浙江汉蓝环境科技有限公司
摘要: 在现代各行业的工程建设中，钢筋混凝土结构是普遍采用的结构形式，其功能和稳定性非常的重要，其直接影响着建筑物使用的安全和稳定，所以加强钢筋混凝土结构的耐久性设计就非常重要。本文结合工程实例主要探讨了现代建筑钢筋混凝土结构耐久性设计的相关问题。
关键词：钢筋混凝土结构；耐久性设计；可靠度设计
1钢筋混凝土的耐久性
强度高、刚度大、防火性能和耐久性好等是现代建筑钢筋混凝土结构几大特点，被各类工程广泛使用。然而，随着自然环境的不断变化，材料会出现老化，影响耐久性能，对建筑物的使用安全有着很大影响。引起钢筋混凝土结构耐久性损伤的原因有外因和内因，外因包括自然环境和使用环境，比如在一般环境中，二氧化碳、酸雨等会导致混凝土中性化，进而引起钢筋锈蚀，环境温度和湿度的变化也会使钢筋出现锈蚀、混凝土出现开裂等现象；灾害环境比如地震、火灾等会对结构造成偶发损伤，在环境和损伤共同作用下，随着时间的推移，结构性能会逐渐降低。内因指的是钢筋、混凝土自身存在的缺陷，一般来说，混凝土自身的缺陷来自于材料、结构设计、施工等方面的不足。混凝土碳化是指混凝土中的碱与大气环境中的二氧化碳发生化学反应，导致碱性降低，进而失去对钢筋的保护作用，是造成钢筋脱钝锈蚀的前提。衡量混凝土碳化的指标为碳化深度，可表示为：
式中，SG为假定永久荷载效应；SQ为设计基准期内最大可变荷载效应。
当钢筋混凝土结构耐久性能退化，随着使用期的增加，结构可靠度指标也会随之降低，实际设计中，可调整可靠度指标，保证结构在基准期内最低可靠度指标满足相关规范要求。对于代表性钢筋混凝土构件的耐久性设计，应考虑荷载组合和荷载效应比、影响结构耐久性的因素（混凝土保护层厚度、钢筋和箍筋直径、区域环境、环境湿度、材料等）。钢筋锈蚀速度与钢筋直径有关，在条件相同情况下，钢筋直径越小，锈蚀量越大，在锈蚀开裂前，锈蚀速度较小，而开裂后，锈蚀速度会显著增加，相较于主筋，箍筋锈蚀程度更大，以直径为22mm的钢筋和直径为8mm的箍筋为例，结合有关试验结果，其钢筋锈蚀率见表1。混凝土原材料的选用基本要求（设计年限50a）见表2。另外，考虑耐久性影响的不同预期使用期设计可靠指标不同，而不同预期使用期耐久性折减系数也不同。
2.2算例
某港区高10层的综合大楼工程，其钢筋混凝土简支梁为一般构件，计算跨度6m，恒荷载服从正态分布，活荷载标准值20kN/m，荷载统计参数取办公楼楼面活荷，即可变荷载，均值系数0.698，变异系数0.2882，分布类型极值Ⅰ型，分别按照不考虑和考虑耐久性退化进行设计，结构预期使用期分别为50a、100a。混凝土强度C30，截面尺寸250mm×500mm，钢筋为Ⅱ级，查表，结合相关计算公式求得截面所配钢筋面积分别为1116mm2和1300m2，配筋为4根φ20mm、4根φ22mm。由此可以看出，在给定环境下，对于预期使用期为50a的受弯构件的设计，可不考虑耐久性退化影响。
耐久性退化进行设计，结构预期使用期分别为50a、100a。混凝土强度C30，截面尺寸250mm×500mm，钢筋为Ⅱ级，查表，结合相关计算公式求得截面所配钢筋面积分别为1116mm2和1300m2，配筋为4根φ20mm、4根φ22mm。由此可以看出，在给定环境下，对于预期使用期为50a的受弯构件的设计，可不考虑耐久性退化影响。
3基于抗震承载力和改进能力谱法的钢筋混凝土结构耐久性设计
3.1基于结构抗震能力分析的改进能力谱法
验算钢筋混凝土结构在不同使用期限内的抗力水平能否满足要求非常有必要，特别是要验算大震下结构薄弱层的弹塑性位移。首先经过Pushover分析确定结构等效单自由度体系抗力曲线，之后按照曲线将结构的位移响应确定下来，采用非线性分析法即改进的能力谱法进行设计，以为结构耐久性极限的确定提供可靠依据。地震位移反应公式：
3.2算例
以该工程为例，钢筋混凝土结构框架为规则框架，边跨6m，中跨2.7m，除底层层高为4.2m外，其他几层为3.6m，混凝土强度C30，钢筋为Ⅱ级，箍筋Ⅰ级。假定场地设防烈度8度，为Ⅱ级场地，近震。梁截面尺寸250mm×500mm，柱截面尺寸500mm×500mm，边柱配筋1250mm2，经计算，中柱配筋：1层1637mm2，2层1282mm2，3～5层1250mm2，满足我国现行建筑结构抗震设计规范要求。
建筑物位于潮湿环境，锈蚀临界相对湿度为60%，由钢筋截面损失率和钢筋屈服强度变化系数与结构服役年限的关系可知，在服役11.7a后，钢筋开始锈蚀，服役22.5a，混凝土出现开裂，钢筋锈蚀后，钢筋截面损失率增加，混凝土开裂后则迅速增加。服役时间为50a时，钢筋混凝土结构钢筋截面损失率为10.5%，钢筋强度下降了12.6%。经改进能力谱法分析，大震下新建结构底层层间相对位移为1.60%，与相关规范要求相符合，使用50a时为1.89%，比新建结构增加15.3%，满足相关规范要求，也就是说在承载力作用下，50a设计预期使用期内满足耐久性要求。但在罕见地震下结构薄弱层弹塑性层间变形几乎接近抗震规范设计中的限值，因而对于预期使用期超过50a的钢筋混凝土结构，应在做好耐久性设计的同时重视耐久性退化后抗震性能的验算。
结束语：
综上所述，钢筋混凝土结构作为现代工程建设广泛采用的一种结构形式，必须高度重视其耐久性设计。实际设计过程中，应密切结合当地环境条件、工程地勘报告以及施工条件等，参照国家及行业现行标准和有关应用手册，有针对性地进行设计，需注意的是，不能在耐久性要求的最小保护层厚度内加设没有防锈措施的钢筋网，只有在满足“应用条件”的基础上，才能采取掺阻锈剂作为补充防腐措施，以适当提高混凝土的护筋性，真正做到安全、适用、经济、绿色、美观。
参考文献:
[1]薛文.基于全寿命理论的海工混凝土耐久性优化设计[D].杭州：浙江大学,2011.
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[3]杨兵.试论混凝土结构的耐久性设计方法[J].科技创新与应用,2014（28）:235.
论文作者:李艳霞
论文发表刊物:《基层建设》2017年1期
论文发表时间:2017/4/11
标签：钢筋论文; 耐久性论文; 锈蚀论文; 混凝土论文; 结构论文; 混凝土结构论文; 截面论文; 《基层建设》2017年1期论文;