现有混凝土结构的剩余使用年限预测

　　在现有建筑物可靠性鉴定过程中，业主关心的往往是结构的剩余使用年限，以便决定今后如何投资。剩余使用年限是指建筑物使用一段时间后，经检测、鉴定在确保结构可靠性前提下允许继续使用的年限。这种预测对建筑物使用寿命的延长和防止重大事故的发生具有重要意义。因此，国内外学者都很重视这一问题的研究。目前的混凝土结构耐久性理论包括：混凝土碳化理论，混凝土裂缝寿命理论和结构承载力寿命理论。由于混凝土裂缝寿命理论不如结构承载力寿命理论直接可靠，所以我们应用混凝土碳化理论和结构承载力寿命理论，根据构件的损伤程度和速度及其对结构安全性的影响等，进行结构的耐久性评估，即依据建筑物尚存的安全度来确定结构继续使用的年限。本文借鉴国作者：刘卫东男1961年11月出生硕士工程师内外混凝土结构剩余使用年限预测的研究结果，结合山东某电厂输煤桥混凝土结构可靠性鉴定实测数据，从混凝土碳化和构件承载力两方面，建立了与使用年限有关的统计特征，定量地预测了该混凝土结构剩余使用年限。

　　1混凝土结构的检测现有钢筋混凝土结构的耐久性失效，多数是由混凝土的碳化诱发钢筋的锈蚀，从材料的失效发展成构件的失效，终引起钢筋混凝土整体结构的失效，因此，混凝土和钢筋老化状况的检测是预测其结构剩余使用年限的重要依据。在采取实用鉴定法对某输煤桥混凝土结构评估、鉴定过程中，通过现代化的检测技术得到了混凝土保护层的碳化深度及其强度，以及钢筋锈蚀量，并引入结构可靠性理论，对构件承载能力进行了评估。所得检测和计算结果如表1和表2所列。

　　表1输煤桥混凝土构件检测结果使用年限/测点数/碳化深度/碳化速度系数/（mm.年士）混凝土强度/MPa a个均值方差变异系数均值方差变异系数均值方差变异系数表2输煤桥混凝土构件承载力计算结果承载力柱柱丨2柱2丨柱22梁丨梁2杆丨杆2杆3杆4抗力R/kN荷载S/kN 2混凝土剩余碳化年限的预测在分析混凝土碳化检测结果过程中，运用国内外公认的碳化深度D与碳化时间t关系的方程式（1）和式（2）：根据a的频率分布，画出频数直方图（略），提出a服从正态分布2）的假设，然后进行假设分布函数的拟合检验，为了能更充分地接受原假设，笔者对假设分布函数做了皮尔逊X2检验和K一S检验，检验结果都不否定原假设，即该结构混凝土碳化速度系数a服从正态分布N（3.依据一定的保证率p确定出卩，则满足一定保证率p在使用年限t的混凝土碳化深度值Xp为：对于己经发生混凝土碳化的现有混凝土结构而言，其混凝土内部钢筋锈蚀诱发期己过，混凝土剩余碳化年限的预测就是钢筋锈蚀发展期的预测，也即混凝土保护层己大部分碳化，钢筋锈蚀发展至出现构件锈胀裂缝的时间，因此，混凝土允许继续碳化的大取值为混凝土保护层厚度与钢筋直径之和减去目前平均碳化深度，此时碳化混凝土包裹钢筋，整个钢筋表面全部锈蚀，构件处于极限失效状态。由混凝土碳化寿命理论可知，混凝土剩余碳化年限也即结构构件剩余使用年限，利用式（4）计算该结构混凝土剩余碳化年限如表3.由表3可见，由于混凝土构件中钢筋直径不同，其碳化所需年限也不同。

　　3构件承载力的耐久性评估随着时间的顺延，外部因素都将损伤混凝土结构中混凝土和钢筋的强度，使混凝土结构可靠度（安全性）不断下降。严格地讲，各因素对结构的损伤程度是随机过程，相应的强度下降也是随机过程，因此混凝土结构耐久性评估的首要问题就是要求出这些随机过程的分析方法。

　　假设抗力R的下降，仅是由于混凝土强度和钢筋强度的降低而引起的，且这种降低是时间的二次曲线，而荷载S在通常情况下是不变的，因此构件可靠度承载力鉴定指标K也可认为是时间t的二次曲线，即：依据A的频率分布图，提出A服从正态分布a2）的假设，并进行假设分布函数的拟合检验（略），结果A服从正态分布N（6.71X10一4，9.422X1010）。由检测数据得到构件可靠度承载力鉴定指标的统计计算结果见表4.表3混凝土剩余碳化年限计算钢筋直径/mm0继续碳化深度/mm224剩余碳化年限/a0.21注：取p=表4构件可靠度承载力鉴定指标统计结果使用年限/统计数/构件承载力鉴定指标构件承载力降低速度系数个均值方差变异系数均值方差变异系数依据一定的保证率p确定出卩，则满足一定保证率p在使用年限t内的构件可靠度承载力鉴定指标为：结构的剩余使用年限是随机变量，也就是说具有同一失效概率长过程的结构，其破坏时间也是随机的，假设结构的失效概率大到某一数值，即结构的可靠度指标降至某一数值时，就认为结构破坏。按国家结构可靠性鉴定标准，构件可靠度承载力鉴定指标分级在1和0. 87之间，也就是现有构件的K值在0至0.13范围内变化。由现有1混凝土结1构的剩余使用刘卫IbfoMc于钢筋标准抗拉强度的1. 15倍，所以“标准”对抗拉强度的规定仍不能保证接头的抗拉强度不低于钢筋的抗拉强度，即不能保证当钢筋超强时，接头不成为薄弱环节。

　　但是“标准”对SA级接头抗拉强度的规定可促进生产厂在接头达到与钢筋母材等强方面下功夫所以在保留单向拉伸试验割线模量性能指标的前提下，增加SA级接头是可以接受的。而不考虑割线模量单纯强调达到1.15/tk或大于fS0即为SA级是片面的。

　　2关于镦粗直螺纹接头的脆断问题镦粗直螺纹钢筋接头的脆断现象在试验中和工程中时有发生。一般发生在屈服点附近，钢筋的镦粗部分突然断裂，断口为平齐的脆性断口。

　　经分析，认为这种脆断与镦粗有关（镦粗的总变形量、镦粗部分变形不均匀性、镦粗的工艺设备等）镦粗变形量控制不当会造成钢筋变形超过其强化段，其塑性变形能力损失殆尽或是由于镦粗不当产生微细裂纹。

　　试验发现，HRB400钢筋由于镦粗不当造成脆断的倾向性要比HRB335钢筋大得多。

　　因此，建议“镦粗直螺纹钢筋接头”标准应对脆断给予关注，如发生脆断应加倍复验，复验不合格者应补做形式检验等。而且当镦粗直螺纹接头用于动载结构时，必须对接头进行200万次疲劳试验3对钢筋机械连接接头其它问题的看法目前在广泛使用的各种钢筋机械接头中，冷挤压连接是不对钢筋进行机械加工的连接方式。

　　经大量检验证明，这种连接接头接近母材强度，基本上可以保证断于母材，而且是容易通过形式检验、性能为稳定的接头方式。但其成本较高，价格较贵。这种连接方式重要的是要把好套筒的原材料关，防止发生套筒的纵向劈裂。

　　钢筋锥螺纹接头、镦粗直螺纹接头、滚压直螺纹接头等机械连接方式均需对钢筋进行现场机械加工，因此都存在着现场加工钢筋的质量控制问题。一把梳刀或一个滚轮加工多少个接头就要更换，加工多少个接头后就要调整，加工好的钢筋接头用何种量具检验，如何建立现场加工的质保体系，这些问题目前解决得并不好。一个生产厂的机械连接接头通过了形式检验只说明该厂有能力生产合格的接头，但并不等于说其生产的接头都合格。例如某市工程质量监督总站曾从现场抽取了某单位生产的锥螺纹接头做形式检验，检验结果，这些接头中有1/3确实非常好，达到A级接头，但有些不合格，结果总评不合格。这个例子说明，对该单位来说，关键己不是技术问题而是管理问题。

　　4结论（1）应建立合理的钢筋机械连接接头标准体系，各种接头产品标准不应自行规定性能等级，而应根据形式检验中的割线模量性能指标（E07、Eo.9）不应取消，否则会造成严重的裂缝问题以及接头质量的失控。

　　凡是要在现场对钢筋进行机械加工的生产厂，必须有严格的质量保证体系及其措施，保证所加工的接头是合格的。工程质量监督部门应采取一定的措施加强监督。

　　（上接第43页）4结语现有混凝土结构的材质、环境、保护层厚度及其损伤情况，以及混凝土和钢筋强度的下降是客观存在的，通常情况下是按一定规律影响着混凝土结构的使用年限，也就是说各种因素对混凝土碳化速度和承载力降低速度的影响都己确定，因此依据实测数据，确定混凝土碳化速度系数和构件承载力降低速度系数的概率模型是可以接受的，它符合实际运行工况下混凝土结构的损伤规律，这比通过查表确定各种因素影响系数计算出的结构构件剩余使用年限更加可靠。显然，采用式（4）和式（8）预测现有混凝土结构剩余使用年限是可行的。本文方法只适用于实施检测鉴定的混凝土结构，对于构件承载力和混凝土碳化与建筑物使用年限的普遍规律，有待通过大量试验研究进一步论证。