混凝土结构耐久性环境区划研究框架

引起混凝土结构耐久性失效的原因存在于结构的设计、施工及维护的各个环节。

首先，虽然在许多国家的规范中都明确规定钢筋混凝土结构必须具备安全性、适用性与耐久性，但是这一宗旨并没有充分体现在具体的设计条文中，使得以往乃至现在的结构设计都普遍重强度设计而轻耐久性设计。以我国1989年颁布的设计规范为例，其中除了一些保证混凝土结构耐久性构造措施外，只是在正常使用极限状态验算中控制了一些与耐久性设计有关的参数，如混凝土结构的裂缝宽度等，但这些参数的控制对结构耐久性设计不起决定性的作用，并且这些参数也会随时间而变化；而现行规范［3-6］中的耐久性设计规定分类等级相对烦冗，而且缺乏可靠度分析的基础，因此与以近似概率为基础的规范设计方法并不协调。

其次，不合格的施工也会影响结构的耐久性，常见的施工问题如混凝土质量不合格、钢筋保护层厚度不足都可能导致钢筋提前锈蚀。

再者，在结构的使用过程中，没有进行合理维护而造成的结构耐久性降低也是不容忽视的，如对结构的碰撞、磨损以及使用环境的劣化等，都会使结构无法达到预定的使用年限。

由上可见，无论从混凝土结构的耐久性基本原理，还是我国混凝土结构的耐久性现状出发，混凝土结构的设计、施工、维护各环节都需要一个耐久性的环境区划标准，通过区分我国不同地区气候与地理条件的差异，明确各区域的耐久性基本要求，提供合适的环境参数和技术措施，减轻环境对结构的不利影响，在总体上保证混凝土结构的安全性、耐久性和经济性，从而满足我国环境保护和可持续发展的要求。这个环境区划标准，作为耐久性设计、施工与维护的第一步，是在有机结合环境、材料、构件和结构等四个层次的研究成果的基础上，借鉴已有的结构设计原则，考虑结构形式、功能、重要程度以及经济因素等，依据结构全寿命周期成本原理确立的。

3.3.3.1　技术规定

就3.2中混凝土结构耐久性设计区划应考虑的因素详细讨论，给出区划设计方法的技术规定，后面有涉及这方面的内容不再明确说明。总体规定包括：

（1）研究的环境类别空间包括一般大气环境、海洋氯化物环境、冻融循环环境。

（2）不同耐久性侵蚀机理的研究平行进行，不考虑多种机理的联合作用。

（3）当构件受到多种环境共同作用时，耐久性设计中应分别满足每种环境单独作用下的耐久性要求，即按较为严酷的环境进行设计。

（4）研究对象为普通钢筋混凝土结构。

（5）研究中结构和构件的基准年限统一考虑为50年。

（6）标准试件的选取应符合工程实践与耐久性的一般要求。

（7）基准环境的选取应是该环境类别中的一般性环境条件，而且应是关注较多、研究内容较为丰富的环境条件。

3.3.3.2　设计原则

（1）总体原则。

①同时考虑区域环境与局部环境的环境作用，即考虑环境对混凝土结构耐久性作用效应在空间不均匀分布的特点。

②根据服役环境对结构耐久性影响程度的区域特征和相关程度，划分混凝土结构耐久性的环境区域和区域作用等级，即完成环境区划，作为混凝土结构耐久性区划设计方法的基本参照。

③采用基于可靠度的概率分析方法，考虑参数的不确定性影响。

④吸收相关混凝土耐久性研究中与环境相关的预测方面的成果，如环境因素对混凝土结构耐久性的影响规律、性能劣化模型、耐久性参数选取与分析、室内环境模拟试验与实际环境中混凝土结构的环境行为之间的相关性等。

（2）环境区划原则。

①区域等级的确定需要依据环境对混凝土结构耐久性作用效应的量化结果，分区指标应尽量选用相对指标或不涉及结构材料因素的环境量化指标，以便客观反映不同区域环境对混凝土结构耐久性的作用效应和程度。

②采用作用效应等分原则划分环境区域等级，等分尺度应保证区划的有效性和实用性，避免出现过大或过小的区域等级。

③明确各区域等级的环境特征、环境侵蚀特征和耐久年限分布特征的相似性，不同的环境类别对混凝土结构耐久性的侵蚀作用机理存在差别，应针对不同的环境作用机理分别选取适宜的分区指标。

④根据区域完整性原则和环境作用效应相同原则编制不同环境类别下的混凝土结构耐久性环境作用效应区划图。(www.xing528.com)

（3）区划设计方法及其标准建立原则。

①以混凝土结构耐久性环境区划为依据，结合各区域等级的环境特征、环境侵蚀特征和耐久年限分布特征，综合确定各区带内的混凝土结构耐久性设计规定，分别根据各个环境区域条件提供设计规定。

②不论是独立的设计规定体系还是设计方法体系，均应明确不同环境侵蚀机理对应的耐久性极限状态这个设计依据。

③充分吸收和消化相关规范的规定与研究成果，对于规定范围以外的结构，需结合规范的规定，综合考虑实际计算结果和专家经验等再做决定。

④应能指导一般性的工程实践，适用于不同层次的工程实践人员，简便、有效且易于推广。

3.3.3.3　研究框架体系

基于混凝土结构耐久性设计区划的研究内容与基本方法，并结合耐久性设计区划要考虑问题的几个方面，混凝土结构耐久性设计的环境区划方法的研究框架体系如图3-7所示，包括基础层、过渡层、中间层、综合层、目标层和展示层六个层次的内容。

依据研究框架体系，混凝土结构耐久性设计区划研究的主要内容包括以下几个部分。（1）研究影响混凝土结构耐久性的环境因素的作用效应。

分析环境气候条件，结合对混凝土结构耐久性失效情况的调查，确定混凝土结构耐久性劣化的主要机理及其环境影响因素；明确混凝土结构耐久性服役环境的空间特征，并对其进行定义；确定不同环境侵蚀类型下的区域环境划分对象，以作为混凝土结构耐久性设计区划研究的基准环境。

（2）研究结构抵抗环境作用效应的能力。

针对不同的劣化作用机理，分别讨论影响该机理作用下混凝土结构耐久性劣化的材料和构造因素，确定耐久性侵蚀或性能退化预测模型与耐久性区划设计中涉及的主要指标；定义不同环境类别对应耐久性侵蚀机理下环境对结构耐久性作用程度的参照基准——结构内部标准条件，即标准试件。

（3）建立不同环境侵蚀机理下的结构侵蚀或性能退化预测模型。

研究不同环境对结构材料腐蚀的作用机理和影响规律、结构材料耐久性参数随环境不同的变化规律，分别建立环境因素量化模型、环境对结构影响规律的量化模型和材料耐久性参数随环境变化的量化模型或其取值方法，结合环境模拟试验与实际环境中混凝土结构的耐久性行为之间的相关研究，针对不同的耐久性劣化机理，根据国内外相关研究成果，建立适用于耐久性设计区划研究的结构耐久性侵蚀或性能退化预测模型。

（4）确定基于可靠度的概率预测方法。

确定需要考虑的环境或结构材料参数的特征值和概率分布特征；分别讨论不同侵蚀机理下的耐久性极限状态与目标可靠指标，采用设计使用寿命模式，确定结构耐久性寿命预测的概率方法或相应的侵蚀深度预测方法。

图3-7　混凝土结构耐久性设计区划研究框架体系

（5）混凝土结构耐久性环境作用效应区划。

针对不同的环境类型，讨论相应侵蚀机理下不同区划方法与分区指标的合理性；针对基准环境，引入各地实际环境条件，基于标准试件，进行混凝土耐久性预测和区域划分指标的计算，根据损伤梯度等分原则确定区域划分边界值，建立不同侵蚀作用下基准环境的混凝土结构耐久性环境区域划分，并建立相对于基准环境的其他环境作用条件的等级调整方法，完成混凝土结构耐久性的环境作用效应区划。

（6）基于区划的混凝土结构耐久性设计体系。

基于建立的混凝土结构耐久性环境区划体系，给出各个分区满足耐久性规定要求的对应于标准试件的混凝土结构耐久性设计规定；引入材料修正系数，进一步考虑不同材料的影响，建立混凝土结构耐久性设计规定体系；建立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，以满足有较高设计要求的工程设计人员的需求。

（7）混凝土结构耐久性环境区划与耐久性设计标准。

整理不同环境类别下的混凝土结构耐久性环境区划体系与对应的设计规定体系以及设计方法体系，编制基于环境作用效应区划的混凝土结构耐久性设计标准。这个标准包含了基准环境下的环境区划图、等级调整系数、针对标准试件的分区耐久性设计规定、材料修正系数等相关规定，以及独立的耐久性设计方法。

（8）耐久性设计区划地理信息查询系统。

将矢量地图数据导入地理信息系统，利用地理信息系统对空间数据和属性数据的强大存储和分析功能，导入各地区的基础环境数据和相关预测数据，经过分析得到相关分布图；基于Visual Studio C#开发混凝土结构耐久性设计区划地理信息查询系统，将区域自然因素、耐久性劣化程度和耐久性设计规定“三位一体”，直观展示与混凝土结构耐久性及耐久性设计相关的地域化特征，增强研究的实用性。