房屋建筑混凝土结构耐久性能试验浅析

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［摘要］为了对建筑结构耐久性进行更准确的检测和评估，分析了多种因素对建筑结构耐久性的影响，提出了钢筋混凝土构件的耐久性评定模型，对结构耐久性进行了定量分析。在耐久性评定模型的基础上，考虑了耐久性随时间变化的关系，得到了建筑结构剩余寿命的预测函数。结果表明，该预测函数与试验结果的吻合程度较好。

［关键词］钢筋混凝土；耐久性；预测模型；试验分析

钢筋混凝土结构是基础设施建设中最常用的结构形式。早期建设的一些建筑结构，因为使用年限较长、施工工艺不成熟等问题，已经开始出现结构耐久性问题。对建筑结构的耐久性进行评估，对其剩余寿命进行预测已成为一项重要研究课题。建筑结构耐久性是指混凝土在正常使用条件下，抵抗外部环境影响和自身内部破坏的能力。钢筋混凝土的承载能力、延性、抗腐蚀能力和材料本身力学性能均会不断变换，会随着使用年限的增加逐渐恶化。这一过程是随时间发展，不可逆转的。因此，无法对耐久性进行修复和提升，只能做到对其进行预测，提前预防结构因耐久性而引发的问题。现有规范规定，在正常施工、使用过程中，结构性能随时间变化，但必须要满足正常试用阶段的预期设计功能。20世纪80年代，美国洲际公路的桥梁中，开始出现了严重的耐久性问题，据统计，有超过25万座桥梁出现了不同程度的耐久性问题，用于修复的费用超过1500亿美元。在英国，这一问题同样严重，大量的建筑结构出现耐久性问题，每年用于建筑结构修复的费用超过200亿英镑。日本每年用于建筑结构修复的费用也非常高，从21世纪初开始，每年的费用就已超过400亿日元。从上述问题可以看出，建筑结构耐久性已经成了一个不可避免的问题。目前，我国有许多学者对此进行过研究分析，国家也出台了很多相关规范章程。但在房屋建筑钢筋混凝土耐久性评定模型方面研究尚有欠缺，对建筑结构剩余寿命的预测也不够准确。因此，结合前人研究基础，对影响钢筋混凝土结构耐久性的因素进行了分析，提出了耐久性评定模型和剩余寿命预测函数，与试验结果对比，发现评定结果较为准确。

1钢筋混凝土结构耐久性研究层次

有关混凝土耐久性的研究主要分3个层次。（1）材料研究主要包括：混凝土碳化、钢筋锈蚀、氯离子侵蚀、碱–骨料反应和冻融循环。（2）构件主要研究内容包括钢筋锈蚀对粘结性能的影响、钢筋锈蚀导致的混凝土锈胀问题及锈后构件承载力变化和寿命预测。（3）结构主要是针对未建钢筋混凝土结构的耐久性设计和已有钢筋混凝土构件的耐久性评定。现阶段，对前两者的研究已较成熟，基本掌握了其变化规律和影响程度。但是对于第3层次，由于受到试验条件和工程实际的限制，很难进行相关研究，对这方面的研究较少。对于现有的一些模型很难进行分析及评估，无法确定其准确性。

2基于AHP法的耐久性评定模型和试验分析

2.1层次分析法

层次分析法(AnalyticHierarchyProcess)，最早由美国数学家ThomasL.Saaty提出，其优势在于可以将定量分析与定性分析相结合，对目标进行全面的分析。具体方法是对多种变量进行综合考虑，划分为不同的层次，结合主观想法和客观结果，比较同一层次中各种变量的重要性，然后综合分析结果，对不同变量进行排序。这一方法适用于复杂问题的分析，使分析过程可以完全量化，具有较高的实用性。根据上述内容，层析分析法适用于钢筋混凝土结构耐久性的分析，可以解决影响因素多、分析过程复杂的问题。层析分析法的分析步骤主要包括4部分。（1）建立层次关系，即按照目标层、准则层、自准则层和方案层进行分层，构造出模型的层次关系，从目标到具体方案，每一层可以有多个内容。（2）构造判断矩阵，层次关系建立后，确定不同层次的权重，即按照矩阵的方式对权重进行赋值，以区分不同元素的重要程度。（3）确定权重向量和一致性指标，以对判断矩阵的一致性进行判断，若判断矩阵不一致，需要计算其一致性指标。（4）层次的总排序，以用于多个方案的比较和优化。

2.2钢筋混凝土构件耐久性评定模型

2.2.1类别划分矩阵的确定。影响钢筋混凝土构件耐久性的因素有多个，包括施工情况、构件位置、构件功能、外部环境条件、钢筋锈蚀情况、混凝土碳化深度、强度等级、混凝土表面裂缝情况等多种影响因素。首先，确定影响因素的数量，假设m个影响因素。然后，需要对钢筋混凝土耐久性状况进行分级，假设共有n个等级，即C1、C2、……Cn。则第k个等级中的第j个影响因素可表示为ajk(j=1,2,……m；k=1,2,……n)，因此，可以得到分类矩阵的形式：2.2.2数据矩阵的确定假定需要评估的建筑中共有s个构件，通过对建筑进行实测发现，第i个构件的第j个影响因素的测量值为xij(i=1,2,……s；j=1,2,……m)，根据上述分析结果，可以得到数据矩阵的结构形式：2.2.3指标评判矩阵的确定。假定第i个构件中，某个影响因素的标号为j，其属性等级为Cn，测量后得到的属性测度为mijn(i=1,2,……s；j=1,2,……m；n=1,2,……N)，其中，mijn的值可通过式(3)和式(4)计算，由此可以得到mijn的矩阵表达形式如下：其中，μijk=0，k<l或k>l+1然后，根据式（5）可以确定第i个构件中，第n级别属性的测度，µin。µin的值确定后，则可以得到指标评判矩阵，其表达形式为：其中，l≤i≤s，l≤n≤N其中，l≤i≤s，l≤n≤N，l≤j≤m式(5)中：wij为第i个需要评估的构件中，第j个分层等级的加权系数。这一系数反映不同分层中的不同影响因素对耐久性的贡献大小，其计算公式为：式中：xij为第i个构件的第j个分层的试验测量值；xj*为第j个分层的标准值。2.2.4建筑结构的综合评定。根据评判矩阵的计算结果，分析不同分层中不同影响因素的重要程度，对耐久性进行评判与比较（表1）。按照置信区间的取值原则，置信度设置为0.8，则可计算不同构件的评定等级。配合评定等级和评分关系表，则可得到评定分数，对评定结果实现量化处理。

2.3试验分析

试验工程以北方地区一建筑为试验对象，该建筑钢筋混凝土结构，框架结构，层数3层，已使用15年，无维修加固历史。考虑到梁处于室内环境，条件相对较好，因此本次试验只对柱进行测量。本次试验考虑的影响因素主要包括6种：外部环境、混凝土强度、钢筋锈蚀程度、混凝土碳化程度、构件裂缝状况和构件承载力，其中，钢筋锈蚀程度以钢筋锈蚀体积率和钢筋锈蚀速率为评价指标，构件裂缝状况以裂缝宽度为评价指标。将上述6种影响因素作为评价标准，把构件分为5个等级，即前文所述的5个耐久性等级，一级代表耐久性很好，五级代表耐久性很差。试验测得的具体数据见表2。根据层次分析法的步骤，结合耐久性评定模型，可对该建筑的耐久性进行定量和定性分析。耐久性分析结果见表3。由于本结构使用年限较长，外部环境条件较差，本建筑的分析结果耐久性较差，只有Z3构件达到二级标准，其他构件均为三级和四级。

3钢筋混凝土结构剩余寿命预测

对建筑结构的剩余寿命预测主要包括3种类型：正常使用寿命预测、承载力寿命预测和耐久性寿命预测。对于耐久性寿命预测的参考准则主要包括3类：混凝土碳化准则、钢筋锈胀准则和裂缝宽度准则。这3类准则分别考虑混凝土、钢筋和构件整体性能对耐久性的影响。但试验结果表明，上述准则并不能准确地反映构件的耐久性，根据准则进行评判，得到的结果通常不准确，因此，需要提出一种新的寿命预测方式来进行预测。基于耐久性评定的寿命预测方法，可结合耐久性评定模型，对剩余寿命进行准确的预测，在耐久性评定模型中考虑到多种影响因素的影响，因此可以综合全面地分析不同变量对剩余寿命的影响。（1）需要考虑耐久性的衰减，既要考虑衰减程度，又要考虑衰减速度。衰减指标的具体计算公式：（2）需要计算结构的剩余寿命，假设结构服役年限为N0年，共进行过M次加固，第i次加固发生在第N1年，由于加固引起的承载力的增加值与初始承载力的比值为µi，则耐久性衰减指标可表示为：α和β是衰减系数，与混凝土强度、钢筋锈蚀程度、混凝土碳化深度等多种因素有关。以耐久性衰减达到20%为评判标准，以Nr表示结构的剩余寿命，则可得到下述等式：现已知该结构使用时间15年，无加固历史。试验测得数据见表2，利用式（12）计算可得该结构剩余寿命为25.3年，该结果符合一般建筑物的使用年限，计算结果较为准确。由此可得，耐久性评估定型及剩余寿命预测函数结果均较准确，可以应用于实际工程中。

4结束语

所提出的基于AHP法的耐久性评定模型，综合考虑到多种因素对耐久性的影响，对耐久性的退化进行了定量和定性的分析。与试验结果相比，该模型的准确性较高。在耐久性评定模型的基础上，提出了一种新的方法用于建筑结构剩余寿命的计算，计算结果表明，该方法的预测准确率满足一般钢筋混凝土民用建筑的要求，计算形式简单，实用性强，可以应用于实际工程中建筑结构的剩余寿命预测。

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作者:白旭军 单位:山西铧兴工程检测有限公司