混凝土结构耐久性设计方法及使用寿命预测

耐久性设计方法可以分为传统的定性方法和定量方法两类。

1.2.3.1　传统的定性方法

传统的定性方法主要是依据相关混凝土结构耐久性设计规范进行。结合上文，首先确定结构的设计使用年限，然后进行结构的工作环境分类，针对不同使用年限和不同环境类别及环境作用等级，对混凝土材料和结构构造提出规定，如混凝土原材料（如，水泥、掺合料、外加剂）、混凝土配合比（如，最大水胶比、最低胶凝材料用量）、混凝土最低强度等级、抗冻等级以及结构构造（如，保护层最小厚度）等。传统方法由于沿用了工程人员熟悉和便于应用的方法，容易被工程设计人员所接受与采纳。但是这些规定并没有明确与结构全寿命成本（Structural Life-Cycle Cost，SLCC）和在各种侵蚀作用下的数学劣化模型相结合。因此，这类传统设计方法只能通过不断细化工作环境类别来提高设计的满意程度，而对应的复杂设计规定中的指标仍是采取无概率意义的确定值。而事实上，这些确定值也并不是那么确定的。

1.2.3.2　定量方法

定量方法大致可以分为评分法、劣化模型法、因子法等。

1990年日本土木工程学会的《混凝土结构物耐久设计准则》［1-20］中，采用评分方法将有关混凝土结构耐久性的各种因素分别加以量化并与结构的使用年限相联系，做到了耐久性设计的定量分析。具体表达形式可为环境指数与耐久指数的关系式：

式中：环境指数Sp是根据被建造结构物所处的环境条件和结构物无须维修年限所定义的指数。耐久指数Tp则是根据结构物的施工条件、使用材料及设计详图的具体内容，在设计阶段所计算的指数。

此后，针对不同环境类别的侵蚀作用，许多规范提出了材料性能劣化的计算模型并据此预测结构的使用年限，这已成为研究和发展混凝土结构耐久性设计方法的主流。1996年RILEM的《混凝土结构的耐久性设计》［1-21］报告，2000年欧共体DuraCrete的《混凝土结构耐久性设计指南》［1-11］的技术文件，2001年美国ACI 365委员会发展的寿命预测计算程序Life-365［1-22］，1998年欧共体资助成立为期三年的DuraNet工作网的年度报告，以及2003—2004年欧共体LIFECON的总报告［1-23］等，这些都在基于劣化模型的混凝土结构寿命预测与设计方法上取得了相当丰富的成果。

2000年出版的国际标准ISO 15686—1《建筑物及建筑资产—使用年限规划》［1-24］中，则提出了用因子法估计建筑构件的使用年限：

式中：A——构件质量（水胶比、强度等级、含气量）

B——设计水平（结构构造）(www.xing528.com)

C——施工质量

D——室内环境

E——室外环境

F——使用状态

G——维修保养水平

在WD 13823，即ISO 13823：2008 General Principles on the Design of Structures for Durability（《结构耐久性设计基本原则》）［1-25］中，对环境作用及劣化机理等做了详细的阐述，提出结构耐久性设计的四种模型：①经验模型；②概念模型；③数学模型；④试验模型。值得注意的是，WD 13823提出了耐久性失效概率或可靠指标的概念：其特点是以年限作为基本变量，以达到耐久性极限状态的预期使用寿命ts为随机变量，形成ts的分布，控制设计使用寿命td的失效概率或可靠指标；耐久性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作为随机变量，形成R和S，控制极限状态方程R-S≤0的概率。

从上述的各种方法的概述中，可以总结出对混凝土结构耐久性研究最为关键的两点，即：

（1）处理环境作用效应与结构抵抗环境作用这一对关系的能力是耐久性设计的主要内容。

（2）结构的使用寿命是耐久性设计中将环境作用效应与结构抵抗环境作用能力两者联系起来的合理量化指标。