混凝土结构耐久性设计基于环境区划的标准

基于环境区划的混凝土结构耐久性设计方法的研究，是上述耐久性环境区划的后续，也是混凝土结构耐久性设计区划研究的最终目的，即提出每个环境分区内满足规定条件的耐久性设计规定，以便指导工程实践。

3.3.2.1　基本原理

混凝土结构耐久性区划设计方法是采用与服役时间相关的多维函数空间的量化方法。其基本原理可以表述为，首先对环境空间和材料与构造空间进行分解，分别建立对应子空间中各影响因素的量化方法，然后根据环境空间子空间环境作用效应和相应材料与构造空间子空间材料抗力之间相互作用的关系，建立结构性能劣化模型，预测特定环境作用子空间对应的满足结构预期使用年限要求的对应材料与构造子空间，得到不同环境子空间和材料与构造子空间之间一系列的映射关系，最终形成混凝土结构耐久性设计标准。混凝土结构耐久性区划设计方法的基本原理见图3-6。

图3-6　混凝土结构耐久性设计区划的基本原理

根据图3-6。混凝土结构耐久性设计区划研究的基本原理与基本步骤如下。

（1）研究混凝土结构的服役环境空间，对环境空间П进行分解，形成层次分明的可量化的研究环境子空间Пij。方法如下。

①分析影响混凝土结构耐久性侵蚀机理的环境因素，按照侵蚀机理的不同首先将结构的服役环境空间П分为类别空间П1，П2，П3，…，Пi，…。类别空间表征服役环境对结构耐久性劣化作用机理的差异，空间中包含的环境因素可以相同和相互交叉，它们共同组成服役环境空间П，即П＝П1∪П2∪П3∪…∪Пi∪…。

②分别针对不同的环境类别空间，对该空间的环境作用条件种类进行划分，将环境类别空间划分为对应的环境类别子空间。在每个环境类别子空间中，环境对结构耐久性的作用机理（对应于类别空间）、需考虑的环境条件与对应的环境影响因素均相同，环境类别子空间统一记为Пij，简称环境子空间。环境子空间为混凝土结构耐久性设计区划研究的基础单元。

（2）分别研究不同环境类别空间中各个环境子空间的关系，确定每个环境类别空间的基准环境子空间，以Пij（i＝j）标记，并记为Пii。基准环境子空间Пii的环境条件称为基准环境，该空间中包含的影响结构耐久性劣化的环境因素的对应参数记为αii1，αii2，αii3，…，αiik，…。基准环境是环境类别空间中普遍分布的、大家最为熟悉的、相关研究成果较多且易于与该环境类别空间中其他环境子空间建立相互关系的环境条件。

（3）针对不同的环境类别空间，研究影响混凝土结构耐久性的材料与构造因素。确定该环境类别空间下实际工程中所用的混凝土原材料、强度等级、水泥用量、水胶比、混凝土保护层厚度等材料与构造参数数值的涵盖范围，建立与环境类别空间Пi对应的结构材料与构造因素空间Ωi，该空间包含的影响结构抵抗耐久性劣化能力的材料与构造因素的对应参数记为βi1，βi2，βi3，…，βim，…。

（4）从建立的结构材料与构造因素空间Ωi中选取在实际工程和耐久性试验研究中最具有代表性的材料与构造参数取值（记为βi1，0，βi2，0，βi3，0，…，βim，0，…），作为结构标准内部条件，称按照该组数据配制的混凝土试件为标准试件。将标准试件作为一个统一的标准，虚拟投掷于不同的环境空间从而接受环境的作用，用于量化环境因素的综合作用效应。

（5）建立环境类别空间Пi的结构耐久性环境区划方法体系。方法如下。

①根据Пii空间中环境参数的取值范围和工程中Ωi空间中材料与构造参数的取值范围，设计室内加速试验，研究环境因素和材料因素对混凝土结构耐久性劣化的作用规律和影响规律。结合相关的国内外室内加速试验和现场试验研究成果，对所得到的室内加速试验结果进行修正和校核，并最终建立环境对结构劣化的作用规律、材料对结构劣化的影响规律和结构性能劣化预测模型，分别如式（3-1）、式（3-2）和式（3-3）所示。

式中，yii，E为环境对结构耐久性的总体作用系数，yii，Ek为第k个环境参数对结构耐久性的作用系数，fii，E（·）为环境空间Пii中包含的环境参数对结构耐久性的总体作用规律，fii，Ek（·）为环境空间Пii中第k个环境参数对结构耐久性的作用规律；yi，M为材料与构造参数对结构耐久性的综合影响系数，yi，Mm为第m个材料与构造参数对结构耐久性的影响系数，fi，M（·）为材料与构造空间Ωi中包含的参数与结构耐久性的关系，fi，Mm（·）为材料与构造空间Ωi中第m个参数与结构耐久性的关系；yii，D为表征环境对结构耐久性作用效应的指标，fii，D（·）为环境与材料对结构耐久性影响的时变关系，t为结构在环境中的暴露时间。

②界定环境类别空间Пi对应侵蚀机理作用下混凝土结构耐久性极限状态与可靠度指标，根据式（3-2）预测标准试件在对应基准环境子空间中的耐久年限ti的空间分布和暴露设定年限tD（如50年）后的环境作用效应指标值的分布y′ii，D。

③分析环境参数αiik、环境作用系数yii，E（或yii，EK）、耐久年限ti与环境作用效应指标y′ii，D在空间分布上的相关关系，确定与环境对结构耐久性作用效应相关性最大的主导环境影响因素或环境作用系数，基于环境作用效应指标对基准环境子空间Пii进行环境区划，确定区划等级和分区环境特征、环境作用特征与指标分布特征。

④定量或定性地分析环境类别空间Пi中其他环境子空间Пij（i≠j）相对于基准环境子空间Пii的环境作用效应之间的关系，提出其他环境子空间环境区划等级相对于对应基准环境子空间区划等级的等效调整方法，形成环境类别空间Пi的环境区划体系。

（6）建立对应于基准环境子空间Пii的分区耐久性设计方法体系。方法如下。

①根据标准试件在基准环境子空间Пii的环境作用效应指标y′ii，D（可以是多个作用效应指标）的预测结果，提炼出设定年限tD时与环境区划体系相对应的针对标准试件材料组成的结构构造措施规定值或建议值。

②以标准试件的材料组成（βi1，0，βi2，0，βi3，0，…，βim，0，…）为参照条件，提出与结构材料与构造因素空间Ωi不同材料组合（βi1，βi2，βi3，…，βim，…）对应的结构构造措施修正系数（{ζi1}、{ζi2}，{ζi3}，…，{ζim}，…），完成材料与构造因素空间Ωi对应于基准环境空间环境区划体系的分区耐久性设计方法体系。

（7）基于设定时间，建立针对结构不同服役时间（或设计使用年限）的结构构造措施修正方法，完成与时间相关的多维函数空间的分区设计方法。(www.xing528.com)

（8）综合（5）（6）和（7）中环境类别空间Пi的环境区划体系、材料与构造因素空间Ωi的分区耐久性设计方法体系和针对不同时间修正方法，形成环境空间、材料与构造空间和时间空间的映射关系，最终建立混凝土结构耐久性设计区划的理论与完整实施方法。

混凝土结构耐久性区划设计方法建立的基本步骤中可以根据环境作用的空间特征，对于基准环境选取和耐久性侵蚀机理对结构的作用做相应的调整。例如，对于一般大气环境，可以遵循先“区域”后“局部”的研究方法；而对于海洋氯化物环境，由于局部环境空间的复杂性和环境作用特征的独特性，则宜先对某一具体海域做体系性的研究，再推广至其他环境。具体的操作方法将在后续章节中体现。

3.3.2.2　基本研究方法

混凝土结构耐久性设计的实施方法，拟从以下四种方法的合理性进行探讨，并最终确定本书耐久性设计区划的基本研究方法。下文中“现行设计规范”均指《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476—2008）［3-6］，后面不再具体说明。

（1）沿用现行设计规范的规定。

现行设计规范中，先以“环境类别”对结构所处的环境按照环境对混凝土材料的腐蚀机理进行分类，再以“环境作用等级”逐一对各个环境类别进行环境作用等级的划分，然后分别对各个环境类别的环境作用等级做出混凝土材料和钢筋的耐久性规定，如混凝土强度等级、最大水胶比和钢筋的最小保护层厚度等。

若沿用现行设计规范的规定，则需要将本书的环境区划等级按照环境类别逐一与现行设计规范中的环境作用等级建立对应关系。由于现行设计规范中的环境作用等级均为定性的分类和分级，对应关系无疑要从最终的耐久性设计规定入手，即将规范中的各个环境作用等级的耐久性设计规定作为标准试件条件，逐一验证标准试件在自然环境下的耐久年限。若试件在暴露环境中能满足规定耐久性年限，则将此暴露环境的区划等级与该标准试件所对应的环境作用等级视为等同。

因此，可视为现行设计规范中原耐久性规定保持不变，而调整本书的环境区划等级与之相对应。

（2）修正现行设计规范的规定。

修正现行设计规范的做法与“沿用现行设计规范的规定”是一对共轭的做法。修正现行规范，即按照本书环境区划等级的划分，验证现行设计规范中的相同环境类别与各个环境作用等级的耐久性设计规定是否满足对应的环境区划等级的实际环境条件，若不满足，则需要按照计算结果进行修正和调整。

因此，可考虑为本书的环境区划等级不变，而调整现行设计规范中相应的耐久性规定，以满足区域内环境作用效应下的结构耐久性要求。

（3）独立的耐久性设计规定体系。

独立的混凝土结构耐久性设计规定体系，即不再寻求本书环境区划等级与现行设计规范中环境作用等级之间的对应关系，而是提出满足各个环境区划等级对应环境作用效应的混凝土结构耐久性设计规定，并建立基于区划的混凝土结构耐久性设计标准。

因此，建立全新的混凝土结构耐久性设计规定体系，即混凝土结构耐久性环境区划等级与满足各个区划等级混凝土结构耐久性要求的设计规定。

（4）独立的耐久性设计方法体系。

独立的耐久性设计方法体系，与上述独立的耐久性设计规定体系是相辅相成的，两者均为以混凝土结构耐久性环境区划为基础，基于可靠度的混凝土结构耐久性设计方法。不同于独立的耐久性设计规定体系，设计方法体系不直接给出分区的耐久性设计规定，而是给出一系列分项系数和修正系数，从而建立一种基于可靠度的耐久性设计方法。

因此，建立混凝土结构耐久性的确定性设计方法体系和流程，与基于可靠度耐久性设计方法相等效，可以为一般的工程技术人员所使用，从而进行混凝土结构耐久性的定量设计。

从上述（1）～（4）的分析中可以看出，无论是与现行设计规范进行衔接（1）和（2），还是建立独立的混凝土结构耐久性设计体系（3）和（4），都与预测模型这个量化服役环境对结构耐久性作用效应的手段密切相关。以上四种方法的本质是相同的，都需要根据预测模型的量化结果，建立与环境区划等级所对应的耐久性设计规定，然后在此基础上，或建立全新的设计标准，或与现行设计规范衔接对应、调整靠拢。

由于混凝土结构耐久性区划设计方法是基于可靠度理论，采用不同环境类别的耐久性侵蚀机理下的预测模型进行分析和定量计算提出的方法体系。因此，本书从建立独立的混凝土结构耐久性设计规定与设计方法出发，提出基于环境区划的混凝土结构耐久性设计体系，给出包含耐久性区划图、环境系数、等级调整系数、材料修正系数和分区耐久性设计规定的耐久性设计规定体系，以及与基于可靠度的耐久性设计方法相等效的确定性耐久性设计方法体系。