限值时 间 t ； 5 ) 结构 变形达到 限值 时间 t ； 6 ) 横 向受 力裂缝 到达限值时间 t ； 如图 l 所 示。由此， 结构性能 劣化过程 可 分 为以下三个不 同阶段 ： 锈蚀开始 前的初始 阶段 ( 。 ) ， 锈蚀 开 始到锈胀裂缝 出现前 的发展 阶段 ( ) ， 锈 胀开裂 至极 限 状 态的加速锈蚀 阶段 ( ) 。 第 3 7卷 王晓刚 ， 等 ： 锈蚀钢 筋混凝土结构的剩余使 用寿命 实用计算方法 第 6期 二二承载 极眼 蠢二l二 _ 酬 ： ：锈 胀 裂 缝 宽 度 限 值 ； I 能 参 、 蛾 一 I t l ff f T T i 剩余使用寿命 图 1 钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构使用寿命影响 2 2极 限 状 态 定 义 不同研究 工作 中对锈蚀结构 的使用 寿命极 限状态定义 并不一致。B a z a n t 取混凝土锈胀 开裂作为极 限状态 ， 基 于锈 蚀机理 和弹性力学建立剩余使用寿命预测模 型 ， 这种极 限 状态定 义方式也被别 的研 究者所 采用 。然 而 ， 有 学者认 为以锈 胀裂缝 到达一定 宽度界 定极 限状态 更为合 理 。综 合来看 ， 多数锈蚀混凝土结构使用寿命 评估模 型中均采用锈 蚀开始或混凝土保护层锈胀开裂作为其 极限状态 ， 这在一定 程度上是 由于普遍认 为锈胀 开裂 后的锈蚀 加速 发展 阶段时 间相对很短 。然而 ， 近期研究 结果证 明 ， 对 于结 构全寿 命周期而言锈蚀初始 阶段可能仅 占很小 比例 J 。 为便于工程实际应用 ， 结合 相关 国家规 范标准 ， 本 文从结构可靠度 的角度 定义剩 余使用 寿命极 限状 态。钢筋 混凝土结构的可靠度 包括 三个方 面 ： 安全性 、 适 用性 和耐久 性 。这三方面均受到钢筋锈蚀 的显著影 响。随结构形式 、 功 能要求和环境条件的变化 ， 任何一方 面的可靠度指标 均可能 首先降至限值 以下。图 1中所示 t t 。 t t l 为 一特例 ， 对实际结构其大小关系随构件几 何尺寸 、 配筋方式及 环境条 件的不同而变化。在某些极端情 况下， 锈蚀 混凝土结构 的使 用寿命甚至可能在保护层 锈胀 开裂前便 因承载力 降低达 而 终 结 。 现有规范中 ， 通常根据某一特定 的指标将老化钢筋 混凝 土结 构评定 为 四个 等级 ， 如安 全性 、 变 形 或裂缝 宽 度 ， 见 表 1 表 3 _ l J 。结构剩余使用寿命定义为在正常维护使用条 件下 ， 未附加修复加 固处理结构能维持其 正常使用功能 的时 间。因此 ， 可 以取锈蚀钢筋混凝土结构 的可靠 度 由等级 b向 等级 c 的临界转换点作为其使用 寿命 极限状态 ， 此时按现 有 规范必须对结构 进行修 复处 理。实 际工程 中对锈蚀 结构进 行使 用寿命评估 时 ， 可根据实际情况取用 某一个或几个可靠 度指标作为极 限状态判别标准 。如环 境侵蚀作用较 轻时 ， 可 综合取用锈蚀结构 的安全性 评定 等级 和变形 评定 等级作 为 极 限状态判别标 准 ； 恶 劣腐蚀 环境 下 ， 极 限状 态宜 取锈胀 开 裂评定等级或锈胀裂缝宽度达到 0 1 5 0 3 m i l l 范围 内某一 限值作为判别标准 ” 川 ； 而预应力 混凝 土结构则 应选锈蚀 开 始作为极限状态判别标准 。 表 1 钢 筋 混 凝 土 结 构 安 全 性 等 级 评 定 标 准 注 ： 与 S分别为结构构件的抗力和荷 载作用 ， 。为结构重要性 系数 ， 7 R为抗力分项系数 。 表 2钢筋 混凝 土构件变形等级评定标 准 注 ： f n 为构件跨度 ； 为单层层高 ； 日为建筑总高度 。 9 第 6期 王晓刚， 等 ： 锈蚀钢筋混凝土结构 的剩余使用寿命 实用计算方法 第 3 7卷 表 3 锈 胀裂缝评定等级 等 级 b d 6 r ( Jy 0 8 。 ) 1 5 1 O 0 8 0 8 注： 6 。 为对应混凝 土保护 层锈 胀开裂 的临界 钢筋锈 蚀深度 ； 6 为钢筋实测锈蚀深度 。 3耐 久性劣化模型 3 1碳 化 模 型 现有碳化模型很多， 本文中采用一个考虑部 分碳 化区的 碳化深度预测模型 ， 见式 ( 1 ) ” 。 【 c 一 0 ， 0 ( 0 7 一 只 日 ) 182 9 2 1 f 1 一 R H ) 2 27 0 3 1 1 二 ： ( 卜 ， c。 ( 1 ) 式中 ， t 。 为部分碳化 区前锋 到达钢筋 表面 的时 间( d ) ； C 为混凝土保护层厚度； R H为相对湿 度； ( R H 0 8 0时取 R H= 0 8 0； k 为混凝 土混凝 土抗 压强度评定值( MP a ) 。 3 3锈胀开裂临界状态 随钢筋锈蚀 发展 ， 锈蚀产 物积 聚在钢 筋与混凝 土界 面 ， 对周 围混凝土施加径 向压 力 ， 并 最终 导致保 护层锈胀 开裂 。 对钢筋锈蚀过程 中锈胀 压力发 展及锈 胀开 裂的研究 主要通 过 以下三种方式 ： 基 于试验 的统计 分析 驯 ， 模拟试验 及力 学建模分析 。研究结 果表 明锈胀 临界状 态对应 的钢筋锈 1 O 蚀率主要影 响因素包括钢筋类型 、 混凝 土抗 拉强度和保护层 厚度与钢筋直径 的比值。临界锈蚀深度 6 可通过式 ( 4 ) 、 式 ( 5 ) 计算 。 杆件 ( 角部 钢筋 ) ： =0 0 1 2 c d+0 o o o 8 4 f o k+0 0 1 8 ( 4) 墙 、 板( 非角部钢筋) ： =0 0 1 5 ( c d ) +0 0 0 1 4 f o +0 0 1 6 ( 5 ) 3 4保 护 层 锈 胀 开裂 后 锈 蚀 速 率 保 护层锈胀开裂前 ， 混凝 土中钢筋锈蚀 速率很大程度上 受 到阴极 区氧气量 的影响 ， 此时氧气主要通 过扩散进入混凝 土内部 。在锈胀开裂后的加速锈蚀 阶段 ， 氧气 可通过裂缝迅 速 到达钢筋表面 ， 因此钢筋锈蚀 速度 大幅加快 。“ 混凝 土结 构耐久 性 评 定标 准 ” 给 出 了锈 胀 后 钢 筋 锈 蚀 速率 的估 算 公 式 ： A 。= ( 4 53 4 0 A 0 ) A 0 ( 6 ) 式 中 ， A 。 为保护层锈 胀开裂后 钢筋 锈蚀 速率 ， A 。 0 9 5 ； 2) 跨 中 挠 度 ，l o 3 5 0 ； 3 ) 锈 胀 裂 缝 宽 度 0 2 m m。由于未观察到钢筋锈蚀 ， 因此判断构件处于初始 阶 段。根据式 ( 1 ) 计算 得出 t 一 =1 7 5 2 8 d ， 说 明初始 阶段将 持 续 3 8年( 一 ) 。根据式 ( 4 ) 计算 得锈 胀开 裂时钢筋临界 锈蚀深度 为 o 0 4 6 n l m， 根据式 ( 3 ) 得锈蚀发展期钢筋锈蚀 速 率为 0 0 0 2 2 ra m 年 ， 即锈蚀第 二阶段将持续 2 0 9年 ( ) 。 混凝 土 保 护 层 开 裂 后 ， 钢 筋 锈 蚀 速 率 由 式 ( 6 )计 算 得 0 0 0 8 2 ram 年 。 首先假设 = 0 ， 进 行支座 截面 承载力验 算 ( ，。 ， Js ) =1 1 9 7 1 0 4 2 0 9 5 ， 跨 中截面 承载力 验算 R ( 7 。 ， S )= 8 8 7 4 6 1 0 9 5 ； 跨 中挠 度 验 算 f=5 6 6 I n m l 0 3 5 0= 1 3 7 mm， 均满足要求 。因此 ， 需要增 大 值 进行 下一 步试 算 。关键 时间点的计算结果列 于表 4， 在锈蚀 发展第三阶段 锈胀裂缝宽度首先达到极限状态 ， 成为 控制 因素 。由此计算 的剩余使用寿命为 5 9 7年。 工况 2 ： 在此工况 中锈胀 裂缝宽度 不再作为极 限状态 的 控制指标 ， 只考虑承 载力 和挠度 。重 复上述试 算过程 ， 最终 发现支座截 面承 载力 成为 控制 因 素 ， 结 构剩 余使 用 寿命 为 8 3 6年 。 表 4关键 时间点控制指标的计算结果 6结 论 综合现有耐久性相关研究成果并结合 相关规范标准 ， 提 出了锈蚀钢筋混凝 土结构剩余 使用 寿命 的计算方 法。相 比 传统使用寿命预测模 型多针对某一 特定 耐久性 问题 ， 本文所 建立模型更偏重 于方 法论 和实用 性。替换相 应 的耐 久性劣 化模型后 ， 此方法亦 可用 于氯离子侵蚀 引起 的结构锈蚀 寿命 预测。另外 ， 考虑到试算 过程非 常繁琐 ， 建议 编制计 算机程 序完成此部分工作 。 参 考 文 献 1B a z a n t z P， P h y s i c a l m o d e l s t r u c t u r e s a p p l i c a t i o n s J 1 9 7 9， 1 0 5 ( 6 ) ： p l 1 5 51 1 6 6 f o r s t e e l c o r r o s i o n i n c o n c r e t e s e a AS C E J o u r n al o f S t r u e t u r a l Di v i s i o n， 2 L i u Y P ， We y e r s R E， M o d e l i n g t h e t i m e - t o c o r r o s i o n c r a c k i n g i n c h l o r i d e c o n t a mi n a t e d r e i n fo r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e sJ A C I Ma t e ri a l s J o u r n a l ， 1 9 9 8 ， 9 5 ( 6 ) ： p 6 7 56 8 1 3K a p i l e s h B h a r g a v a ， G h o s h A K， Y a s u h i ro Mo r i ， S -R a m a n u j a m， An aly t i c a l mo d e l for t i me t o c o v e r c r a c k i n g i n RC s t ruc t u r e s d u e t o 1 2 reb a r c o r r o s i o n J N u c l e a r E n g i n e e ri n g a n d D e s i g n ， 2 0 0 6， 2 3 6： p l 1 2 31 1 3 9 4 C h e u n g M S ， K y l e B R， S e r v i c e l if e p r e d i c t i o n o f c o n c r e t e s t r u c t u res b y r e l i a b i l i t y a n a l y s i s J C o n s tr u c ti o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri al s ， 1 9 9 6， 1 0 ( 1 ) ： 045 5 5 5 L i C Q， R e l i a b i l it y b a s e d s e rvi c e l i f e p re d i c t i o n o f c o r r o s i o n a ff e c t e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s J J ： rna l o f S t r u c t u r al E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 4， 1 3 0 ( 1 0 ) ： p 1 5 7 01 5 7 7 6 S a g o eC r e n t s il K K， G l a s s e r F O， C o n s t it u t i o n o f g r e e n r u s t and i t s s i g n i fi c a n c e t o the c o r r o s i o n o f s t e e l i n p o r t l a n d c e me n t J C o r r o s i o n ， 1 9 9 3 ， 4 9 ( 6 ) ： 0 4 5 7 4 6 3 7 Mo r i n a g a S， P r e d i c t i o n o f s e r v i c e l i f e o f rei n f o r c e d c o n c r e t e b u il d i n g s b a s e d o n t h e c o r r o s i o n r a t e o f r e i n f o r c i n g s t e e l C D u r a b i l i ty o f b u i l d i n g ma t e ria l s a n d c o mp o n e n ts，P r o c o f t h e 5 th i n t e rn a t i o n al c o n f e r e n c e h e l d i n Bri g h t o n， UK， 1 9 9 0 8 张誉 ， 蒋利学 ， 张 伟平 ， 屈文 俊 混凝士结 构耐久性 概论 M 上 海 ： 上海科学技术出版社 ， 2 0 0 3 9 J u n g W Y， Y o o n Y S ， S o h n Y M， P r e d i c t i n g t h e r e ma i n i n g s e rvi c e l i f e o f l a n d c o n c r e t e b y s t e e l c o r r o s i o n ， J C e m e n t a n d C o n c r e t e r e s e a r c h ， 2 0 0 3 ( 3 3 )： p 6 6 3 6 7 7 1 O F u n a h a s h i M， P r e d i c t i n g c o r r o s i o n - f r e e s e rvic e l i f e o f a c o n c ret e s t r u c t u r e i n a c h l o ri d e e n v i r o n me n t J A C I Ma t e ri a l s J o u rna l ， 1 9 9 8 ， 9 5 ( 4 ) ： 0 4 4 5 4 5 3 1 1 O t s u k i N， M i y a z a t o S ， D i o l a N B， S u z u k i H， I n fl u e n c e o f b e n d i n g c r a c k a n d wa t e r c e me n t r a t i o o n c h l o ri d e i n d u c e d c o r r o s i o n o f ma i n r e i n f o r c i n g b a r s a n d s ti r r u p s J A C I Ma t e r i als J o u rnal， 2 0 0 0 ， 9 7 ( 4 ) ： 045 4 4 6 5 1 2 Mo h a mm e d T U， H a m a d a H， D i s c u s s i o n o n i n i t i a ti o n o f c h l o ri d e - i n d u c e d r e i n f o r c e me n t c o r r o s i o n i n c o n c r e t e s t r u c t u r al m e m b c m J A C I S t r u c t u r e s J o u rnal， 2 0 0 3， 1 0 0( 1 ) ： p 1 3 31 4 1 1 3 上海市工程建设 规范 既有建筑物 结构监测 与评定标 准 D G T J 0 8 8 O 4 2 0 O 5 s 上海 ， 2 0 0 5 1 4中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准民用 建 筑 可 靠 性 鉴 定 标 准 GB 5 0 2 9 2 -1 9 9 9 S 1 9 9 9 1 5 中华人民共和 国国家标准 工业厂房可靠性鉴定标准 G B J l 4 4 9 O S 北京， 1 9 9 0 1 6 A n d r a d e c， A l o n s o C， Mo l i n a F J ， C o v e r c r a c k i n g as a f u n c t i o n o f r e b a r c o rr o s i o n ： P a r t I e x p e ri me n t a l t e s t J Ma t e ri a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 3 ， 3 1 ( 2 1 1 ) ： 043 5 4 1 1 1 7 张伟平 ， 张誉 一般大气环境 条件下混凝 土中钢筋开始锈蚀 时 间的预测 J 四川建筑科学研究 ， 2 0 0 2 ， 2 8 ( 3 ) ： p 2 72 9 1 8 S o b h y G o u d a A l y Maso u d ， B e h a v i o r o f c o r r o d e d r e i n for c e d c o n c ret e b e a ms r e p a i r e d wi t h F RP S h e e t u n d e r mo n o t o n i c a n d f a t i g u e l o a d s D P h D t h e s i s o f Wa t e r l o o U n i v e r s i t y ， 2 0 0 2 1 9 中国工程 建设 标准化 协会标 准 ， 混 凝土结 构耐 久性 评定标 准 s C E C S 2 2 0： 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 7 2 O A n d r a d e ， c ， A l o n s o ， C ， Mo l i n a ， F J ， C o v e r c r a c k i n g a s a f u n c ti o n o freb a r c o rr o s i o n ： P a r t I e x p e ri m e n t a l t e s t J Ma t e ri als a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 3 ， 2 6 ( 1 6 3 ) ， P P 4 5 3 4 6 4 2 1 张伟平 ， 商登峰， 顾祥林 锈蚀钢筋应力 一应变关 系研究 同济 大 学学报(自然科学版 ) J 2 0 0 6 ， 3 4 ( 5 ) 5 5 8 6 5 9 2