某高速鐵路混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計PPT

1、XX 高 速 鐵 路高性能混凝土知識及施工技術(shù)培訓(xùn)班 混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性 及耐久性設(shè)計2004年7月29日高性能混凝土是以耐久性和可持續(xù)發(fā)展作為基本要求，并適合工業(yè)化生產(chǎn)和施工的混凝土與傳統(tǒng)的混凝土相比，高性能混凝土在配比上的特點是低用水量，較低的水泥用量，并以礦物摻合料和化學(xué)外加劑作為水泥、砂、石和水之外的必須組分。 中國土木工程學(xué)會高強與高性能委員會 高性能混凝土 定義、現(xiàn)狀與發(fā)展方向混凝土材料的耐久性 混凝土抵抗大氣作用、化學(xué)侵蝕、磨損等劣化過程而維持其原有質(zhì)量和使用性能的能力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性 結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件在各種作用下長期維持其所需性能的能力1）一般作用 一般荷載與強制變形 永久荷載-

2、 自重，土壓力 可變荷載- 使用荷載（人群、車輛、設(shè)備），風(fēng)雪 2）偶然作用 地震、爆炸、撞擊等3）環(huán)境作用（或環(huán)境影響） 溫、濕度及其變化，降水，冰凍等大氣作用； 土體、水體、空氣中有害化學(xué)物質(zhì)作用結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮的三類作用 作用承載力極限狀態(tài)下安全性正常使用下適用性設(shè)計的主要內(nèi)容規(guī)定作用下構(gòu)件承載力安全性結(jié)構(gòu)整體牢固性變形、裂縫、振動等控制耐久性一般作用疲勞持久荷載強度設(shè)計（力學(xué)計算）偶然作用整體牢固性設(shè)計環(huán)境作用安全性通過正常使用下的適用性加以保證（將劣化程度控制在規(guī)定的容許值以內(nèi)）耐久性（防腐蝕）設(shè)計混凝土是世上用量最大的人造材料基礎(chǔ)設(shè)施工程主要用混凝土結(jié)構(gòu)建造混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性已成為世

3、界性問題一、混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性現(xiàn)狀美國的公路橋梁 主要是60年代后的鹽腐蝕美國聯(lián)邦公路局資料 登記在冊（政府管理）橋梁： 1992年 57.2萬座，有缺陷21 1999年 58.6萬座，有缺陷15 拆除老橋費用持續(xù)增加1998年美國土木工程學(xué)會報告 美國現(xiàn)有29%以上的橋梁和1/3以上的道路老化，有2100個水壩不安全，估計需有1.3萬億美元改善其安全狀態(tài)又據(jù)資料報道 到20世紀(jì)末美國共有橋梁約100萬座，超過1/4有缺陷 由于改進了橋梁耐久性設(shè)計方法并采用了許多新的防腐技術(shù)，美國新建橋梁的耐久性比二、三十年前有很大改善，預(yù)期已能滿足75年以上設(shè)計壽命 但是過去建成的橋梁已無法改變，仍將繼續(xù)為

4、其付出昂貴的維修費用直至最后拆除重建 美國每年用于基礎(chǔ)設(shè)施修復(fù)的費用約為這些基礎(chǔ)設(shè)施總資產(chǎn)的10% 研究認為，對于橋梁等生命線工程，因修復(fù)、更換造成交通延誤等間接損失更大，間接經(jīng)濟損失是直接用于橋梁修復(fù)費用的10倍。 在加拿大，為修復(fù)其劣化損壞的全部基礎(chǔ)設(shè)施工程估計需耗費5000億美元 在英國，據(jù)說有1/3的橋梁需要修復(fù) 發(fā)達國家土建設(shè)施腐蝕造成的年損失約占GDP的1.52%，其中主要是混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足的嚴(yán)重性影響工程正常使用，縮短工程使用壽命 巨大的經(jīng)濟損失 建造費用維修費用拆除與廢棄物處置費用年限背離可持續(xù)發(fā)展的道路 資源枯竭，國土破壞、環(huán)境污染 廢棄混凝土難以處置北美（

5、加拿大安大略?。┕窐蛎姘迥途眯栽O(shè)計要求!宜賓南門大橋橋面垮塌 我國目前水泥年產(chǎn)量如配置混凝土，年人均近3.3噸 混凝土用量過大，過度開采礦石和砂、石已在許多地方造成資源破壞，嚴(yán)重影響環(huán)境和景觀。每生產(chǎn)1t水泥熟料消耗大量燃煤與電能，并排放約1t二氧化碳 混凝土過早劣化，處置廢舊工程的混凝土垃圾將給環(huán)境帶來威脅 結(jié)構(gòu)耐久性不足的主要原因 工程設(shè)計的耐久性標(biāo)準(zhǔn)過低工程施工進度的不適當(dāng)追求 缺乏正常檢測與維修構(gòu)件強度設(shè)計的安全設(shè)置水準(zhǔn)過低公路橋梁結(jié)構(gòu)的安全設(shè)置水準(zhǔn) 最常用車輛（我國為汽超20系列）作用于 30米跨度的簡支梁橋 橋梁需承受的活荷載效應(yīng)（標(biāo)準(zhǔn)值）- 美國和英國規(guī)范分別比我國規(guī)范大12%

6、和29% 活荷載安全系數(shù) -我國1.40，美國1.75，英國的1.73 橋梁需承受活荷載效應(yīng)設(shè)計值 - 美國和英國規(guī)范分別比我國規(guī)范大40%和59% 材料設(shè)計強度我國規(guī)范規(guī)定的較高 對車輛活荷載，我國橋梁的設(shè)計承載能力為美、英的68%和60%；永久荷載的荷載系數(shù)又過低 此外，還有計算方法不同對安全設(shè)置水準(zhǔn)的影響 - 如美國規(guī)范對沒有冗余度的簡支梁橋，需額外提高安全系數(shù), 在預(yù)應(yīng)力混凝土梁抗剪能力上，我國規(guī)范公式偏于不安全工程設(shè)計的耐久性標(biāo)準(zhǔn)過低結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范主要考慮荷載作用下的結(jié)構(gòu) 構(gòu)安全性，環(huán)境作用下的耐久性設(shè)計被 置于次要和從屬地位規(guī)范中沒有結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命和耐久性設(shè)計的 明確要求耐久性設(shè)計要求

7、，未能隨著幾十年來由于 水泥性能、施工條件、環(huán)境條件的巨大轉(zhuǎn) 變而與時俱進我國現(xiàn)行規(guī)范（80年代頒布）與國外比較 配筋混凝土 我國 美國 英國最低強度 等級 C15 C25 C30（C25） 碳化銹蝕 露天雨淋環(huán)境下保護層厚度板2cm 梁3cm3.8cm （d16）C35, 3.5cm干濕交替下C40，4cm 嚴(yán)重凍融僅水工規(guī)范 要求引氣要求引氣 要求引氣日本規(guī)范規(guī)定的更高（最低相當(dāng)于C35，100年壽命為C45 ）鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)絕大部分用素混凝土， 混凝土強度等級過低，隧道襯砌裂損 腐蝕和滲漏現(xiàn)象普遍據(jù)1997年調(diào)查，鐵路隧道發(fā)生裂損的數(shù) 量約占當(dāng)年隧道擁有量的10%抽樣調(diào)查，漏水隧道數(shù)量

8、占50.4%，有的 區(qū)段高達94%，導(dǎo)致鐵路鋼軌銹蝕、道 床翻漿、電力牽引設(shè)備漏電據(jù)1998年統(tǒng)計，鐵路隧道受腐蝕裂損的 占隧道總數(shù)的13.2% 規(guī)范的耐久性設(shè)置水準(zhǔn)基本上停留在解放初或50年代國際水平由于水泥強度提高和施工進度加快,實際 耐久性質(zhì)量大幅度下降 早強水泥配制的混凝土，內(nèi)部微結(jié)構(gòu)和后期強度發(fā)展 不良，易開裂，耐久性差規(guī)范還阻礙粉煤灰等摻合料和引氣劑的使用,為改善混凝土結(jié)構(gòu)耐久性帶來不良后果 工程施工進度的不適當(dāng)追求養(yǎng)護不良使表層混凝土的抗?jié)B性成倍降低，使 鋼筋開始銹蝕的年限成倍縮少 1天養(yǎng)護與7天養(yǎng)護，可使碳化引起銹蝕年限縮減為原來的1/4搶工省略必要檢驗工序，使鋼筋位置出現(xiàn)偏差

9、 鋼筋的保護層厚度如在施工中縮減一半，出現(xiàn)銹蝕年限將縮減為原來的1/4 保護層厚度的510mm施工允差，甚至能使鋼筋銹蝕的年限發(fā)生成倍差別結(jié)構(gòu)各種施工、連接縫和防水層是影響耐久性的 薄弱環(huán)節(jié)，其質(zhì)量在快速施工中最不易保證。 缺乏正常檢測與維修結(jié)構(gòu)耐久性需要有正確使用和正常檢測與維修相配合重新建、輕維修，是土建建設(shè)管理工作中的重大缺陷對于基礎(chǔ)設(shè)施工程，應(yīng)在設(shè)計中進行結(jié)構(gòu)全壽命經(jīng)濟分析與評價只有適當(dāng)加大初始投資費用，強化結(jié)構(gòu)耐久性，才是最經(jīng)濟有效的途徑 ？大型工程的耐久性？ 地下工程主體結(jié)構(gòu)混凝土C20 跨海大橋浪濺區(qū)混凝土C30，保護層 34cm 高邊坡預(yù)應(yīng)力錨索、高強錨桿無雙重保護 特大橋梁的

10、公路橋面板底部保護層1.5-2cm二、環(huán)境作用下混凝土結(jié)構(gòu) 的劣化與混凝土的抗?jié)B性混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化鋼筋銹蝕 氯離子引起 水 氧 近海環(huán)境、除冰鹽環(huán)境，氯離子從外表侵入 海砂、防凍鹽用于混凝土，氯離子拌入 碳化引起 二氧化碳 水 氧凍融破壞 水飽和程度 凍融循環(huán)次數(shù) 混凝土損傷剝落硫酸鹽、酸、軟水侵蝕堿骨料反應(yīng)混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)骨料，水泥漿體，漿體與骨料界面層水泥漿體組成：水化硅酸鈣（C-S-H凝膠），水化鋁硫酸鈣（少量）氫氧化鈣（強度差，易析出和遭鹽、酸侵蝕，堿性），未水化水泥顆粒C-S-H 凝膠孔隙（納米級，與有害物質(zhì)滲透關(guān)系不大），毛細孔隙（原為拌合水占據(jù)空間，0.015微米；高水灰比混凝

11、土可到50微米，早期體積可占漿體40）氣泡（裹入氣泡和引氣氣泡）低水膠比能改善混凝土漿體及其與骨料間的界面 微結(jié)構(gòu)，降低毛細孔隙率摻加粉煤灰等礦物摻和料能降低水化熱和減少拌 合水，改善水化產(chǎn)物的微結(jié)構(gòu)；通過火山灰反應(yīng) ，進一步改善漿體及骨料界面結(jié)構(gòu)并增加混凝土 后期強度與密實性，消耗薄弱的水化產(chǎn)物氫氧化 鈣；大摻量粉煤灰混凝土對氯離子有吸附作用， 并能抑制堿骨料反應(yīng)傳輸機理：擴散 自由分子或離子通過無序運動從高濃度到低 濃度區(qū)的流動，驅(qū)動力是傳輸介質(zhì)中的濃度 差，擴散規(guī)律通常用Fick定律描述吸收 多孔材料毛細孔隙（中空）表面張力引起的 液體傳輸滲透 壓力差驅(qū)動下產(chǎn)生的液體或氣體的流動 ， 對

12、水的流動用達西定律表達此外還有吸附（物理或化學(xué)結(jié)合）混凝土的抗?jié)B性（抗侵入性）混凝土阻擋外部分子、離子或流體侵入傳輸?shù)交炷羶?nèi)部的能力二氧化碳和氧氣通過空氣中的擴散傳輸氯離子通過水溶液中的擴散和溶液受毛細空隙的表面張力吸收傳輸混凝土濕度和溫度對傳輸有很大影響：濕度高，毛細孔隙內(nèi)充水程度高，氣體擴散受阻濕度低，毛細孔隙中空，離子溶液被吸入碳化速率RH 5075最高，75%迅速降低，100 氯離子濃度 水中mg/l , 干濕交替 長期浸水 土中mg/kg 潮濕 100500 5005000 150750 5005000 500020000 7507500 500010000 2000040000

13、750015000 環(huán)境類別選定一種最主要的環(huán)境類別進行設(shè)計多種環(huán)境作用影響 荷載對環(huán)境作用影響 耐久性設(shè)計內(nèi)容按 環(huán)境類別，環(huán)境作用等級，設(shè)計年限確定： 1 混凝土材料 2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造和裂縫控制 3 施工要求 4 使用階段檢測和維修 5 防腐蝕附加措施氯離子環(huán)境下的重要工程，按劣化模型計算復(fù)核1 混凝土材料選擇1) 選用低水化熱、低C3A含量、偏低含堿量水泥2) 選用堅固耐久的潔凈骨料，重視粗骨料級配及 粒形3) 礦物摻和料作為一般情況下的必需組份4) 將適量引氣作為常規(guī)手段5) 采用偏低的用水量6) 限制單方混凝土中膠凝材料最低和最高用量 7) 盡可能降低膠凝材料中的硅酸鹽水泥用量強度與耐久

14、性的矛盾 粉煤灰 引氣劑低水膠比與抗裂性的矛盾 2 構(gòu)造措施和裂縫寬度限制 1)隔絕或減輕環(huán)境對混凝土的作用 結(jié)構(gòu)形狀，防、排水， 2)鋼筋的混凝土保護層 3)混凝土裂縫控制混凝土表面裂縫寬度限制與保護層厚度的矛盾 鋼筋保護層 普通鋼筋（主筋、箍筋和分布筋）的混凝土保護層厚度 c cmin + 預(yù)應(yīng)力筋的混凝土保護層厚度: 無密封護套的比普通鋼筋大 10 mm 環(huán)境作用等級為C或C級以上（對無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋為B或B級以上），應(yīng)采用有防腐連續(xù)密封護套的預(yù)應(yīng)力鋼筋。 3 施工要求與施工質(zhì)量驗收必須將施工質(zhì)量保證作為耐久性設(shè)計中特殊重要的內(nèi)容 表層混凝土質(zhì)量混凝土養(yǎng)護質(zhì)量 保護層厚度的施工允許誤差

15、質(zhì)量檢驗 保護層厚度，含氣量，表層混凝土滲透性 （現(xiàn)場回彈、抗拔、抗?jié)B）鋼筋位置的誤差，5mm的施工誤差，可使20mm保護層厚度的墻、板鋼筋開始銹蝕的年限縮短近一半 養(yǎng)護不良影響更大 DuraCrete指南中，7天的養(yǎng)護系數(shù)為1天的2倍（氯離子作用）和4倍（碳化作用）可使工作壽命 從50年分別降到約25年和12.5年 施工質(zhì)量對結(jié)構(gòu)耐久性的重要性 4 使用期內(nèi)的維修和定期檢測 使用年限與使用階段維修緊密聯(lián)系 環(huán)境嚴(yán)重作用下的結(jié)構(gòu)物必須定期檢測 設(shè)計文件中必須向業(yè)主與運營單位提出使用過程中的定期檢測和維修要求 5 防腐蝕附加措施環(huán)氧涂層鋼筋混凝土表面防腐涂層、面層鋼筋阻銹劑滲透模板陰極保護四、不

16、同劣化機理下的耐久性設(shè)計碳化銹蝕影響碳化速率的主要因素：環(huán)境條件 濕度、溫度及其變化二氧化碳濃度混凝土堿度混凝土中二氧化碳的擴散系數(shù)碳 化Duracrete指南提出的模型： 各種碳化模型的普遍缺點是不能考慮干濕交替的影響 碳化引起銹蝕環(huán)境對付碳化銹蝕不應(yīng)成為一個問題 關(guān)鍵在于規(guī)范要提高標(biāo)準(zhǔn)，尤其干濕交替和炎熱環(huán) 境下的要求表面裂縫寬度的限制也不應(yīng)成為問題 橫向裂縫能使裂縫截面處的普通鋼筋提前發(fā)生局部銹蝕，但通常不會向周邊和深部發(fā)展，只當(dāng)保護層被碳化后，才能在鋼筋表面發(fā)展全面穩(wěn)定的銹蝕 混凝土規(guī)范的裂縫寬度限制不適用于較厚的保護層 預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力腐蝕則不同 碳化銹蝕GB500102002規(guī)范中，

17、要求100年設(shè)計壽命的保護層厚度為50年的1.4倍（即 t a ），這個規(guī)定值得探討碳化的深度到一定數(shù)值后有可能停止事實上，僅在不會發(fā)生銹蝕的干燥環(huán)境，碳化速度才與時間 t 的0.5次方成正比。潮濕環(huán)境（RH=81%）下與 t的0.4次方成正比，長期濕潤下（高濕度又經(jīng)常受雨淋）甚至與 t 的0.1次方成正比。凍融環(huán)境必須引氣 (B級可不引氣，但需提高一級選擇混凝土)低水膠比的混凝土，不大于0.5，氯鹽環(huán)境下不大于0.4新混凝土延遲受凍；加大構(gòu)件厚度；避免混凝土受濕混凝土抗凍性能指標(biāo)用耐久性指數(shù) DF表示100年與50年使用年限，在抗凍要求上的差別不明顯 （ Fagerlund，黃士元， Hob

18、bs ）一般凍融環(huán)境下，環(huán)境作用按降低一個等級選用保護層 厚度氯鹽引起銹蝕氯鹽引起的鋼筋銹蝕最為嚴(yán)重水下區(qū)混凝土缺氧，腐蝕速度極慢危險的是干濕交替區(qū)氯鹽輕度腐蝕下，采用水膠比不高于0.4（或最多不超 過0.45）的礦物摻和料混凝土與適當(dāng)?shù)谋Ｗo層厚度， 一般能解決問題 干濕交替、使用壽命又長的重要工程部位，可能需要防 腐蝕附加措施氯鹽環(huán)境下的裂縫寬度限制，不同標(biāo)準(zhǔn)差別較大氯鹽引起銹蝕 據(jù)DuraCrete的研究，氯離子侵入混凝土100年或50年后，濃度達到臨界值處的深度，即所需保護層厚度 為： 對于低水膠比的大摻量礦物摻和料混凝土，x約與 t 的0.150.20 次方成正比，并與大氣區(qū)、浪濺區(qū)、

19、水下區(qū)等不同環(huán)境 條件有關(guān)。100年與50年的差別不到15 對于不加礦物摻和料混凝土的普通混凝土，100年需比50年增加30 氯離子擴散系數(shù)的測定推薦 快速氯離子電遷移測定方法方法瑞典唐路平（CTH法），北歐NT標(biāo)準(zhǔn) ，德國 ibac-test 方法，DuraCrete標(biāo)準(zhǔn)，瑞士SIA標(biāo)準(zhǔn) 重要結(jié)構(gòu)物，采用多道防腐措施并定期檢測 丹麥Great Belt Link， 100年，隧道預(yù)制混凝土管片保護層35mm， 水膠比低于0.35，摻粉煤灰和硅灰，多道防腐措施 在襯砌與土體之間沿環(huán)向灌漿，增加覆蓋保護層厚度 環(huán)氧涂膜鋼筋 陰極保護作為最終手段 使用年限長、且有條件修理，采取定期修理并定期檢測

20、荷蘭Delta防浪堤， 200年，閘門支承配筋混凝土構(gòu)件浪濺區(qū) 預(yù)期壽命（按鋼筋銹蝕損失0.2mm估計）8090年五、基于材料劣化模型的使用壽命計算 氯離子引起鋼筋銹蝕通常用Fick第二定律描述： c 為氯離子濃度，D為擴散系數(shù)若D為常數(shù)，且邊界條件： 表面氯離子濃度cs為定值 可得解析解： 到90年代初，認識到擴散系數(shù)D 隨時間、離混凝土表面距離、氯離子濃度等因素變化，還與溫度、 pH值等多種因素有關(guān) 原先按 D 為常值的預(yù)測結(jié)果過份保守 Fick第二定律被認為誤用了25年 擴散系數(shù)擴散系數(shù)隨時間衰減的規(guī)律尚未完全明了 氯離子在傳輸過程中與水泥水化產(chǎn)物結(jié)合 早期混凝土密實性隨水化程度不斷完善

21、而提高 擴散系數(shù)隨時間變化規(guī)律符合指數(shù)函數(shù) D0為t = t0(開始暴露于氯鹽環(huán)境)時測得的擴散系數(shù)值 Poulsen建議，高性能混凝土與等效水灰比W/C有關(guān) Bamforth指出，主要與膠凝材料種類有關(guān) DuraCrete指南采用與膠凝材料種類和環(huán)境條件有關(guān) kc 養(yǎng)護系數(shù)，考慮養(yǎng)護時間長短 ke 環(huán)境系數(shù)，考慮海洋不同環(huán)境（水下區(qū)、大氣區(qū)、浪濺區(qū)等） 與不同膠凝材料的影響 值對混凝土抗氯離子能力有著十分巨大的影響 指數(shù)變化規(guī)律只是根據(jù)短期測試數(shù)據(jù)得出， 外推預(yù)測必須小心 氯離子臨界濃度 DuraCrete取與水膠比有關(guān)，表中數(shù)據(jù)代表均值 氯離子表面濃度隨環(huán)境條件而變處于海水中混凝土，表面濃

22、度一般與海水中氯鹽濃度接近 Bamforth 建議用于設(shè)計的表面濃度cs（按混凝土重計算）括號內(nèi)為每方混凝土膠凝材料為400kg時，按膠凝材料重表示的cs值 DuraCrete提出表面氯離子濃度與混凝土水 膠比和膠凝材料種類有關(guān) 水膠比0.4、30%粉煤灰和70%硅酸鹽水泥配 比的混凝土，在水下區(qū)、潮汐區(qū)和大氣區(qū)分 別約為膠凝材料重的4.2%，3.1%和1.3% DuraCrete數(shù)據(jù)為平均值，具體設(shè)計時，要 在平均值上乘、除分項系數(shù)耐久性計算模型用于預(yù)測未來，無法進行驗證氯離子入侵海洋工程混凝土，基本以Fick定律為計算模型19701990 視擴散系數(shù)D和表面濃度cs為常值90年代，擴散系數(shù)

23、引入了隨時間變化的指數(shù)表達式，仍用解析解90年代，采用數(shù)值解，發(fā)展多種計算程序，可考慮氯離子結(jié)合 以及表面濃度變化 Fick定律的擴散機理不能描述： 水中混凝土的表層氯離子還可以通過對流、滲透的機理傳輸 大氣或干濕交替混凝土表面氯離子依靠混凝土孔隙毛細吸力機理傳輸 劣化計算模型分析不確定性 瑞典Nilson的試驗針對一種水膠比0.4、摻有硅灰的混凝土，處于海洋浪濺區(qū)和水下區(qū) 定量計算方法的困惑Poulson 的諾模圖 當(dāng) W/C = 0.39, cs =0.7% , cc = 0.1%, a = 60mm 得 工作壽命90年 如 cc = 0.09% , 其它不變, 則壽命變?yōu)?0年 如 W/

24、C = 0.40 , 其它不變, 則壽命變?yōu)?3年 如 W/C = 0.41 , 其它不變, 則壽命變?yōu)?4年DuraCrete的計算結(jié)果也有類似情況 突出 用計算公式對混凝土結(jié)構(gòu)進行強度設(shè)計，已有百年以上的歷史；而用計算模型對混凝土結(jié)構(gòu)進行耐久性設(shè)計的探索還不到30年，現(xiàn)在還主要處在研究階段，目前尚不能作為一種普遍可用的設(shè)計方法 但氯鹽環(huán)境下的重要工程，應(yīng)該利用最新的研究成果，在設(shè)計中利用計算模型對使用壽命進行近似的估算 通過理論的或經(jīng)驗的計算模型進行使用壽命預(yù)測，困難在于模型中的參數(shù)難以選取，而且模型與實際之間存在的差異過大“耐久性預(yù)測不可能是一門精確的科學(xué)， 結(jié)構(gòu)使用壽命的預(yù)測只能是個估

25、計” 萬一估計不足，如果設(shè)計中已考慮了可修復(fù)性和定期檢測的要求，總還有辦法對付 采用高性能混凝土是保證京滬高速橋涵百年設(shè)計壽命的必需但要達到百年設(shè)計壽命還必須有其它的耐久性設(shè)計和施工措施（正確的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和詳盡的施工質(zhì)量檢驗條例）以及使用過程中的監(jiān)測相結(jié)合高性能混凝土的配制尚應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐脑咸攸c和氣候環(huán)境特點進行調(diào)整通訊地址：混凝土結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性 土建結(jié)構(gòu)的首要功能是承重，如同人體中的 骨架，支撐整個工程設(shè)施，并作為房屋、 橋梁、隧道等各類土建工程的主體 在土建工程設(shè)施的使用期限內(nèi)， 建筑部件和建筑 設(shè)備一般需要定期更換，而承重的結(jié)構(gòu)則不能 為現(xiàn)代化建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施工程，其結(jié)構(gòu)設(shè)計必須 從一

26、開始就要滿足將來發(fā)達社會的高標(biāo)準(zhǔn)要求結(jié)構(gòu)安全性結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件在各種可能的外加作用下，防止破壞倒塌、保護人員財產(chǎn)不受損失的能力環(huán)境作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料性能隨時間衰退 劣化 -鋼材銹蝕、混凝土腐蝕結(jié)構(gòu)耐久性 結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件在環(huán)境作用下長期維持其所需性能的能力 結(jié)構(gòu)工程安全性 主要取決于設(shè)計、施工 水準(zhǔn)，也與使用、維修有關(guān)設(shè)計、施工水準(zhǔn)取決于工程法規(guī)、規(guī)范 所規(guī)定的安全設(shè)置水準(zhǔn)，也與工程技術(shù)和管理人員的水平與素質(zhì)相聯(lián)系結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全設(shè)置水準(zhǔn)起最主要作用土建結(jié)構(gòu)工程的安全性結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全設(shè)置水準(zhǔn) 結(jié)構(gòu)安全性 結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力的安全性 梁、板、柱等每一構(gòu)件有足夠承載力 結(jié)構(gòu)的整體牢固性 結(jié)構(gòu)不應(yīng)發(fā)生與其初始原因

27、不相稱的災(zāi) 難性后果，局部破壞不應(yīng)引發(fā)大范圍倒塌 結(jié)構(gòu)耐久性對安全性的影響 環(huán)境作用下的材料性能劣化應(yīng)在可接受 的范圍內(nèi) S（荷載效應(yīng)） R （構(gòu)件抗力） 安全水準(zhǔn)主要取決于： 1、荷載標(biāo)準(zhǔn)值 2、設(shè)計安全度 可靠度設(shè)計方法荷載分項系數(shù)，材料強度分項系數(shù) 安全系數(shù)設(shè)計方法荷載安全系數(shù)，材料強度分項系數(shù) 還與構(gòu)件內(nèi)力及構(gòu)件抗力計算方法的保守程度有關(guān)構(gòu)件承載能力的安全設(shè)置水準(zhǔn) 各國辦公樓樓層設(shè)計活荷載標(biāo)準(zhǔn)值kgf/m2 注：2003年起我國新設(shè)計的辦公樓樓層活荷載已改為200kgf/m2 中國 美國 英國法德俄加拿大 日本澳大利亞意大利 150 240 250 200 240 290 300 34

28、0不同建筑物的樓層活荷載標(biāo)準(zhǔn)值 kgf/m2 注：2003年起我國新設(shè)計的住宅、辦公樓樓層活荷載已改為200kgf/m2 體育館辦公樓辦公樓 門廳公寓住宅房間公寓住宅走廊學(xué)校教室學(xué)校走廊劇院門廳餐廳防火通道中國350150200150150200250300250同走廊美國480240480200480200390480480480安全保證率或安全儲備將荷載標(biāo)準(zhǔn)值乘以大于1的荷載分項系數(shù)（或荷載 安全系數(shù)）系數(shù)，作為荷載設(shè)計值將材料強度標(biāo)準(zhǔn)值除以大于1的材料強度分項系數(shù)（或材料強度安全系數(shù)） ，作為材料強度設(shè)計值活荷載 分項系數(shù)：我國1.4，英國1.6，美國1.7恒載 分項系數(shù)： 我國1.2，

29、美、英1.4 混凝土強度分項系數(shù)：我國1.35，英1.5 鋼材強度分項系數(shù)： 我國1.08，英、美1.15 辦公室設(shè)計的樓面活荷載 （標(biāo)準(zhǔn)值與安全系數(shù)的乘積） 我國只有英國的52.5%，美國的51.5%計算構(gòu)件承載能力時規(guī)定的材料強度安全系數(shù) 我國 比英美的低約1015%按美英規(guī)范設(shè)計的辦公室樓板構(gòu)件，承受活荷 載的能力比按我國規(guī)范設(shè)計的大一倍以上, 承受恒載（自重）的能力高出約15%結(jié)構(gòu)的整體牢固性結(jié)構(gòu)不應(yīng)發(fā)生與其原因不相稱的嚴(yán)重后果 局部失效不致造成大范圍連續(xù)倒塌破壞可靠的連接必要的冗余度良好的延性 延性 最大抗力下，維持繼續(xù) 變形的能力整體牢固性是防范災(zāi)害作用和重大人為錯誤造成 結(jié)構(gòu)災(zāi)難

30、性后果的重要保證 ISO2394的可靠度設(shè)計方法，明確要求結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮可預(yù)見的和不可預(yù)見的偶然作用與可能發(fā)生的重大人為錯誤。認為可靠度方法中的參數(shù)可從經(jīng)驗、決策、判斷等途徑獲得我國規(guī)范的可靠度方法強調(diào)所謂“先進的數(shù)學(xué)統(tǒng)計”，排斥設(shè)計中本應(yīng)考慮而無法統(tǒng)計的重要因素。只考慮主觀設(shè)定的所謂“規(guī)定作用” 盤錦燃氣爆炸一樓平面圖 石家莊爆炸案現(xiàn)場之一石家莊爆炸案現(xiàn)場之二山東章丘燃氣爆炸地震災(zāi)害20世紀(jì)死亡人數(shù)超過3萬人的地震有11次地震，共死亡116萬人。其中發(fā)生在中國有3次，死亡55萬 發(fā)生年份及國別 震級里氏近似值 死亡人數(shù) 萬1908 意大利1915 意大利1920中國1923日本1932中國1

31、935印度（巴基斯坦）1939智利1948蘇聯(lián)1970秘魯1976中國1990伊朗7.57.08.68.37.67.58.37.87.87.77.532314.3763107255唐山大地震同樣7.8級地震和100萬人口的城市 1976年唐山地震死25萬（實際死亡人數(shù)遠大于公布數(shù)據(jù)） 1985年的智利地震僅死亡150人 主要原因在于整體牢固性,另一原因是抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)偏低 我國工程設(shè)計的安全設(shè)置水準(zhǔn)在總體上偏低，即使按照同樣地震加速度作用進行設(shè)計，按照我國規(guī)范設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)抗震能力仍要偏低 衡陽113特大火災(zāi)衡陽大廈共8層、局部9層，9300平米1層為現(xiàn)澆混凝土梁柱框架，預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制板（局部

32、現(xiàn)澆板）。用作營業(yè)（但改為倉庫）2層以上為19厘米厚砌體墻（預(yù)制混凝土空心磚），預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制板砌體墻無局部芯柱，構(gòu)造柱無胡子筋梁體混凝土質(zhì)量不良，箍筋不足按我國規(guī)范的最小保護層厚度不能滿足耐火極限要求整體牢固性尚無度量標(biāo)準(zhǔn)英國規(guī)范規(guī)定: 假想的水平荷載 移去某一構(gòu)件只造成 局部損壞 （五層以上房屋） 豎向、橫向、周邊 均需拉筋相連 挪威規(guī)范也有類似規(guī)定， 歐洲規(guī)范有原則規(guī)定。重要的公共建筑物與橋梁等生命線工程的結(jié)構(gòu)應(yīng)該有更高的整體牢固性由于恐怖活動,土建工程的整體牢固性近年來更得到發(fā)達國家的高度重視 結(jié)構(gòu)安全事故的原因1) 人為差錯或人為錯誤 Human error 設(shè)計、施工和使用過程中

33、的人為差錯 l人為差錯不能完全避免，其頻發(fā)程度與人員素質(zhì)、 工作條件、工作環(huán)境等眾多因素有關(guān)l一般認為，凡屬違反法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)的即屬人為差錯l人為差錯與一般的誤差之間不存在本質(zhì)上界限 l偷工減料等惡意違法行為也屬人為錯誤 l標(biāo)準(zhǔn)是人訂的，也會有差錯 2)結(jié)構(gòu)安全設(shè)置水準(zhǔn)偏低 l與長期處于短缺經(jīng)濟和計劃體制的歷史條件有關(guān) l抗災(zāi)、應(yīng)對意外差錯、抗環(huán)境侵蝕能力低下 l隨著經(jīng)濟發(fā)展和生活水平提高，事故風(fēng)險后果愈益嚴(yán)重，安全設(shè)置水準(zhǔn)應(yīng)相應(yīng)提高 3)缺乏完整配套的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系及管理體制 l工程建設(shè)和使用在管理上缺乏立法約束行政不適當(dāng)干預(yù) l技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不配套，過分依賴技術(shù)規(guī)范的作用，缺乏指南、工法等更為詳盡具

34、體的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) l規(guī)范作用的錯位認識與管理 寧波招寶山大橋工程事故 改善土建結(jié)構(gòu)工程安全性與耐久性的主要途徑1 提高土建結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全設(shè)置水準(zhǔn)2 完善土建結(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)3 使用階段的定期檢測4 擺正技術(shù)規(guī)范的地位與作用5 其他1 提高結(jié)構(gòu)的安全設(shè)置水準(zhǔn)首先要提高抗災(zāi)能力，要提高城市房屋的抗震設(shè)防等級要增強結(jié)構(gòu)整體牢固性，人員密集的公共建筑應(yīng)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，一般不宜采用磚砌體承重或裝配式混凝土結(jié)構(gòu)；還要考慮可能的人為破壞襲擊要適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)設(shè)計活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值和結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力的安全儲備，特別是公共場所如劇院、體育場館）以及公用場所（如門廳、走廊）的樓面荷載設(shè)計時要考慮到今后使用荷載的可能

35、變化，尤其是橋梁等交通結(jié)構(gòu)2 完善耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計使用年限我國修訂的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)： 臨時性結(jié)構(gòu)（15年） 易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件（25年） 普通房屋和構(gòu)筑物（50年） 紀(jì)念性或特殊重要建筑物（100年及以上）歐洲共同體規(guī)范 分4類同上 并規(guī)定橋梁等各種土木工程結(jié)構(gòu)為 100年美國對橋梁的設(shè)計使用年限為不小于75100年日本建筑學(xué)會規(guī)范1997年修訂，提出建筑物設(shè)計使用年限分為三個等級，規(guī)定： 1）長期等級，不需大修的年限約100年 2）標(biāo)準(zhǔn)等級，公寓辦公樓建筑物，不需大修年限約65年，使用年限100年 3）一般等級，低層私人住宅，不需大修年限約30年，使用年限65年英國各類結(jié)構(gòu)物設(shè)計壽命

36、 橋梁、隧道等交通運輸結(jié)構(gòu) 120年 海洋工程 40年 一般房屋 60年 機場地面 520年 工業(yè)建筑 30年 法院監(jiān)獄 100年 國家機構(gòu)與紀(jì)念性建筑 200年 (英國國家圖書館250年)我國規(guī)范強制規(guī)定房屋設(shè)計壽命50年所存在的問題對大城市的高層住宅和大型建筑物偏短對某些工業(yè)生產(chǎn)廠房偏長對工礦建筑物，應(yīng)取決于礦產(chǎn)儲量和生產(chǎn)能力的服務(wù)年限合理規(guī)定土建結(jié)構(gòu)使用年限關(guān)系國家和個人重大利益混凝土材料選擇使混凝土有良好的抗侵入性、體積穩(wěn)定性和抗裂性 1) 選用低水化熱、低C3A含量、偏低含堿量水泥 2) 選用堅固耐久的潔凈骨料 3) 一般情況下，礦物摻和料應(yīng)作為必需組份 4) 將適量引氣作為常規(guī)手段 5) 采用偏低的用水量 6) 限制單方混凝土中膠凝材料最低和最高用量, 重視骨料級配及粗骨料粒形 7) 盡可能降低膠凝材料中的硅酸鹽水泥用量 強度與耐久性的矛盾： 粉煤灰 引氣劑 低水膠比與抗裂性的矛盾構(gòu)造措施和裂縫寬度限制 1)隔絕或減輕環(huán)境對混凝土的作用（防、排水措施） 2)控制混凝土開裂 3)為鋼筋提供充足的保護層混凝土表面裂縫寬度限制與保護層厚度的矛盾 增加保護層厚度，表面裂寬將增大，但對防止鋼筋銹 蝕仍然非常有利。 日本土木工程學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定 施工要