CN103065006B - 一种海洋环境下混凝土结构耐久性定量设计的方法 - Google Patents

Abstract

一种海洋环境下混凝土结构耐久性定量设计的方法，该方法包括：步骤1：确定混凝土结构的保护层厚度和混凝土龄期衰减系数;步骤2：基于混凝土结构控制区的氯离子浓度分布计算模型，建立氯离子扩散系数上限值与设计使用年限、混凝土保护层厚度和混凝土龄期衰减系数之间的关系，并据此计算出海洋环境下混凝土结构的氯离子扩散系数上限值；步骤3：根据混凝土保护层厚度、混凝土龄期衰减系数和氯离子扩散系数上限值，得到满足预定服役年限要求的混凝土结构耐久性设计参数，实现海洋环境下混凝土结构的耐久性定量设计。本发明的方法为海洋环境下混凝土结构的耐久性设计提供了定量分析手段和依据。

Description

一种海洋环境下混凝土结构耐久性定量设计的方法

技术领域

本发明涉及混凝土结构耐久性设计的方法，具体地，涉及一种海洋环境下混凝土结构耐久性定量设计的方法。

背景技术

在海洋环境中，由氯离子引起的钢筋锈蚀和混凝土开裂是导致钢筋混凝土结构耐久性劣化的重要原因。目前，在氯盐环境下混凝土结构的耐久性设计，主要基于定性分析确定混凝土的强度等级、水胶比、混凝土保护层厚度和氯离子扩散系数上限值。由于现行设计规范中缺乏混凝土结构设计使用年限与混凝土结构耐久性设计参数之间的定量关系模型，从而无法根据混凝土结构的环境腐蚀类型和作用等级定量确定混凝土结构的材料性能和几何特性参数，从而导致当前的混凝土结构设计理论和方法难以通过定量分析来确定混凝土结构的耐久性设计参数，无法通过耐久性定量设计来满足海洋氯盐环境下混凝土结构的预定服役寿命。

在申请号为201010101150名称为“一种测试水泥砂浆中氯离子二维分布的方法”的专利申请中公开了一种测试水泥砂浆中氯离子二维分布的方法，该方法包括：(1)水泥砂浆氯离子二维扩散实验；(2)对试块进行取样；(3)提取各取样点粉末中的氯离子并测定含量；(4)根据步骤(3)得到的氯离子含量绘制反映水泥砂浆中氯离子二维扩散情况的氯离子二维分布等浓度线图。该方法主要用于测试和分析混凝土中的氯离子浓度分布规律。

在申请号为200710043299名称为“一种测试混凝土抗氯化物侵蚀能力的方法”的专利申请中公开了一种测试混凝土抗氯化物侵蚀能力的方法。该方法主要通过试验测试方法，测定混凝土的电通量和氯离子扩散系数，以分析混凝土的抗腐蚀能力。

由此可见，上述两种方法主要分析混凝土中的氯离子浓度分布规律及混凝土的抗氯化物侵蚀能力，局限于在役混凝土结构的耐久性分析与评估，无法应用于混凝土结构的耐久性定量设计，难以确保混凝土结构达到预定服役年限。因此，有必要提出一种海洋环境下混凝土结构的耐久性定量设计方法，根据定量计算模型确定混凝土结构的耐久性设计参数，使所设计的混凝土结构达到预定服役年限。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种海洋环境下混凝土结构耐久性定量设计的方法。该方法解决了现有的对于海洋环境下混凝土结构的耐久性设计参数主要通过定性分析或工程经验估算，难以定量计算的缺陷。

本发明提供了一种海洋环境下混凝土结构耐久性定量设计的方法，该方法包括：

步骤1：确定混凝土结构的保护层厚度和混凝土龄期衰减系数;

步骤2：基于混凝土结构控制区的氯离子浓度分布计算模型，建立氯离子扩散系数上限值与设计使用年限、混凝土保护层厚度和混凝土龄期衰减系数之间的关系；

步骤3：根据步骤1得到的混凝土结构的保护层厚度和混凝土龄期衰减系数，以及步骤2得到的氯离子扩散系数上限值与设计使用年限、混凝土保护层厚度和混凝土龄期衰减系数之间的关系，计算出海洋环境下混凝土结构中的氯离子扩散系数上限值；

步骤4：根据步骤3得到的结果，获得满足预定服役年限要求的混凝土结构耐久性设计参数。

本发明的有益效果在于：本发明首次提供一种海洋环境下混凝土结构耐久性定量设计的方法，能够根据钢筋混凝土结构的设计使用年限、混凝土保护层厚度和混凝土龄期衰减系数，定量确定混凝土结构的氯离子扩散系数上限值，从而得到满足预定服役年限要求的混凝土结构耐久性设计参数，实现海洋环境下混凝土结构的耐久性定量设计。由于本发明中的混凝土结构耐久性设计参数是通过计算得到的，而不是通过实验测试或工程经验得到的，从而为海洋环境下混凝土结构的耐久性设计提供了定量分析手段和依据，克服了当前混凝土结构设计理论和方法不能通过模型计算和分析定量确定混凝土结构耐久性设计参数、难以保证混凝土结构达到服役年限的缺陷。

附图说明

图1表示钢筋混凝土连续刚构桥的结构设计图。

图2表示服役30年时桥墩内钢筋周围的氯离子浓度分布。

图3表示服役50年时桥墩内钢筋周围的氯离子浓度分布。

图4表示服役100年时桥墩内钢筋周围的氯离子浓度分布。

图5表示服役100年时桥跨结构内钢筋周围的氯离子浓度分布。

图6表示服役100年时基础内钢筋周围的氯离子浓度分布。

图7表示钢筋混凝土框架结构的结构设计图。

图8表示服役30年时框架结构内钢筋周围的氯离子浓度分布。

图9表示服役50年时框架结构内钢筋周围的氯离子浓度分布。

图10表示钢筋混凝土海堤的结构设计图。

图11表示服役30年时胸墙内钢筋周围的氯离子浓度分布。

图12表示服役50年时胸墙内钢筋周围的氯离子浓度分布。

图13表示服役30年时堤顶内钢筋周围的氯离子浓度分布。

图14表示服役50年时堤顶内钢筋周围的氯离子浓度分布。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的人体运动采集系统进行详细描述。实施例仅用于解释本发明，不用于限制本发明，在本发明保护范围内所做的修改、替换都在本发明的保护范围内。

实施例1

通过本发明方法确定海洋氯盐环境下某钢筋混凝土连续刚构桥的耐久性设计参数，实现该钢筋混凝土连续刚构桥的耐久性定量设计，本实施例包括以下步骤：

1.确定混凝土结构的保护层厚度和混凝土龄期衰减系数；

1.1确定钢筋混凝土连续刚构桥的混凝土保护层厚度d

参见图1，海洋氯盐环境下，钢筋混凝土连续刚构桥的结构设计图。该钢筋混凝土连续刚构桥中的标识“1”表示桥跨结构，标识“2”表示桥墩，标识“3”表示基础部分。

根据GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》的第6.2.1条和第6.3.2条，可以确定桥跨结构的环境作用等级为III-D（大气区），其最小保护层厚度为55mm；桥墩的环境作用等级为III-E（潮汐和浪溅区），其最小保护层厚度为65mm；基础的环境作用等级为III-C（水下区），其最小保护层厚度为50mm。

根据工程经验，适当增加混凝土的保护层厚度，可以提高混凝土结构的耐久性，所以可以在基础、桥墩和桥跨结构的最小保护层厚度的基础上适当增加保护层厚度。为了提供多种对比方案，本实施例中钢筋混凝土连续刚构桥的混凝土保护层厚度选取50mm、55mm、60mm、65mm和70mm五个备选值。

1.2确定钢筋混凝土连续刚构桥的混凝土龄期衰减系数n

根据CCES01-2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》的第C.3.2条，掺有矿渣和粉煤灰的混凝土的龄期衰减系数n为

$n=0.2+0.4(\frac{Q_{\mathrm{FA}}\%}{50}+\frac{Q_{\mathrm{SG}}\%}{70})$

其中，Q_FA%和Q_SG%分别表示粉煤灰和矿渣在胶凝材料中所占的百分比。通过调整胶凝材料中矿渣和粉煤灰的掺量，可以改变混凝土的龄期衰减系数n。龄期衰减系数n通常在0.2～0.6之间取值。考虑到实际情况，本实施例中钢筋混凝土连续刚构桥的混凝土龄期衰减系数选取0.3、0.4和0.5三种备选值。

2.计算海洋环境下混凝土结构的氯离子扩散系数上限值D_max

2.1确定钢筋混凝土连续刚构桥的氯盐环境参数

根据GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》的第6.2.1条，可以确定桥跨结构的环境作用等级为III-D（大气区），桥墩的环境作用等级为III-E（潮汐和浪溅区），基础的环境作用等级为III-C（水下区）。结合CCES01-2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》的表C3.1-1和表C3.1-2，可以确定桥跨结构、桥墩和基础的表面氯离子浓度C_S和临界氯离子浓度C_cr，见表1。

表1钢筋混凝土连续刚构桥的氯盐环境参数

2.2确定混凝土结构的初始氯离子浓度和初始暴露龄期

根据GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》第B.2.1条所述的配筋混凝土本体中氯离子的最大含量限值要求，可以确定该钢筋混凝土连续刚构桥混凝土的初始氯离子浓度C₀=0.08%。

根据GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》第6.3.6条中关于混凝土抗氯离子侵入性指标要求，可以确定该钢筋混凝土连续刚构桥混凝土的初始暴露龄期t₀=28d=0.077a。

2.3选择混凝土保护层厚度和龄期衰减系数的备选组合

为提供多种对比方案，参见1.1和1.2的描述，混凝土保护层厚度d选取50mm、55mm、60mm、65mm、70mm五个备选值，龄期衰减系数n选取0.3、0.4和0.5三个备选值，进而可以构成15种备选组合。

2.4确定混凝土结构控制区的氯离子浓度分布计算模型

根据图1所示钢筋混凝土连续刚构桥各部件的几何特性，可以确定氯离子在桥跨结构中为一维扩散，在桥墩中为二维扩散，在基础中为三维扩散。因此，根据本发明方法步骤二中的公式(2)，各部件中的氯离子浓度分布计算模型为：

$C(d,t)=C_0+(C_s-C_0)[1-{\mathrm{erf}}^N\left(\frac{d}{2\sqrt{D_0\frac{t_0^n}{1-n}}[{(1+t_0)}^{1-n}-t_0^{1-n}]}\right)]$

其中，C（d，t）表示在N维扩散情况下，在t时刻保护层厚度为d的混凝土结构中钢筋表面的氯离子浓度；t表示混凝土暴露于氯盐环境的时间；D₂₈表示28龄期混凝土的氯离子扩散系数；erf^N(〃)表示误差函数的N次方；N表示混凝土结构中的氯离子扩散维数对应于桥跨结构、桥墩和基础，分别取N＝1、N＝2和N＝3。

2.5计算混凝土结构的氯离子扩散系数上限值D_max

当混凝土结构中钢筋表面的氯离子浓度达到引发钢筋锈蚀的临界氯离子浓度时，即由步骤2.4所计算的C(d，t)达到临界氯离子浓度C_cr时，混凝土中的钢筋开始发生锈蚀，由于钢筋的腐蚀诱导期远大于腐蚀发展期，通常将腐蚀发展期视为耐久性设计的安全储备，因此可以认为此时混凝土结构发生耐久性破坏。所以，混凝土结构的耐久性设计目标是保证钢筋表面的氯离子浓度在混凝土结构达到设计使用年限时不高于临界氯离子浓度，从而结合步骤2.4所述的氯离子浓度分布计算模型和步骤2.1所选定的临界氯离子浓度C_cr，可以确定桥跨结构、桥墩和基础中的氯离子扩散系数上限值计算模型为：

$D_{\max }=\frac{d^2}{\frac{{4t}_0^n}{1-n}[{(T_s+t_0)}^{1-n}-t_0^{1-n}]{\mathrm{erf}}^{-2}\left[{\left(\frac{C_s-C_{\mathrm{cr}}}{C_s-C_0}\right)}^{\frac{1}{N}}\right]}$

其中，D_max表示氯离子扩散系数的上限值；C_cr表示临界氯离子浓度；C₀表示初始氯离子浓度；C_s表示表面氯离子浓度；t₀表示初始暴露龄期；T_S表示设计使用年限；N表示混凝土结构中的氯离子扩散维数，对应于桥跨结构、桥墩和基础，分别取N＝1、N＝2和N＝3；n表示龄期衰减系数；d表示混凝土保护层厚度；erf^-2(〃)表示误差函数的逆函数的平方。

利用步骤2.1所确定的表面氯离子浓度C_s和临界氯离子浓度C_cr，步骤2.2所确定的初始氯离子浓度C₀和初始暴露龄期t₀，结合钢筋混凝土连续刚构桥的设计使用年限T_s＝100a，针对步骤2.3所选择的混凝土保护层厚度d和龄期衰减系数n的备选组合，根据上述氯离子扩散系数上限值计算模型可以确定对应的氯离子扩散系数上限值，从而形成由混凝土保护层厚度、混凝土龄期衰减系数和氯离子扩散系数上限值组合而成的混凝土结构耐久性设计参数备选方案，见表2。

表2钢筋混凝土连续刚构桥的耐久性设计参数备选方案

3.确定海洋环境下混凝土结构的耐久性设计参数

根据目前的混凝土制备技术水平，混凝土的氯离子扩散系数通常在50mm²/a～300mm²/a。同时，根据GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》的第6.2.1条和第6.3.2条，可以确定桥跨结构的环境作用等级为III-D（大气区），其最小保护层厚度和氯离子扩散系数上限值分别为55mm和220.752mm²/a（a表示年），即7×10^-12mm²/s（s表示秒）；桥墩的环境作用等级为III-E（潮汐和浪溅区），其最小保护层厚度和氯离子扩散系数上限值分别为65mm和126.144mm²/a，即4×10^-12mm²/s；基础的环境作用等级为III-C（水下区），其最小保护层厚度为50mm，对氯离子扩散系数上限值没有作要求。

根据上述规范限值要求，从表2中的备选方案中可以选定本钢筋混凝土连续刚构桥的耐久性参数：桥跨结构的龄期衰减系数为0.3、混凝土保护层厚度为60mm、氯离子扩散系数上限值为172.08mm²/a；桥墩的龄期衰减系数为0.4、混凝土保护层厚度为70mm、氯离子扩散系数上限值为116.27mm²/a；基础的龄期衰减系数为0.5、混凝土保护层厚度为55mm、氯离子扩散系数上限值为166.41mm²/a。根据上述混凝土结构的耐久性设计参数，可以实现该钢筋混凝土连续刚构桥的耐久性定量设计。

实施例2

本实施例为验证本发明方法的有效性和优越性的具体实例，包括以下步骤：

1.有效性的验证

为了验证本发明方法的有效性，利用通用商业有限元分析软件ANSYS建立实施例1中所述钢筋混凝土连续刚构桥各部件的氯离子扩散分析模型，选用表2中的各组耐久性设计参数，根据钢筋表面的氯离子浓度富集过程可以确定钢筋混凝土连续刚构桥各部件的服役寿命。以混凝土保护层厚度d＝70mm、龄期衰减系数n=0.4、氯离子扩散系数为116.27mm²/a为例，由有限元分析软件计算确定的桥墩中钢筋周围的氯离子浓度分布情况如图2～图4所示。由图2和图3可知，当桥梁服役30年或50年时，桥墩钢筋表面的氯离子浓度均未达到引发钢筋锈蚀的临界氯离子浓度C_cr＝0.8%。由图4可知，随着服役年限的增加，钢筋周围的氯离子浓度逐渐增加，当桥梁服役100年时，桥墩中钢筋表面的氯离子浓度刚好达到引发钢筋锈蚀的临界氯离子浓度C_cr＝0.8%。

采用相同的方式可以对表2中的每一组耐久性参数逐一进行验证。例如，当混凝土保护层厚度d＝60mm、龄期衰减系数n=0.3、氯离子扩散系数为172.08mm²/a时，服役100年时桥跨结构钢筋周围的氯离子浓度分布如图5所示；当混凝土保护层厚度d＝55mm、龄期衰减系数n=0.5、氯离子扩散系数为166.41mm²/a时，服役100年时基础中钢筋周围的氯离子浓度分布如图6所示。由图5和图6可知，当桥梁服役100年时桥跨结构和基础中钢筋表面的氯离子浓度刚好分别达到各自的临界氯离子浓度，即0.8%和2.1%。由此说明，利用本发明方法所确定的混凝土龄期衰减系数、混凝土保护层厚度和氯离子扩散系数上限值组合而成的耐久性设计参数，可以定量保证该钢筋混凝土连续刚构桥满足预定的服役寿命要求。

2.优越性的验证

由于现行的GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》缺乏设计使用年限与混凝土结构耐久性参数之间的定量关系模型，从而只能定性地确定特定设计使用年限、环境作用等级和混凝土保护层厚度情况下的氯离子扩散系数上限值。根据GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》，该钢筋混凝土连续刚构桥中桥跨结构的最小保护层厚度和氯离子扩散系数上限值分别为55mm和220.752mm²/a，桥墩的最小保护层厚度和氯离子扩散系数上限值分别为65mm和126.144mm²/a，利用通用商业有限元分析软件ANSYS分析可以分别确定桥跨结构和桥墩的服役寿命。例如，当桥跨结构的混凝土保护层厚度d为55mm、氯离子扩散系数为220.752mm²/a、龄期衰减系数n为0.3时，尽管耐久性设计参数取值符合规范要求，但是桥跨结构的服役寿命仅为54.88年，远小于设计使用年限100年的要求。类似地，当桥墩的混凝土保护层厚度d为65mm、氯离子扩散系数为126.144mm²/a、龄期衰减系数n为0.4时，其服役寿命仅为68.57年，同样无法满足设计使用年限100年的要求。

由于基础的环境作用等级为III-C，GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》没有对氯离子扩散系数上限值作要求，由于混凝土结构的服役年限与氯离子扩散系数密切相关，所以此时无法根据该规范定量确定混凝土结构的耐久性设计参数。

实施例3

通过本发明方法确定海洋氯盐环境下某钢筋混凝土框架结构的耐久性设计参数，以实现该钢筋混凝土框架结构的耐久性定量设计，本实施例包括以下步骤：

1.确定混凝土结构的保护层厚度和混凝土龄期衰减系数；

1.1确定钢筋混凝土框架结构的混凝土保护层厚度d

参见图7，海洋氯盐环境下，钢筋混凝土框架结构的结构设计图。该钢筋混凝土框架结构中的标识“1”表示框架柱，标识“2”表示框架梁。

根据GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》的第6.2.1条和第6.3.2条，可以确定该框架结构的环境作用等级为III-D（轻度盐雾大气区），其最小保护层厚度为60mm。

根据工程实际，适当增加混凝土的保护层厚度，可以提高混凝土结构的耐久性。所以本实施例中钢筋混凝土框架梁和框架柱的混凝土保护层厚度均选取60mm、65mm和70mm三个备选值。

1.2确定钢筋混凝土框架结构的混凝土龄期衰减系数n

根据CCES01-2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》的第C3.2条，掺有矿渣和粉煤灰的混凝土的龄期衰减系数n为

$n=0.2+0.4(\frac{Q_{\mathrm{FA}}\%}{50}+\frac{Q_{\mathrm{SG}}\%}{70})$

其中，Q_FA%和Q_SG%表示意思同实施例1。龄期衰减系数n通常在0.2～0.6之间取值。本实施例中钢筋混凝土框架结构的混凝土龄期衰减系数选取0.3、0.4和0.5三种备选值。

2.计算海洋环境下混凝土结构的氯离子扩散系数上限值D_max

2.1确定钢筋混凝土框架结构的氯盐环境参数

根据GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》的第6.2.1条，可以确定该框架结构的环境作用等级为III-D（轻度盐雾大气区）。结合CCES01-2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》的表C3.1-1和表C3.1-2，可以确定框架梁和框架柱的表面氯离子浓度C_S和临界氯离子浓度C_cr，见表3。

表3钢筋混凝土框架结构的氯盐环境参数

2.2确定混凝土结构的初始氯离子浓度和初始暴露龄期

根据GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》第B.2.1条所述的配筋混凝土本体中氯离子的最大含量限值要求，可以确定该框架结构混凝土的初始氯离子浓度C₀=0.08%。

根据GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》第6.3.6条中关于混凝土抗氯离子侵入性指标要求，该框架结构混凝土的初始暴露龄期t₀=28d=0.077a。

2.3选择混凝土保护层厚度和龄期衰减系数的备选组合

根据本实施例的设计要求，为提供多种对比方案，参见1.1和1.2的描述，混凝土保护层厚度d选取60mm、65mm和70mm三个备选值，龄期衰减系数n选取0.3、0.4和0.5三个备选值，进而可以构成9种备选组合。

2.4确定混凝土结构控制区的氯离子浓度分布计算模型

根据图7所示钢筋混凝土框架结构的几何特性，可以确定氯离子在框架梁和框架柱中均为二维扩散，对应的氯离子浓度分布计算模型为：

$C(d,t)=C_0+(C_s-C_0)[1-{\mathrm{erf}}^N\left(\frac{d}{2\sqrt{D_0\frac{t_0^n}{1-n}}[{(t+t_0)}^{1-n}-t_0^{1-n}]}\right)]$

其中，框架梁和框架柱均取N＝2，其余变量的含义同实施例1。

2.5计算混凝土结构的氯离子扩散系数上限值D_max

当混凝土结构钢筋表面的氯离子浓度C(d，t)达到引发钢筋锈蚀的临界氯离子浓度C_cr时，混凝土中的钢筋开始发生锈蚀，由于钢筋的腐蚀诱导期远大于腐蚀发展期，所以可以认为此时混凝土结构发生耐久性破坏。因此，结合步骤2.4所述的氯离子浓度分布计算模型和步骤2.1所选定的临界氯离子浓度C_cr，可以确定框架梁和框架柱中的氯离子扩散系数上限值计算模型为：

$D_{\max }=\frac{d^2}{\frac{{4t}_0^n}{1-n}[{(T_s+t_0)}^{1-n}-t_0^{1-n}]{\mathrm{erf}}^{-2}\left[{\left(\frac{C_s-C_{\mathrm{cr}}}{C_s-C_0}\right)}^{\frac{1}{N}}\right]}$

其中N＝2，其余变量的含义同实施例1。

利用步骤2.1所确定的表面氯离子浓度C_s和临界氯离子浓度C_cr，步骤2.2所确定的初始氯离子浓度C₀和初始暴露龄期t₀，结合钢筋混凝土框架结构的设计使用年限T_s＝50a，针对步骤2.3所选择的混凝土保护层厚度d和龄期衰减系数n的备选组合，根据上述氯离子扩散系数上限值计算模型可以确定对应的氯离子扩散系数上限值，从而形成由混凝土保护层厚度、混凝土龄期衰减系数和氯离子扩散系数上限值组合而成的混凝土结构耐久性设计参数备选方案，见表4。

表4钢筋混凝土框架结构的耐久性设计参数备选方案

3.确定海洋环境下混凝土结构的耐久性设计参数

根据目前的混凝土制备技术水平，混凝土的氯离子扩散系数通常在50mm²/a～300mm²/a。同时，根据GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》的第6.2.1条和第6.3.2条，可以确定该框架结构的环境作用等级为III-D（轻度盐雾大气区），其最小保护层厚度和氯离子扩散系数上限值分别为60mm和315.36mm²/a，即10×10^-12mm²/s。

根据上述规范限值要求，从表4中的9种备选方案中可以选定本钢筋混凝土框架结构的耐久性设计参数：龄期衰减系数为0.4、混凝土保护层厚度为65mm、氯离子扩散系数上限值为165.60mm²/a。根据上述混凝土结构的耐久性设计参数，可以实现该钢筋混凝土框架结构的耐久性定量设计。

为了验证本发明方法的有效性，利用通用商业有限元分析软件ANSYS建立实施例3中所述钢筋混凝土框架结构控制区的氯离子扩散分析模型，选用表4中的各组耐久性设计参数，根据钢筋表面的氯离子浓度富集过程可以确定钢筋混凝土框架结构各部件的服役寿命。以混凝土保护层厚度d＝65mm、龄期衰减系数n=0.4、氯离子扩散系数为165.60mm²/a为例，由有限元分析软件计算确定的框架结构内钢筋周围的氯离子浓度分布情况如图8～图9所示。由图8可知，当桥梁服役30年时钢筋表面的氯离子浓度未达到引发钢筋锈蚀的临界氯离子浓度C_cr＝0.8%。由图9可知，随着服役年限的增加，钢筋周围的氯离子浓度逐渐增加，当框架结构服役50年时钢筋表面的氯离子浓度刚好达到引发钢筋锈蚀的临界氯离子浓度C_cr＝0.8%。采用相同的方式可以对表4中的每一组耐久性设计参数逐一进行验证。由此说明，利用本发明方法所确定的混凝土龄期衰减系数、混凝土保护层厚度和氯离子扩散系数上限值组合而成的耐久性设计参数，可以定量保证该钢筋混凝土框架结构满足预定的服役寿命要求。

根据GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》的第6.2.1条和第6.3.2条，可以确定该框架结构的最小保护层厚度和氯离子扩散系数上限分别为60mm和315.36mm²/a（10×10^-12mm²/s）。利用通用商业有限元分析软件ANSYS分析可以确定该框架结构的服役寿命。例如，当桥跨结构的混凝土保护层厚度d为60mm、氯离子扩散系数为315.36mm²/a、龄期衰减系数n为0.4时，尽管耐久性设计参数取值符合规范要求，但是桥跨结构的服役寿命仅为26.85年，远小于设计使用年限50年的要求。由此说明，根据现行混凝土结构耐久性设计规范所确定的耐久性设计参数并不能保证该钢筋混凝土框架结构满足预定的服役年限要求。

实施例4

通过本发明方法确定海洋氯盐环境下某钢筋混凝土海堤的耐久性设计参数，以实现该钢筋混凝土海堤的耐久性定量设计，本实施例包括以下步骤：

1.确定混凝土结构的保护层厚度和龄期衰减系数；

1.1确定钢筋混凝土海堤的混凝土保护层厚度d

参见图10，海洋氯盐环境下，钢筋混凝土海堤的结构设计图。该钢筋混凝土海堤中的标识“1”表示海堤的胸墙，标识“2”表示海堤的堤顶。

根据GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》的第6.2.1条和第6.3.2条，可以确定胸墙的环境作用等级为III-E（潮汐区），其最小保护层厚度为60mm；堤顶的环境作用等级为III-E（浪溅区），其最小保护层厚度为65mm。

根据工程经验，适当增加混凝土的保护层厚度，可以提高混凝土结构的耐久性。为了提供多种对比方案，本实施例中钢筋混凝土海堤的混凝土保护层厚度选取60mm、65mm和70mm三个备选值。

1.2确定钢筋混凝土海堤的混凝土龄期衰减系数n

根据CCES01-2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》的第C.3.2条，掺有矿渣和粉煤灰的混凝土的龄期衰减系数n为

$n=0.2+0.4(\frac{Q_{\mathrm{FA}}\%}{50}+\frac{Q_{\mathrm{SG}}\%}{70})$

其中，Q_FA%和Q_SG%所表示意思同实施例1和实施例2。龄期衰减系数n通常在0.2～0.6之间取值。本实施例中钢筋混凝土框架结构的混凝土龄期衰减系数选取0.3、0.4和0.5三种备选值。

2.计算海洋环境下混凝土结构的氯离子扩散系数上限值D_max

2.1确定钢筋混凝土海堤的氯盐环境参数

根据GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》的第6.2.1条，可以确定海堤的胸墙和堤顶的环境作用等级均为III-E。结合CCES01-2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》的表C3.1-1和表C3.1-2，可以确定胸墙和堤顶的表面氯离子浓度C_S和临界氯离子浓度C_cr，见表5。

表5钢筋混凝土海堤的氯盐环境参数

2.2确定混凝土结构的初始氯离子浓度和初始暴露龄期

根据GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》第B.2.1条所述的配筋混凝土本体中氯离子的最大含量限值要求，可以确定该海堤混凝土的初始氯离子浓度C₀=0.08%。

根据GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》第6.3.6条中关于混凝土抗氯离子侵入性指标要求，可以确定该海堤混凝土的初始暴露龄期t₀=28d=0.077a。

2.3选择混凝土保护层厚度和龄期衰减系数的备选组合

根据本工程的设计要求，为提供多种对比方案，参见1.1和1.2的描述，混凝土保护层厚度d选取60mm、65mm和70mm三个备选值，龄期衰减系数n选取0.3、0.4和0.5三个备选值，进而可以构成9种备选组合。

2.4确定混凝土结构控制区的氯离子浓度分布计算模型

根据图10所示钢筋混凝土海堤的几何特性，可以确定氯离子在胸墙中为一维扩散，在堤顶中为二维扩散，对应的氯离子浓度分布计算模型为：

$C(d,t)=C_0+(C_s-C_0)[1-{\mathrm{erf}}^N\left(\frac{d}{2\sqrt{D_0\frac{t_0^n}{1-n}}[{(t+t_0)}^{1-n}-t_0^{1-n}]}\right)]$

其中，对应于胸墙和堤顶，分别取N1和N＝2，其余变量的含义同实施例1。

2.5计算混凝土结构的氯离子扩散系数上限值D_max

当胸墙和堤顶中钢筋表面的氯离子浓度达到引发钢筋锈蚀的临界氯离子浓度C_cr时，混凝土中的钢筋开始发生锈蚀，由于钢筋的腐蚀诱导期远大于腐蚀发展期，所以可以认为此时钢筋混凝土海堤发生耐久性破坏。因此，结合步骤2.4所述的氯离子浓度分布计算模型和步骤2.1所选定的临界氯离子浓度C_cr，可以确定胸墙和堤顶中的氯离子扩散系数上限值计算模型为：

$D_{\max }=\frac{d^2}{\frac{{4t}_0^n}{1-n}[{(T_s+t_0)}^{1-n}-t_0^{1-n}]{\mathrm{erf}}^{-2}\left[{\left(\frac{C_s-C_{\mathrm{cr}}}{C_s-C_0}\right)}^{\frac{1}{N}}\right]}$

其中，对应于胸墙和堤顶，分别取N1和N＝2，其余变量的含义同实施例1。

利用步骤2.1所确定的表面氯离子浓度C_s和临界氯离子浓度C_cr，步骤2.2所确定的初始氯离子浓度C₀和初始暴露龄期t₀，结合钢筋混凝土海堤的设计使用年限T_s＝50a，针对步骤2.3所选择的混凝土保护层厚度d和龄期衰减系数n的备选组合，根据上述氯离子扩散系数上限值计算模型可以确定对应的氯离子扩散系数上限值，从而形成由混凝土保护层厚度、混凝土龄期衰减系数和氯离子扩散系数上限值组合而成的混凝土结构耐久性设计参数备选方案，见表6。

表6钢筋混凝土海堤的耐久性设计参数备选方案

3.确定海洋环境下混凝土结构的耐久性设计参数

根据目前的混凝土制备技术水平，混凝土的氯离子扩散系数通常在50mm²/a～300mm²/a。同时，根据GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》的第6.2.1条和第6.3.2条，可以确定该钢筋混凝土海堤胸墙的环境作用等级为III-E（潮汐区），其最小保护层厚度和氯离子扩散系数上限分别为60mm和189.216mm²/a（即6×10^-12mm²/s）；堤顶的环境作用等级为III-E（浪溅区），其最小保护层厚度和氯离子扩散系数上限分别为65mm和189.216mm²/a（即6×10^-12mm²/s）。

根据上述规范限值要求，从表6中的备选方案中可以选定本钢筋混凝土海堤的耐久性设计参数：胸墙的龄期衰减系数为0.4、混凝土保护层厚度为65mm、氯离子扩散系数上限为169.78mm²/a；堤顶的龄期衰减系数为0.4、混凝土保护层厚度为70mm、氯离子扩散系数上限值为116.27mm²/a。根据上述混凝土结构的耐久性设计参数，可以实现该钢筋混凝土海堤的耐久性定量设计。

为了验证本发明方法的有效性，利用通用商业有限元分析软件ANSYS建立实施例4中所述钢筋混凝土海堤控制区域的氯离子扩散分析模型，选用表6中的各组耐久性设计参数，根据钢筋表面的氯离子浓度富集过程可以确定钢筋混凝土海堤各部件的服役寿命。以胸墙（混凝土保护层厚度d＝65mm、龄期衰减系数n=0.4、氯离子扩散系数为169.78mm²/a）和堤顶（混凝土保护层厚度d＝70mm、龄期衰减系数n=0.4、氯离子扩散系数为116.27mm²/a）为例，由有限元分析软件计算确定的胸墙和堤顶中钢筋周围的氯离子浓度分布情况如图11～图14所示。由图11和13可知，当海堤服役30年时胸墙和堤顶内钢筋表面的氯离子浓度均未达到引发钢筋锈蚀的临界氯离子浓度C_cr＝0.8%。由图12和14可知，随着服役年限的增加，钢筋周围的氯离子浓度逐渐增加，当海堤服役50年时胸墙和堤顶内钢筋表面的氯离子浓度刚好达到引发钢筋锈蚀的临界氯离子浓度C_cr＝0.8%。采用相同的方式可以对表6中的每一组耐久性设计参数逐一进行验证。由此说明，利用本发明方法所确定的混凝土龄期衰减系数、混凝土保护层厚度和氯离子扩散系数上限值组合而成的耐久性设计参数，可以定量保证该钢筋混凝土海堤满足预定的服役寿命要求。

根据GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》的第6.2.1条和第6.3.2条，可以确定该海堤胸墙的最小保护层厚度和氯离子扩散系数上限值分别为60mm和189.216mm²/a，堤顶的最小保护层厚度和氯离子扩散系数上限值分别为65mm和189.216mm²/a。利用通用商业有限元分析软件ANSYS分析可知，当混凝土龄期衰减系数n为0.4时，胸墙和堤顶的服役寿命分别为64.34年和35.34年，说明堤顶部位不能满足设计使用年限50年的要求。

综上所述，现行的GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》主要根据定性分析或工程经验来确定混凝土保护层厚度和氯离子扩散系数上限值，无法保证所设计的混凝土结构满足预定服役寿命要求，其根本原因在于缺乏设计使用年限与混凝土结构耐久性设计参数之间的定量关系模型。本发明建立了混凝土结构的氯离子扩散系数上限值与设计使用年限、混凝土保护层厚度和龄期衰减系数之间的定量关系，所以能够根据混凝土结构的设计使用年限和氯盐环境腐蚀作用等级，定量确定由混凝土龄期衰减系数、混凝土保护层厚度和氯离子扩散系数上限值组合而成的混凝土结构耐久性设计参数，从而有效克服现行混凝土结构耐久性设计规范难以定量确定混凝土结构耐久性设计参数的不足，为海洋环境下混凝土结构的耐久性设计提供定量分析手段和依据。

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims (7)

1.一种海洋环境下混凝土结构耐久性定量设计的方法，该方法包括：

步骤1：确定混凝土结构的保护层厚度和混凝土龄期衰减系数；

步骤2：基于混凝土结构控制区的氯离子浓度分布计算模型，建立氯离子扩散系数上限值与设计使用年限、混凝土保护层厚度和混凝土龄期衰减系数之间的关系；

步骤3：根据步骤1得到的混凝土结构的保护层厚度和混凝土龄期衰减系数，以及步骤2得到的氯离子扩散系数上限值与设计使用年限、混凝土保护层厚度和混凝土龄期衰减系数之间的关系，计算出海洋环境下混凝土结构中的氯离子扩散系数上限值；

步骤4：根据步骤3得到的结果，获得满足预定服役年限要求的混凝土结构耐久性设计参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中氯离子扩散系数上限值与设计使用年限、混凝土保护层厚度和混凝土龄期衰减系数之间的关系为：

$D_{\max }=\frac{d^2}{\frac{{4t}_0^n}{1-n}[{(T_s+t_0)}^{1-n}-t_0^{1-n}]{\mathrm{erf}}^{-2}\left[{\left(\frac{C_s-C_{\mathrm{cr}}}{C_s-C_0}\right)}^{\frac{1}{N}}\right]}$

其中，D_max表示氯离子扩散系数上限值；C_cr表示临界氯离子浓度；C₀表示初始氯离子浓度；C_s表示表面氯离子浓度；t₀表示初始暴露龄期；T_S表示设计使用年限；N表示氯离子侵入混凝土结构并在其中扩散的维数值；n表示混凝土龄期衰减系数；d表示混凝土结构的保护层厚度；erf^-2(·)表示误差函数erf(·)的逆函数erf^-1(·)的平方。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤2中混凝土结构控制区的氯离子浓度分布计算模型为：

$C(d,t)=C_0+(C_s-C_0)[1-{\mathrm{erf}}^N\left(\frac{d}{2\sqrt{D_0\frac{t_0^n}{1-n}[{(t+t_0)}^{1-n}-t_0^{1-n}}}\right)]$

其中，C(d，t)表示在N维扩散情况下，在t时刻保护层厚度为d的混凝土结构中钢筋表面的氯离子浓度；t表示混凝土暴露于氯盐环境的时间；D₀表示混凝土在初始暴露龄期t₀时刻的氯离子扩散系数；erf^N(·)表示误差函数erf(·)的N次方；C₀表示初始氯离子浓度；C_s表示表面氯离子浓度；n表示混凝土龄期衰减系数。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述的混凝土保护层厚度d＝d₀+x，其中d₀为最小保护层厚度，0≤x≤10。

5.根据权利要求4所述的方法，其中x＝5。

6.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述的N为1、2或3。

7.根据权利要求6所述的方法，当N＝1、N＝2和N＝3时，氯离子扩散系数上限值与设计使用年限、混凝土保护层厚度和混凝土龄期衰减系数之间的关系分别为：

$D_{\max }=\frac{d^2}{\frac{{4t}_0^n}{1-n}\left[{(T_s+t_0)}^{1-n}\right]{\mathrm{erf}}^{-2}\left(\frac{C_s-C_{\mathrm{cr}}}{C_s-C_0}\right)}$

$D_{\max }=\frac{d^2}{\frac{{4t}_0^n}{1-n}[{(T_s+t_0)}^{1-n}-t_0^{1-n}]{\mathrm{erf}}^{-2}\left[{\left(\frac{C_s-C_{\mathrm{cr}}}{C_s-C_0}\right)}^{\frac{1}{2}}\right]}$

$D_{\max }=\frac{d^2}{\frac{{4t}_0^n}{1-n}[{(T_s+t_0)}^{1-n}-t_0^{1-n}]{\mathrm{erf}}^{-2}\left[{\left(\frac{C_s-C_{\mathrm{cr}}}{C_s-C_0}\right)}^{\frac{1}{3}}\right]}.$