混凝土结构耐久性设计的新进展

　最近20 年，工程界对混凝土结构耐久性的处置方法,发生了很大的变化。即从使用优质材料实现耐久性,转变为在设计阶段以合理的方法验算结构的耐久性。这一变化的沿革,表现在日本土木学会1986 年以来(约5 年修订一次) 编制的“混凝土结构标准规范”各种版本中。

　　1986 年版“混凝土结构标准规范”,纳入了极限状态设计方法,因而对“设计篇”进行了全面的修订;而对于混凝结构耐久性的相关规定却很不系统,只有混凝土氯化物的含量、裂缝宽度的核对、最小保护层厚度、大体积混凝土的施工等规定,散见于“设计篇”与“施工篇”。

　　作为“混凝土结构标准规范”的补充,1989 年出版的“混凝土结构物耐久性设计指针”中,提出以耐久性指数TP 、环境指数S P ,并以TP ≥S P 的方式检验混凝土结构的耐久性。这是首次提出的以定量的方法评价结构耐久性的设计方法。

　　1999 年版“混凝土结构标准规范”,把“施工篇”改为“耐久性核对型施工篇”。将结构的耐久性与结构的安全性置于同等重要位置,即像验算结构抗弯承载力、抗剪承载力一样,核对结构对混凝土的碳化、盐害的抵抗能力。同时引入混凝土碳化速度系数、氯离子扩散系数、绝热温升特性、碱骨料反应特性等概念,以保证耐久性核对的进行。

　　2002 年版“混凝土结构标准规范”,将“设计篇”改为“结构性能核对篇”,而恢复了“施工篇”。

　　这本规范把以往对混凝土裂缝宽度的验算与对混凝土盐害的抵抗能力的核对,进行了整合。即以钢筋位置氯化物离子的浓度Cd ,小于等于钢筋发生腐蚀的极限浓度Clim的方法,核对钢筋的耐久性。亦即:

式中γi 为结构物系数; Cd 按氯化物扩散移动模型预测,即公式(2) 。

　　式中C0 为由环境条件确定的混凝土表面氯离子浓度;γCl 为考虑预测值的不确定性的安全系数; c 为保护层厚度; Dd 为混凝土中氯离子扩散系数; t 为设计使用年限。

　　公式(2) 中的Dd 是氯离子在已发生弯曲裂缝的混凝土中的扩散系数,由式(3) 求得。

Dd = γcDk + η(W／l) D。

η = (WPWa ) 2

　　式中γc 为混凝土的材料系数; Dk 为无裂缝混凝土中的扩散系数;W 为裂缝宽度; l 为裂缝间距; Wa 为容许裂缝宽度; D0 为考虑裂缝影响的常数。

　　关于裂缝宽度的计算公式,较以往亦有所发展,如式(4) 。

　　式中k1 为钢筋形状影响系数; k2 为混凝土品质的影响系数; k3为预应力钢筋等级的影响系数; Cs 为钢筋中心的间距; < 为钢筋直径;σse为钢筋应力; Es 为钢筋弹模;ε′csd 为混凝土收缩、徐变的影响值。