基于概率极限状态理论的混凝土结构耐久性设计方法

摘要:本文引述和分析了关于混凝土结构耐久性设计的主要理论和方法,基于环境指数评定法以及概率极限状态设计法,提出基于概率极限状态理论的耐久性设计方法。并对耐久性极限状态的确定进行了探讨。

Abstract: This paper quotes and analyzes the main theories and methods of concrete structure durability design. Based on the environmental indicator evaluation method and probability limit states method, the author puts forward durability design method based on probability limit states theory and discusses the determining of durability limit states.

关键词:耐久性设计;可靠度;极限状态

Key words: durability design; reliability; limit states

中图分类号:TU528 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)21-0084-01

1已有耐久性设计的主要理论和方法

1.1 环境指数评定法[2]环境指数评定法首先由日本土木工程师协会混凝土委员会于1989年提出,曾列入日本《混凝土结构物耐久性设计准则(试行)》中。对于混凝土结构物的耐久性探讨,要求构件各部位的耐久指数Tp大于或等于环境指数Sp,即:Tp≥Sp。与以往的结构设计方法相比,该方法明确提出了结构耐久性设计的概念,并将设计条件写成R≥S的形式,与规范的设计表达式相同,而且较全面地考虑了影响耐久性的各个因素,特别是考虑了结构体系和构造的影响,直到今天这种思路仍值得借鉴。但该法在耐久性指数的选取上,人为的主观性较大,不同设计者可能给出的结果差别很大。

1.2 基于时变可靠度耐久性设计法[3]基于时变可靠度耐久性设计法是直接计算不同时刻t的抗力效应R(t)与荷载效应S(t),用Monte-Carlo法求对应时刻功能函数的可靠度,从而求出结构的动态可靠度变化。从理论上讲,这种方法很适合结构的耐久性研究。从强度降低的计算、某一时刻结构抗力随机变量计算、功能函数可靠度计算到最终回归出动态可靠度函数,每个步骤都可使用计算机来实现。失效概率的计算方法可以采用现行规范的方法。混凝土结构耐久性失效的功能随机过程为:Z(t)=R(t)-S(t)。式中R(t)为结构抗力随机过程;S(t)为结构荷载随机过程。该方法已经考虑了抗力和荷载的随机变化特性,较环境指数评定法减少了人为因素的影响;但其可靠指标随时间变化的函数β(t)要靠很多现场试测工作和专家经验相结合才能求得。另外,Monte-Carlo法作为一种校核其他算法精度的方法,由于计算量大的缺点,应用于实际工程尚有一定困难。

1.3 基于耐久性的优化设计方法结构可靠度的研究达到高潮以来,许多学者在这方面做了大量的工作。早期结构经济优化是从结构初始造价与结构倒塌损失期望值的和最小角度着眼。然而,大量工程调查表明,由于结构的耐久性不足,在设计使用期的费用甚至超过了结构初始的造价。在这种条件下,建立着眼于在结构的全生命过程中使结构的初始造价、倒塌损失期望值和维护费用的总和最小的基于寿命周期成本分析(Life Cycle Cost Analysis)方法进行耐久性设计优化[4]。在结构经济优化设计中,一个比较棘手的问题是如何估计结构倒塌的损失,它除了包括一些可以定量的因素外,还包括许多难以定量的因素,这方面的研究并不充分。另外,目前的可靠度分析只处于构件水平上,已有的结构体系可靠度分析方法尚不能完全反映结构整体可靠度的本质,况且结构的倒塌损失与结构的失效模式有关,不同的失效模式造成的损失也各不相同。因此,目前全寿命耐久性经济优化设计还只是一种概念,尽管如此,它对保持结构设计的合理性仍具有重要的指导意义。

2基于概率极限状态理论的耐久性设计方法

耐久性设计应相对独立化进行,将可靠度理论引入环境指数评定法,进行基于概率极限状态理论的耐久性设计,将是探明耐久性设计的必经之路。

2.1 基本原理极限状态模式失效概率的概念与结构承载能力极限状态相似。其特点是以等效的作用和材料抵抗环境的作用能力作为基本变量,分别以环境作用和构件材料抵抗环境作用的能力为随机变量,形成R和S,控制R-S≤0的概率。

2.2 耐久性极限状态根据ISO 2394、WD13823 和我国《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2002)的情况,并考虑结构工程设计的具体特点,混凝土结构耐久性的极限状态应该取类似的使用极限状态。也就是结构构件的适用性受到影响,承载能力的影响可以忽略不计。

根据上述耐久性极限状态的原则,提出在各种侵蚀环境下混凝土构件的耐久性极限状态标志。

①碳化造成的钢筋锈蚀。对于钢筋混凝土构件来说,钢筋出现锈蚀并使保护层混凝土出现锈蚀造成的裂缝可以作为碳化造成钢筋锈蚀情况的耐久性极限状态标志。此时对于直径较大的钢筋来说,钢筋的截面损失率较小,构件的承载能力不会受到明显的影响,但损伤的迹象已经明显。对于预应力钢筋和直径较小的受力主筋,宜以钢筋具备锈蚀条件作为耐久性的极限状态。此时保证构件延性破坏的性能可能已经受到了影响。②冻融作用。混凝土表面出现冻融损伤,约相当于标准冻融试验终结的程度。此时,构件出现表面损伤或动弹模下降到一定的程度,内部混凝土未受到明显影响,构件的承载能力没有受到明显影响。混凝土的硫酸盐侵蚀、酸侵蚀、碱侵蚀、生物侵蚀等情况下的耐久性极限状态,可参照冻融损伤情况确定。也就是以表面出现明显的损伤作为耐久性极限状态的标志。③碱骨料反应。碱骨料反应情况宜以构件表面出现AAR反应造成的裂缝等作为耐久性的极限状态。而不以碱含量或骨料的碱活性作为耐久性极限状态的标志。④有害物质的影响。无论是掺加在混凝土内部的有害物质还是外部侵入到混凝土内部的有害物质都以造成实际的影响作为耐久性极限状态的标志。例如氯离子的侵入,以钢筋开始锈蚀作为耐久性极限状态的标志或以其浓度达到使钢筋开始锈蚀的程度作为耐久性的极限状态。

3结语

混凝土结构耐久性设计方法应给予相对于抗力设计的独立性考虑,这是耐久性设计所需经历的发展阶段,而最终随着耐久性设计的成熟发展,会与抗力设计融为一体,或者基于实际设计需要而相对独立进行。

参考文献:

[1]段金树.日本《混凝土结构耐久性设计准则(试行)》简介[J].华东水利水电学院学报,2001,12(4):56-60.

[2]李田,刘西拉.混凝土结构的耐久性设计[J].土木工程学报,1994,27(2):47-55.

[3]张苑竹,金伟良.基于可靠度的混凝土梁耐久性优化设计[J].浙江大学学报,2003,37(3):325-330.

[4]李生勇,张哲,贡金鑫.基于时变可靠度混凝土结构耐久性设计方法[J].工业建筑,2007,37(8):77-78.