现役混凝土结构的耐久性可靠度分析方法.pdf

低温建筑技术 2 0 1 0年第 9期 总第 1 4 7期 现役 混凝 土结构 的耐久性可靠度分析方法 张璐 ， 施养杭 1 ．泉州黎明职业大学土木建筑工程系， 福建泉州3 6 2 0 0 0； 2 ．华侨大学土木 m程学院 。 福建泉州3 6 2 0 2 1 【 摘要】 针对现役的混凝土结构 ， 综合考虑影响混凝土结构耐久性各种失效模型的相关性， 基于概率网络 估算技术的系统可靠度方法， 提出钢筋混凝土构件和结构体系在多因素影响下的耐久性可靠度模型； 并将此模型 应用于现役混凝土结构的可靠度分析。 【 关键词】 混凝土结构 ； 耐久性； 可靠度； 概率网络估算技术 【 中图分类号】 T U 3 1 1 ． 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 0 0 9 0 0 3 0 0 3 DURABⅡ I TY RELI ABI LI TY ANALYS I S M oDEL oF EXI sTI NG REI NFoRCED CONCRETE S TRUCTURES ZHANG L u ，SHI Ya ng ha ng 2 1 ． D e p t ． o f C i v i l E n g ． ， L i mi n g V o c a t i o n a l U n i v ． ， F u j i a n Q u a n z h o u 3 6 2 0 0 0， C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f C i v i l E n g ． o f H u a q i a o U n i v ． ， F u j i a n Q u a n z h o u 3 6 2 0 2 1 ， C h i n a Abs t r a c t Ba s e d o n t h e d u r a b i l i t y f a i l u r e mo de l s o f t h e e x i s t i n g c o n c r e t e s t r u c t ur e s， t h e pa p e r s y n t h e fic a l l y s t u d i e d t h e c o r r e l a t i o n o f a l l f a i l u r e mo d e l s， a n d a dv a nc e d t h e du r a b l e r e l i a b i l i t y mo d e l o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e me mb e r s a n a l y z i n g b y s y s t e ma t i c r e l i a b i l i t y me t h o d， wh i c h a r e b a s e d o n p r o b a b i l i t y n e t wo r k e v a l ua t i o n t e c h n o l o g y a n d i n fl ue n c e d b y a n u mb e r o f f a c t o r s；t he n we a p p l i e d t h i s mo d e l t o t he a n a l y s i s o f e x i s t i n g r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s ． Ke y wo r ds c o n c r e t e s t r u c t u r e；du r a bi l i t y；r e l i a b i l i t y； p r o b a b i l i t y n e t wo r k e v a l u a t i o n t e c h n o l o gy 调查 表 明 ， 我 国大量 土木 、 水利 工程 中的混凝 土结构已逐渐进入“ 老化” 阶段 ， 迫切需要对其进行检 测、 鉴定、 评估与寿命预测。结构评估、 寿命预测的一 [ 基金项 目] 国家 自然科学基金项 目 5 0 9 4 8 0 3 6 代传统模板是完全可行的。 2 P V C基木塑复合材料 的模 板力 学性能最好 ， 适合 做新型建筑模板， 且垂直模板次楞跨度控制在2 4 0 3 0 0 mm， 比普通模板间距大， 可有效地减少次楞方木使用量。 3 A N S Y S有限元的计算模型合理 ， 可以利用 A N S Y S 对木 塑板 的其它力学 性能进行 分析研究 。 4 经济分析表明， 木塑复合材料模板的价格优势显 著 ， 以P V C基尤为明显， 且可回收利用， 大大减少木材用量， 有效保护环境。 [ 2 ] [ 3 ] 参考文献 赵玉章 ． 我国建筑模板技术的进步与发展方向[ J ] ．建筑技 术 ， 2 0 0 6， 3 1 8 5 6 85 7 1 ． GB T 1 7 6 5 6 2 0 0 8， 混凝 土用胶合板 [ s ] ． 孙晓 民， 刘伯元 ， 刘英 俊 ， 等 ．不 同树脂 基木 塑复合材 料的性 能对 比[ J ] ．j 海塑料， 2 0 0 7 ， 4 1 61 9 ． 个重要依据 就是耐久性 可靠度 ； 因此 ， 结构耐久性 的可 靠度分析有着十分重要 的现实意义。当前 大多数耐久 性分析方法仅对其 中一种 特定 失效模式进 行分 析 ； 而 雷文 ， 余旺旺 ， 任超 ， 等 ．几 种木塑复合材 料的性能对 比[ J ] ． 塑料科技 ， 2 0 0 8， 3 4 O一4 5 ． 孙训方， 方孝淑， 关来泰． 材料力学[ M ] ． 北京 高等教育出版 社 。 2 0 0 2 ． 余宗 明 ．竹胶合板模板的设计与计算[ J ] ．建筑施工 ， 2 0 0 0 ， 2 2 2 2 52 7 ． G B 5 0 2 0 42 ， 混凝土结构 工程施 工及验收规范[ S ] ． 杜荣军 ．混凝土工程模板 与支架技术[ M] ．北京 机械工业 出 版社 ． 2 0 0 4 ． 李显金 ．新型建筑模板 的研究 与应用 [ D] ．杭州 浙 江大学 ， 2 0 0 3 3 ． [ 收稿 日期 ] 2 0 1 0 0 51 7 [ 作者简介] 冯嘉 1 9 8 5 一 ， 男， L IJ 东青岛人， 硕士研究生 从事结构 [ 程方面研究。 1{ i 张璐等 现役混凝土结构 的耐久性可靠度分 析方 法 3 l 实际环境中， 混凝土结构耐久性可能会受到碳化、 钢筋 锈蚀等多因素的共同影响 ； 所 以， 对多 因素共 同作用下 的混凝土结构 耐久 性分 析 已经越 来越 受 到广 大研究 工作者的关注。 1 基于概率 网络技术 的结构 系统可靠度分析方法 概率网络估算技术 P N E T 的工程应用方法是采 用条件概率的基本原理和数值计算技术提出的结构 系统失效概率估算的近似数值分析法 ， 该法计算结 构系统失效概率的步骤如下 1 分析影 响 结构 某功 能 的所有 因素 ， 确 定 结 构体 系在各 因素下失效模式 的极 限状态方程 。 2 用一次二阶矩方法计算各个主要失效模式 的结构可靠指标 J8 和结构失效概率 P ； 其 中 il ， 2 ， 3 ， ⋯ ， n ， n为失效模式 的个数 。 3 计算任意 两个 失效模 式 i ， 间 的线 性 相关 系数 P i ≠ P P X， Y ∑ 一 y l 一 _y ．_ 兰 兰 二 二 1 √ 砉 c 一 √ 砉 c 一 _y 。 式中， 和 y分别表示两个主要失效模式的功能 函数。 4 将各 失效 模 式 的失 效概 率 按 递 减顺 序 排 列， 使得P n≥P ≥ ⋯ ≥P Fn 。 5 计算结构的系统的近似失效概率 P 1 一l l 1 一 P 2 其 中， P nP n P P 兀 1 一 P fi 1 一 3 寺 [ p 一 p ； ‘ 一 p e x p 3 p ] a r c t g 1 ／x／ 1 一 P 一1 J 4 2 多因素 影响下 混凝土 结构 构件 的耐久性极 限状态 方程 影响混凝 土 结构 耐 久性 的外 部 因 素主要 有 混凝 土碳化、 混凝土碱 一 集料 反应 、 混凝 土冻 融破坏 、 氯离 子侵蚀 、 钢 筋锈蚀 等 。 这 些 因素都 将 导致 构件 的混 凝土开裂、 粘结性能衰退 、 承载力下 降 ； 因此 ， 可得到构 件在各影响 因素下 耐久性 失效模 式的极 限状态 方程。 针对现役混凝 土结构 一般采 用非破 坏性 检测的 方法 ， 本文仅从混凝土碳化 深度 、 钢 筋锈蚀 量和 构件裂缝 宽 度方面考虑构件耐久性失效模式。 2 ． 1 混凝 土碳化深度 一 般大气环境条件下， 碳化会使混凝土碱度下降， 破坏 钢筋表面 的钝化膜 ； 当混凝土保护层完全碳化 ， 即 认为构件中钢筋开始锈蚀。 因此， 可以将混凝土碳化深 度达到混凝 土保护层厚度作为构件耐 久性失效准 则 ， 其极限状态方程为 Z c 5 式中， C 为混凝土保护层厚度； 为混凝土碳化 深度 。 2 ． 2 钢筋锈蚀 量 钢筋锈蚀是影响结构耐久性的最主要因素， 混凝 土碳 化 、 氯离子等腐蚀介质的侵蚀都会引起钢筋锈蚀 。 钢筋锈蚀使混凝 土保 护层开裂甚 至剥 落 、 钢 筋 和混凝 土的黏结力降低 ， 构件承载力下降 ， 最后导致整个构件 的破坏。 研究证明 ， 锈胀开裂寿命可以使混凝土表 面出现顺筋裂缝所需时间作为结构的使用寿命 ； 因此， 可将 构件 的混凝 土保 护层 出现 纵 向锈 胀裂 缝 的 钢筋 锈蚀量作为构件耐久性失效准则 ， 其极 限状态方 程为 Z 6 一6 6 式 中， 6为检测 得 到 的 钢 筋锈 蚀 深 度 ， 即锈 皮 厚 度 ； 6 为混 凝土保 护层锈 胀开 裂时 的钢筋 锈蚀 量 ， 由 钢筋锈蚀深度确定 ， 可按文献[ 7 ]的方法计算。 2 ． 3 裂缝 宽度 混凝土碳化引起 的混凝 土收缩 、 氯 离子 侵蚀 引起 的钢筋锈蚀 、 混 凝土冻融 和碱 一 集料 反应都会 导致 混 凝土的开裂， 使构件表面产生裂缝。 根据规范中对正常 使用极限状态下裂缝宽度限值的控制验算 】 ， 裂缝宽 度 的极 限状态方程为 Z 0 9 l 一 7 式 中， 。 。 为结构构件 的最 大裂缝 宽 度 限值 ； t O为 现场检测得到的锈胀裂缝宽度。 3 混凝 土结构 耐久性 系统可 靠度 的分析方法 3 ． 1 分析模 型 1 根据各影响 因素下的失效模式检测相关 数 据 ， 计算各影响因素间的相关性， 得到各构件的耐久性 可靠指标 和失效概率 ， 然后评价各 构件的耐久性 。 2 在构件评价的基础上 ， 根据结构的形式 ， 分 析主要失效模式， 计算结构各构件间的相关性和整个 结构 的失效概 率。 3 ． 2 实例分析 某五层框架结构位 于东南沿 海海 边 ， 其 各层 平面 见图 1 ， 该结构 建于 1 9 9 5年 ， 至今 已经有 近 1 5年的历 史。 分别检测了该建筑的混凝土碳化 、 钢筋锈蚀量、 锈 胀开裂情况 。 1 基于多因素影响下的构件耐久性的可靠度 分析。 现场检测了房屋主要承重构件 图 1 的混凝土 3 2 低温建筑技术 2 0 1 0年第 9 期 总第 1 4 7 期 保护层厚度、 当前混凝土强度、 碳化深度、 钢筋直径、 锈 皮厚度及裂缝宽度等。 运用上述分析模型 ， 计算多因素 影响下各层构件耐久性的失效概率。 其 中三层柱构件 的计算结果详见表1 ， 由表可见 ， 构件z 1 的失效概率最 大； 这是由于该柱处在主导风向 东南风 迎风方 向， 更易受海洋环境下各种侵蚀的作用， 所以失效概率大 于其它构 件。 z l U3 U4 I z 4 I 腼 U7 工 2 I 3 I |4 I 5 工 6 z 7 U8 U9 四 【 ∞ Z l 0吻 殂1I I 8 L 9 uC U l U2 丑3 I 二 B 舀4I 二 五L5L Z l 6I 二 五 【 7 L z7 O ． 1 1 0 ． 0 9 鼙 袋 O ．0 7 壬 } 0 ． 9 时 ， 失效概率随相关系数 的增 大而急 剧降低。 当P 。0 ． 6 0时， 结构的失效概率最大 P 1 1 ％ ； 当P 。1 ． 0 时， 整体结构的失效概率最小 P ， 1 ． 0 9 ％ ， 此失效概率与 z l 的失效概率相同， 仅约为最 大概率 的 1 0 ％。 表 1 三层各构件耐久性的失效概率 ％ 构件 z l 毖 z 3 z 4 Z 5 z 6 z 7 Z 8 z 9 P f 1 ． 0 9 0 ． 3 4 0 ． 2 6 0 ． 3 5 0 ． 3 7 0 ． 4 7 0 ． 6 0 0 ． 1 4 0． 2 6 构件 Z 1 0 Z I 1 Z 1 2 Z 1 3 Z 1 4 Z 1 5 Z 1 6 Z 1 7 Z 1 8 0 ． 2 2 0 ． 1 7 0 ． 1 4 0 ． 1 8 0 ． 2 2 0 ． 1 6 0 ． 2 2 0 ． 1 2 0 ． 1 0 4结语 引起钢筋混凝土结构耐久性失效的因素多种多 样 ， 如何界定在多因 素影 响下 的结 构耐久性 失效是 一 个综合的系统性问题 ， 国内外对钢筋混凝土结构耐久 性设计极限状态方程还没有统一。本文在综合分析影 响钢筋混凝土结构耐久性各因素的基础上， 提出了多 因素影响的构件耐久性失效模式的极限状态方程； 考 虑了失效模式间和组成结构体系各构件的相关性， 建 立 了基于多 因素影 响 下 的钢筋 混凝 土结构 的 系统 可 靠度分析模型。 从本文的研究 结果可 知 多因素 影响下 的结构 耐 久性可靠度受到相关系数的影响很大， 相关系数的选 择将对结构体系的耐久性 失效概率 有很大 的影响 ； 以 往用构件来代表结构的可靠度计算方法， 并不能系统 地反 映结 构整 体失 效概 率 ， 所得 结果往 往偏 于保 守。 同时， 有必要通过实验或计算机模拟等方法， 对相关系 数的选取作 深入的研究 。 参考文献 [ 1 ] 周新刚． 混凝土结构的耐久性与损伤防治[ M] ． 北京 中国建 材工业出版社 ， 1 9 9 9 ． [ 2 ] 赵国藩 ．结 构可靠度理论 [ M] ．北京 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 3 ] 李云贵， 赵国藩 ． 结构体系可靠度的近似计算方法[ J ] ． 土木 工程学报 1 9 9 3 ， 2 6 5 7 O一 7 6 ． [ 4 ] 金伟良， 赵羽习．混凝土结构耐久性研究的回顾与展望[ J ] ． 浙江大学学 报 工学版 ， 2 0 0 2 ， 3 6 4 3 7 1 3 8 0 ． [ 5 ] 张璐．在役钢筋混凝土结构的耐久性评估与剩余寿命分析 [ D ] ．福建泉州 华侨大学， 2 0 0 6 ． [ 6 ] 刘海 ， 姚继涛 ， 牛荻 涛 ．钢筋混凝土结构基 于锈 胀开裂寿命准 则的耐久性设 计方法[ J ] ．西安建筑科技 大学学报 自然科学 版 ， 2 0 0 9 ， 4 1 1 2 53 1 ． [ 7 ] 牛荻涛． 混凝土结构耐久性与寿命预测[ M] ． 北京 科学出版 社 ， 2 0 0 3 ． [ 8 ] G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2， 混凝 土结构设计规范[ S ] ． [ 收稿 日期 ] 2 0 1 0一o 42 6 [ 作者简介 】 张璐 1 9 8 1一 ， 女 ， 硕士 ， 讲师 ， 研究方 向 建筑 的检测与评估。