國內外混凝土橋梁耐久性設計方法及幾點思考

2015國際橋梁與隧道技術大會國內外混凝土橋梁耐久性設計方法簡介及幾點思考趙尚傳

研究員交通運輸部公路科學研究所2015年04月●上海交

流

內

容一、設計使用年限的相關規(guī)定二、我國耐久性設計方法簡介三、歐洲耐久性設計方法簡介四、日本耐久性設計方法簡介五、美國耐久性設計方法簡介六、幾點探討一、設計使用年限的相關規(guī)定

設計使用年限的含義

橋梁設計使用年限規(guī)定

耐久性對于保障使用年限的重要性(一)設計使用年限的含義橋梁使用年限（壽命）是行業(yè)主管部分和業(yè)主近年來關注的熱點。2014年《公路工程技術標準》（JTGB01-2014）設計使用年限：在正常設計、正常施工、征程使用和正常養(yǎng)護條件下，路面、橋隧、隧道結構或結構構件不需大修或更換，即可按其預定目的使用的年限。(二)設計使用年限的規(guī)定

2014年:《公路工程技術標準》（JTGB01-2014）主體結構中橋可更換部件公路等級特大橋大橋小橋涵洞斜拉索、吊

欄桿、伸縮索、系桿等

縫、支座等高速公路一級公路10010050二級公路三級公路201510010050503030四級公路

2008年：國標《工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準》（GB50153-2008類

別設計使用年限示

例小橋、涵洞1233050中橋、重要小橋100特大橋、大橋、重要中橋

2008年以前：

永久性半永久性臨時性(二)設計使用年限的規(guī)定國外橋梁設計使用年限的相關規(guī)定美國AASHTO：75年～100年

英國BS：100年~120年

歐盟Eurocode：100年

日本：100年(三)耐久性對于保障使用年限的重要性結構耐久性：在設計確定的環(huán)境作用和維修使用條件下，結構構件在設計使用年限內保持其安全性和適用性的能力。（國標）

（GB50153-2008）耐久性不足2點理解：（1）不能保證規(guī)定的設計使用年限。（2）不能滿足要求的安全性和適用性。二、

我國耐久性設計方法簡介

85版和04版《橋涵設計規(guī)范》

2006版《防腐蝕技術規(guī)范》

2008版《混凝土結構耐久性設計規(guī)范》(一)85版和04版《橋涵設計規(guī)范》《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》

JTJ023-85版：技術先進，經濟合理，安全適用，確保質量

JTGD62-2004版：技術先進，安全可靠，耐久適用，經濟合理耐久性基本要求（總則）另外，對鋼筋、預應力器具及混凝土抗凍等級和抗?jié)B等級提出原則要求(二)2006版《防腐蝕規(guī)范》JTG/TB07-01-2006《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規(guī)范》規(guī)定：公路混凝土結構的防腐蝕耐久性，應根據(jù)結構不同的設計基準期、不同的環(huán)境類別及其作用等級進行設計。

該規(guī)范的主要特點：（1）對環(huán)境類別劃分較細（7大類）：一般環(huán)境、一般凍融環(huán)境、除冰鹽（氯鹽）環(huán)境、近?；蚝Ｑ蟓h(huán)境、鹽結晶環(huán)境、大氣污染環(huán)境、土中及地表地下水的化學腐蝕環(huán)境（2）僅提出設計要求，無具體的設計方法：如材料要求、構造要求、裂縫限制等

可視為基于傳統(tǒng)經驗的設計規(guī)定，非真正意義上的設計方法。目前，該標準規(guī)范正在修訂。(三)2008版《混凝土結構耐久性設計規(guī)范》GB/T50476-2008《混凝土結構耐久性設計規(guī)范》是在2004版CECS01-2004《混凝土結構耐久性設計與施工指南》的基礎上編制完成的。

該標準規(guī)范對于耐久性設計從經驗規(guī)定往量化設計做了很大努力1.0.3

本規(guī)范規(guī)定的耐久性設計要求，應為結構達到設計使用年限并具有必要保證率的最低要求。（附錄A：90%~95%）附錄A

規(guī)定了極限狀態(tài)及分類；耐久性量化設計原則。

但在具體條文方面，依然以規(guī)定指標值為主:（1）規(guī)定了一般環(huán)境、凍融環(huán)境、氯化物環(huán)境、化學腐蝕環(huán)境的環(huán)境作用等級以及材料與保護層厚度取值；（2）增加了后張預應力混凝土結構關于預應力筋、錨固段的防護措施和質量控制要求。

至于這些規(guī)定值從何而來？針對不同的環(huán)境條件和材料情況如何調整？設計人員不清楚，缺少了“設計”的意義-拿來主義三、

歐洲耐久性設計方法簡介

設計方法

設計流程簡介(一)設計方法《

耐

久

性

設

計

和

再

設

計

的

一

般

準

則

》

（Generalguidelinesfordurabilitydesignandredesign）

侵蝕因素：混凝土碳化、氯離子侵蝕

設計理論和方法：可靠度理論，荷載-抗力分項系數(shù)法（LRFD）

耐久性的極限狀態(tài)：2類（1）鋼筋開始銹蝕狀態(tài)（2）混凝土結構表面鋼筋銹蝕導致裂縫寬度為1.0mm狀態(tài)

可靠指標取值：高

3.721.28中

2.57低(一)設計方法

極限狀態(tài)與設計參數(shù)：（1）氯離子侵蝕臨界氯離子濃度、表面氯離子濃度；保護層厚度；氯離子擴散系數(shù)、養(yǎng)護系數(shù)、環(huán)境系數(shù)、混凝土齡期、齡期系數(shù)；氯離子侵蝕分項系數(shù)結構表面二氧化碳濃度；保護層厚度；混凝土碳化速率、養(yǎng)護條件系數(shù)、環(huán)境條件系數(shù)、混凝土齡期、齡期系數(shù)；碳化分項系數(shù)（2）混凝土碳化（3）混凝土開裂臨界裂縫寬度；初始裂縫寬度；鋼筋位置參數(shù)、鋼筋直徑、鋼筋腐蝕速率系數(shù)、腐蝕開始的時間、暴露時間、鋼筋銹蝕率、坑蝕系數(shù)、腐蝕滲透設計值、導致開裂的腐蝕滲透設計值；混凝土劈裂抗拉強度、混凝土電阻率、混凝土保護層厚度、養(yǎng)護時間、混凝土齡期、混凝土電阻率齡期系數(shù)、混凝土電阻率養(yǎng)護系數(shù)、混凝土電阻率溫度系數(shù)、混凝土電阻率濕度系數(shù)、氯離子侵蝕系數(shù)；腐蝕率分項系數(shù)、鋼筋位置分項系數(shù)等(二)設計流程簡介以海洋環(huán)境水變區(qū)橋梁墩柱抗氯離子侵蝕耐久性設計為例：（1）確定耐久性作用的抗力和荷載；抗力為混凝土保護層厚度；荷載為在規(guī)定時間內氯離子在混凝土中的侵蝕深度和濃度，與混凝土質量、環(huán)境條件有關。（2）由修復費用選定可靠指標：高3.72，分項系數(shù)由可靠指標確定。（3）確定需要進行設計的指標：有2個量是未知的-混凝土保護層厚度、混凝土質量。這兩個量均可以通過指定其中一個量的值，而設計另外一個量的值。這里通過指定拌制混凝土的質量，設計混凝土的保護層厚度。（如果是梁的話，可以指定C，而設計混凝土質量）（4）指定混凝土質量相關指標：在施工過程中必須滿足。（5）設計保護層厚度：首先初擬一個C0，根據(jù)前述公式，計算到達極限狀態(tài)的使用年限。若年限大于設計使用年限，則OK；若小于，則加大保護層厚度C1，重新計算，直至滿足要求。此時的保護層厚度即為設計保護層厚度。四、

日本耐久性設計方法簡介

設計方法

參數(shù)取值(一)設計方法《混凝土結構耐久性設計推薦規(guī)范》

（Proposedspecification

of

durability

design

forconcretestructuresJSCE）

侵蝕因素：氯離子侵蝕、混凝土凍融

設計理論和方法：對比驗算法

指定檢驗的構件均滿足以上要求，可判定結構耐久性設計合理。原則上，特殊混凝土結構（處于嚴酷環(huán)境）每一個構件都需要進行上述檢驗。當然，在一批構件中，耐久性明顯好于其他構件的，可不檢驗。(二)參數(shù)確定（1）環(huán)境指數(shù)給定值（溫和環(huán)境）0（10-15年）100（50年）150（100年）環(huán)境條件氯離子侵蝕混凝土凍融10~7010~50氯離子侵蝕混凝土凍融>10090~10080~9070~8040~70<4050403020100重度鹽霧輕度鹽霧混凝土凍融：(二)參數(shù)確定（2）耐久指數(shù)是各項影響因素的耐久性能取值（1）設計參數(shù)，包括構件形式、鋼筋類型等（2）裂縫（3）特殊模板和防腐措施（4）組成混凝土的材料的質量（5）混凝土的質量（6）澆筑控制（7）鋼筋、模板和支架工程（8）預應力混凝土質量控制(二)參數(shù)確定如第（1）組“設計參數(shù)”：設計總工程、構件形狀和尺寸、混凝土保護層、鋼筋抗腐蝕性、鋼筋間距、增強筋、結構接縫等?？傮w而言，這也是驗算或驗證的設計方法。五、

美國耐久性設計方法簡介

耐久混凝土指南

LIFECON1.1壽命周期管理通用手冊

LIFE365海洋環(huán)境混凝土結構服役模型(一)耐久混凝土指南《耐久混凝土指南》（Guidetodurableconcrete）是一本專門針對耐久混凝土設計的指南。主要對耐久混凝土的類型和相關技術指標做了一些規(guī)定新拌混凝土混凝土的凍融特性堿集料反應化學侵蝕混凝土中金屬和其他材料的腐蝕沖刷和磨蝕等。主要針對材料設計而言，是結構耐久性設計的基礎。(二)LIFECON1.1《混凝土結構壽命周期管理通用技術手冊》（Lifecon1.1）提出了：壽命預測方法結構劣化的預測模型基于概率理論的壽命模型環(huán)境參數(shù)確定方法等等主要用于混凝土結構的全壽命管理，這些方法可以為混凝土結構耐久性設計提供參考。(三)LIFE365《海洋環(huán)境中混凝土結構服役壽命模型》（Life365）為海洋環(huán)境中在役或新建混凝土結構提供了一種實用的使用壽命的評估或預測模型，也提出了新建結構的設計方法基于Fick第二定律：模型特點：(1)通過混凝土配合比參數(shù)設計混凝土的擴散系數(shù)：(三)LIFE365模型特點：(2)考慮了混凝土質量隨時間的變化：(3)考慮了實驗室設計的擴散系數(shù)與實際擴散系數(shù)的差別：實現(xiàn)：混凝土保護層厚度和混凝土配合比參數(shù)的設計。理論體系：極限狀態(tài)量化設計，但非基于可靠性理論，無分項系數(shù)六、

幾

點

探

討(1)耐久性設計的方法體系方面：

我們國家偏重于規(guī)定式，直接給出混凝土材料指標和結構構造規(guī)定值。這些指標值的來源如何？在不同的環(huán)境中或采用不同的混凝土材料，設計人員該怎樣調整，不是很清晰。

在設計理論方法體系上，雖然提出了耐久性極限狀態(tài)設計理論，但是耐久性的可靠指標、各項分項系數(shù)等都沒有明確。從量化設計方法而言，我國的耐久性設計理論和理念還需要加深。

在港珠澳大橋的耐久性設計中，已經引入的基于可靠度理論的量化設計方法，為我國耐久性設計方法提供了一個改進和完善的樣本。采用極限狀態(tài)設計理論，建立一般大氣環(huán)境和海洋環(huán)環(huán)

境臨界氯離子濃度（%）境中結構耐久性近似概率的分項系數(shù)設計方法；利用現(xiàn)場暴露試驗，提出相關隨機變量的分布特征、特征參數(shù)和分項系數(shù)；w/b≤0.361.100.36<w/b≤0.45w/b>0.451.10水下區(qū)浪濺區(qū)大氣區(qū)1.100.500.800.600.400.800.80(2)在環(huán)境作用的劣化模型方面：

我國在這方面的研究非常多，如碳化模型、不同區(qū)域的氯離子侵蝕模型、凍融模型、混凝土磨蝕模型等，理論和試驗模型都有，如何跟設計掛鉤，真