基于全壽命成本的銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

李鍾奧 徐博文 張靈靈

摘要：鋼筋銹蝕是造成混凝土結(jié)構(gòu)失效的重要原因，為此我國(guó)每年都要耗費(fèi)高額的費(fèi)用進(jìn)行維修和拆除。本文基于全壽命成本的計(jì)算模型，考慮由混凝土碳化引起的鋼筋銹蝕這種情況，分析保護(hù)層厚度與全壽命成本的關(guān)系，優(yōu)化設(shè)計(jì)保護(hù)層厚度的取值，使結(jié)構(gòu)全壽命成本得到優(yōu)化，從而為該類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：全壽命成本；碳化環(huán)境；銹蝕鋼筋；保護(hù)層厚度；優(yōu)化設(shè)計(jì)

引 言

在我國(guó)，鋼筋與混凝土作為主要的建筑材料，其用量自然也是很大的，但是每年都會(huì)有一些建筑需要拆除或者維修加固，其中一個(gè)很重要的原因就是鋼筋銹蝕。由于建筑物長(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境下，結(jié)構(gòu)的耐久性自然會(huì)降低，結(jié)構(gòu)的保護(hù)層脫落，鋼筋發(fā)生銹蝕，因此每年都需要大量的人力物力投入去進(jìn)行維修，給國(guó)家?guī)砹司薮蟮慕?jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)來降低其在使用期內(nèi)的總成本就顯得尤為重要。

1.銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能分析

1.1鋼筋材料性能降低

鋼筋銹蝕由點(diǎn)蝕逐漸發(fā)展成為坑蝕，最后向外蔓延擴(kuò)展成全面銹蝕。鋼筋銹蝕后鋼筋截面外邊緣的坑蝕引起有效截面面積減少?gòu)亩a(chǎn)生應(yīng)力集中，引起鋼筋性能指標(biāo)的變化，主要體現(xiàn)在延伸率、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、延性等方面。特別是延伸率，當(dāng)銹蝕率大于10 %時(shí)，遞減速度明顯增大。鋼筋銹蝕后有效截面面積變小，使其所能抵抗的拉力減小；銹蝕鋼筋的表面凹凸不平，受力以后嚴(yán)重的應(yīng)力集中使其抗拉能力進(jìn)一步減小，從而導(dǎo)致屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度下降，這是導(dǎo)致構(gòu)件承載力降低的原因之一。[1]

1.2鋼筋與混凝土粘結(jié)性能降低

在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋和混凝土這兩種性質(zhì)不同的材料之所以能夠共同工作，主要是依靠鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)力。由于這種粘結(jié)力的存在，使鋼筋和周圍混凝土之間的內(nèi)力能夠相互傳遞。鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)力，主要由三部分組成：1）鋼筋和混凝土接觸面上的粘結(jié)—化學(xué)吸附力，亦稱膠結(jié)力；2）鋼筋與混凝土之間的摩阻力；3）鋼筋與混凝土的咬合力。鋼筋銹蝕后，在鋼筋與混凝土之間會(huì)形成一層鐵銹層，鐵銹層使得鋼筋與混凝土之間的化學(xué)膠結(jié)力以及混凝土對(duì)鋼筋的約束力均受到不同程度的減弱。而且銹蝕后鐵銹的體積是相應(yīng)鋼筋體積的2～4倍，從而使得鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)性能退化，最終導(dǎo)致鋼筋混凝土構(gòu)件的承載力下降。[2-3]

2.全壽命成本設(shè)計(jì)模型

工程結(jié)構(gòu)的全壽命成本是指在建筑結(jié)構(gòu)從設(shè)計(jì)施工到建成投入使用直至建筑壽命結(jié)束這段時(shí)間內(nèi)所有的資金耗費(fèi)總和。根據(jù)結(jié)構(gòu)可靠度以及經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，我們提出工程項(xiàng)目在全壽命周期內(nèi)的成本計(jì)算模型為：

3.基于保護(hù)層厚度結(jié)構(gòu)全壽命成本優(yōu)化分析

3.1保護(hù)層厚度與全壽命成本關(guān)系的分析

由上述所建立的數(shù)學(xué)模型可知，結(jié)構(gòu)的全壽命成本與混凝土的保護(hù)層厚度有密切關(guān)系，可以通過考慮混凝土的保護(hù)層厚度與結(jié)構(gòu)壽命的關(guān)系、結(jié)構(gòu)壽命與全壽命成本的關(guān)系，從而得出全壽命成本與保護(hù)層厚度的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)保護(hù)層厚度b進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

對(duì)于保護(hù)層厚度與結(jié)構(gòu)壽命之間的關(guān)系，可根據(jù)廣西大學(xué)余波教授等人[7]提出的碳化環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命T來確定，見下式（13）：

由此可以看出保護(hù)層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)壽命具有一定的影響：在一定范圍內(nèi)，增加保護(hù)層厚度可以適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)結(jié)構(gòu)的壽命；但結(jié)構(gòu)的建造成本又會(huì)隨著保護(hù)層厚度的增加而增加，所以需要對(duì)保護(hù)層厚度進(jìn)行優(yōu)化，由此得出最經(jīng)濟(jì)的保護(hù)層厚度。

3.2 保護(hù)層厚度優(yōu)化分析

如圖2所示，保護(hù)層厚度b越高，運(yùn)營(yíng)期費(fèi)用C運(yùn)越低，而初始建造成本 會(huì)越高，故對(duì)于總費(fèi)用C必然存在也僅存在一組保護(hù)層厚度 使得總費(fèi)用C最低，可以記為最佳設(shè)計(jì)可靠指標(biāo) 。對(duì)于實(shí)現(xiàn)總費(fèi)用最小時(shí)的保護(hù)層厚度 需滿足等式：

由前面計(jì)算的表1可知保護(hù)層厚度與結(jié)構(gòu)壽命成正比，當(dāng)保護(hù)層厚度增加時(shí)結(jié)構(gòu)的壽命也隨之增加；壽命長(zhǎng)則所需的初始建造費(fèi)用越高，而相應(yīng)的后期維修加固費(fèi)用會(huì)有所減少，由此可以得到圖2中所示的保護(hù)層厚度與總費(fèi)用的關(guān)系曲線。如圖2所示，必定存在一個(gè)保護(hù)層厚度b0，使得總費(fèi)用最少，可以記為最佳保護(hù)層厚度。此時(shí)可以根據(jù)式（17）進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的保護(hù)層厚度為30mm左右。

4.結(jié)論

（1）在碳化環(huán)境下，根據(jù)保護(hù)層厚度與結(jié)構(gòu)壽命的計(jì)算式得出：在一定范圍內(nèi)，保護(hù)層厚度與結(jié)構(gòu)壽命呈現(xiàn)出二次函數(shù)遞增的關(guān)系。

（2）依據(jù)全壽命成本計(jì)算模型以及保護(hù)層厚度與壽命的關(guān)系，建立保護(hù)層厚度與全壽命成本的關(guān)系式，并分析得：在一定范圍內(nèi)，隨著保護(hù)層厚度的增加，初始建造成本也相應(yīng)增加，而后期運(yùn)營(yíng)成本會(huì)相應(yīng)降低。

（3）依據(jù)建立的保護(hù)層厚度與全壽命成本之間的關(guān)系式，優(yōu)化設(shè)計(jì)碳化環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)層厚度b。

參考文獻(xiàn)

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[7]余波，成荻，楊綠峰. 混凝土結(jié)構(gòu)的碳化環(huán)境作用量化與耐久性分析[J]. 土木工程學(xué)報(bào)，2015，09：51-59.

（作者單位：江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院）