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［摘要］為了對(duì)建筑結(jié)構(gòu)耐久性進(jìn)行更準(zhǔn)確的檢測(cè)和評(píng)估，分析了多種因素對(duì)建筑結(jié)構(gòu)耐久性的影響，提出了鋼筋混凝土構(gòu)件的耐久性評(píng)定模型，對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性進(jìn)行了定量分析。在耐久性評(píng)定模型的基礎(chǔ)上，考慮了耐久性隨時(shí)間變化的關(guān)系，得到了建筑結(jié)構(gòu)剩余壽命的預(yù)測(cè)函數(shù)。結(jié)果表明，該預(yù)測(cè)函數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果的吻合程度較好。

［關(guān)鍵詞］鋼筋混凝土；耐久性；預(yù)測(cè)模型；試驗(yàn)分析

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中最常用的結(jié)構(gòu)形式。早期建設(shè)的一些建筑結(jié)構(gòu)，因?yàn)槭褂媚晗掭^長(zhǎng)、施工工藝不成熟等問(wèn)題，已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題。對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行評(píng)估，對(duì)其剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)已成為一項(xiàng)重要研究課題。建筑結(jié)構(gòu)耐久性是指混凝土在正常使用條件下，抵抗外部環(huán)境影響和自身內(nèi)部破壞的能力。鋼筋混凝土的承載能力、延性、抗腐蝕能力和材料本身力學(xué)性能均會(huì)不斷變換，會(huì)隨著使用年限的增加逐漸惡化。這一過(guò)程是隨時(shí)間發(fā)展，不可逆轉(zhuǎn)的。因此，無(wú)法對(duì)耐久性進(jìn)行修復(fù)和提升，只能做到對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)，提前預(yù)防結(jié)構(gòu)因耐久性而引發(fā)的問(wèn)題?，F(xiàn)有規(guī)范規(guī)定，在正常施工、使用過(guò)程中，結(jié)構(gòu)性能隨時(shí)間變化，但必須要滿足正常試用階段的預(yù)期設(shè)計(jì)功能。20世紀(jì)80年代，美國(guó)洲際公路的橋梁中，開(kāi)始出現(xiàn)了嚴(yán)重的耐久性問(wèn)題，據(jù)統(tǒng)計(jì)，有超過(guò)25萬(wàn)座橋梁出現(xiàn)了不同程度的耐久性問(wèn)題，用于修復(fù)的費(fèi)用超過(guò)1500億美元。在英國(guó)，這一問(wèn)題同樣嚴(yán)重，大量的建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)耐久性問(wèn)題，每年用于建筑結(jié)構(gòu)修復(fù)的費(fèi)用超過(guò)200億英鎊。日本每年用于建筑結(jié)構(gòu)修復(fù)的費(fèi)用也非常高，從21世紀(jì)初開(kāi)始，每年的費(fèi)用就已超過(guò)400億日元。從上述問(wèn)題可以看出，建筑結(jié)構(gòu)耐久性已經(jīng)成了一個(gè)不可避免的問(wèn)題。目前，我國(guó)有許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行過(guò)研究分析，國(guó)家也出臺(tái)了很多相關(guān)規(guī)范章程。但在房屋建筑鋼筋混凝土耐久性評(píng)定模型方面研究尚有欠缺，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)剩余壽命的預(yù)測(cè)也不夠準(zhǔn)確。因此，結(jié)合前人研究基礎(chǔ)，對(duì)影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素進(jìn)行了分析，提出了耐久性評(píng)定模型和剩余壽命預(yù)測(cè)函數(shù)，與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)評(píng)定結(jié)果較為準(zhǔn)確。

1鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究層次

有關(guān)混凝土耐久性的研究主要分3個(gè)層次。（1）材料研究主要包括：混凝土碳化、鋼筋銹蝕、氯離子侵蝕、堿–骨料反應(yīng)和凍融循環(huán)。（2）構(gòu)件主要研究?jī)?nèi)容包括鋼筋銹蝕對(duì)粘結(jié)性能的影響、鋼筋銹蝕導(dǎo)致的混凝土銹脹問(wèn)題及銹后構(gòu)件承載力變化和壽命預(yù)測(cè)。（3）結(jié)構(gòu)主要是針對(duì)未建鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)和已有鋼筋混凝土構(gòu)件的耐久性評(píng)定?，F(xiàn)階段，對(duì)前兩者的研究已較成熟，基本掌握了其變化規(guī)律和影響程度。但是對(duì)于第3層次，由于受到試驗(yàn)條件和工程實(shí)際的限制，很難進(jìn)行相關(guān)研究，對(duì)這方面的研究較少。對(duì)于現(xiàn)有的一些模型很難進(jìn)行分析及評(píng)估，無(wú)法確定其準(zhǔn)確性。

2基于AHP法的耐久性評(píng)定模型和試驗(yàn)分析

2.1層次分析法

層次分析法(AnalyticHierarchyProcess)，最早由美國(guó)數(shù)學(xué)家ThomasL.Saaty提出，其優(yōu)勢(shì)在于可以將定量分析與定性分析相結(jié)合，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行全面的分析。具體方法是對(duì)多種變量進(jìn)行綜合考慮，劃分為不同的層次，結(jié)合主觀想法和客觀結(jié)果，比較同一層次中各種變量的重要性，然后綜合分析結(jié)果，對(duì)不同變量進(jìn)行排序。這一方法適用于復(fù)雜問(wèn)題的分析，使分析過(guò)程可以完全量化，具有較高的實(shí)用性。根據(jù)上述內(nèi)容，層析分析法適用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的分析，可以解決影響因素多、分析過(guò)程復(fù)雜的問(wèn)題。層析分析法的分析步驟主要包括4部分。（1）建立層次關(guān)系，即按照目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、自準(zhǔn)則層和方案層進(jìn)行分層，構(gòu)造出模型的層次關(guān)系，從目標(biāo)到具體方案，每一層可以有多個(gè)內(nèi)容。（2）構(gòu)造判斷矩陣，層次關(guān)系建立后，確定不同層次的權(quán)重，即按照矩陣的方式對(duì)權(quán)重進(jìn)行賦值，以區(qū)分不同元素的重要程度。（3）確定權(quán)重向量和一致性指標(biāo)，以對(duì)判斷矩陣的一致性進(jìn)行判斷，若判斷矩陣不一致，需要計(jì)算其一致性指標(biāo)。（4）層次的總排序，以用于多個(gè)方案的比較和優(yōu)化。

2.2鋼筋混凝土構(gòu)件耐久性評(píng)定模型

2.2.1類別劃分矩陣的確定。影響鋼筋混凝土構(gòu)件耐久性的因素有多個(gè)，包括施工情況、構(gòu)件位置、構(gòu)件功能、外部環(huán)境條件、鋼筋銹蝕情況、混凝土碳化深度、強(qiáng)度等級(jí)、混凝土表面裂縫情況等多種影響因素。首先，確定影響因素的數(shù)量，假設(shè)m個(gè)影響因素。然后，需要對(duì)鋼筋混凝土耐久性狀況進(jìn)行分級(jí)，假設(shè)共有n個(gè)等級(jí)，即C1、C2、……Cn。則第k個(gè)等級(jí)中的第j個(gè)影響因素可表示為ajk(j=1,2,……m；k=1,2,……n)，因此，可以得到分類矩陣的形式：2.2.2數(shù)據(jù)矩陣的確定假定需要評(píng)估的建筑中共有s個(gè)構(gòu)件，通過(guò)對(duì)建筑進(jìn)行實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，第i個(gè)構(gòu)件的第j個(gè)影響因素的測(cè)量值為xij(i=1,2,……s；j=1,2,……m)，根據(jù)上述分析結(jié)果，可以得到數(shù)據(jù)矩陣的結(jié)構(gòu)形式：2.2.3指標(biāo)評(píng)判矩陣的確定。假定第i個(gè)構(gòu)件中，某個(gè)影響因素的標(biāo)號(hào)為j，其屬性等級(jí)為Cn，測(cè)量后得到的屬性測(cè)度為mijn(i=1,2,……s；j=1,2,……m；n=1,2,……N)，其中，mijn的值可通過(guò)式(3)和式(4)計(jì)算，由此可以得到mijn的矩陣表達(dá)形式如下：其中，μijk=0，k<l或k>l+1然后，根據(jù)式（5）可以確定第i個(gè)構(gòu)件中，第n級(jí)別屬性的測(cè)度，μin。μin的值確定后，則可以得到指標(biāo)評(píng)判矩陣，其表達(dá)形式為：其中，l≤i≤s，l≤n≤N其中，l≤i≤s，l≤n≤N，l≤j≤m式(5)中：wij為第i個(gè)需要評(píng)估的構(gòu)件中，第j個(gè)分層等級(jí)的加權(quán)系數(shù)。這一系數(shù)反映不同分層中的不同影響因素對(duì)耐久性的貢獻(xiàn)大小，其計(jì)算公式為：式中：xij為第i個(gè)構(gòu)件的第j個(gè)分層的試驗(yàn)測(cè)量值；xj*為第j個(gè)分層的標(biāo)準(zhǔn)值。2.2.4建筑結(jié)構(gòu)的綜合評(píng)定。根據(jù)評(píng)判矩陣的計(jì)算結(jié)果，分析不同分層中不同影響因素的重要程度，對(duì)耐久性進(jìn)行評(píng)判與比較（表1）。按照置信區(qū)間的取值原則，置信度設(shè)置為0.8，則可計(jì)算不同構(gòu)件的評(píng)定等級(jí)。配合評(píng)定等級(jí)和評(píng)分關(guān)系表，則可得到評(píng)定分?jǐn)?shù)，對(duì)評(píng)定結(jié)果實(shí)現(xiàn)量化處理。

2.3試驗(yàn)分析

試驗(yàn)工程以北方地區(qū)一建筑為試驗(yàn)對(duì)象，該建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)，層數(shù)3層，已使用15年，無(wú)維修加固歷史?？紤]到梁處于室內(nèi)環(huán)境，條件相對(duì)較好，因此本次試驗(yàn)只對(duì)柱進(jìn)行測(cè)量。本次試驗(yàn)考慮的影響因素主要包括6種：外部環(huán)境、混凝土強(qiáng)度、鋼筋銹蝕程度、混凝土碳化程度、構(gòu)件裂縫狀況和構(gòu)件承載力，其中，鋼筋銹蝕程度以鋼筋銹蝕體積率和鋼筋銹蝕速率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)件裂縫狀況以裂縫寬度為評(píng)價(jià)指標(biāo)。將上述6種影響因素作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，把構(gòu)件分為5個(gè)等級(jí)，即前文所述的5個(gè)耐久性等級(jí)，一級(jí)代表耐久性很好，五級(jí)代表耐久性很差。試驗(yàn)測(cè)得的具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。根據(jù)層次分析法的步驟，結(jié)合耐久性評(píng)定模型，可對(duì)該建筑的耐久性進(jìn)行定量和定性分析。耐久性分析結(jié)果見(jiàn)表3。由于本結(jié)構(gòu)使用年限較長(zhǎng)，外部環(huán)境條件較差，本建筑的分析結(jié)果耐久性較差，只有Z3構(gòu)件達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其他構(gòu)件均為三級(jí)和四級(jí)。

3鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)測(cè)

對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的剩余壽命預(yù)測(cè)主要包括3種類型：正常使用壽命預(yù)測(cè)、承載力壽命預(yù)測(cè)和耐久性壽命預(yù)測(cè)。對(duì)于耐久性壽命預(yù)測(cè)的參考準(zhǔn)則主要包括3類：混凝土碳化準(zhǔn)則、鋼筋銹脹準(zhǔn)則和裂縫寬度準(zhǔn)則。這3類準(zhǔn)則分別考慮混凝土、鋼筋和構(gòu)件整體性能對(duì)耐久性的影響。但試驗(yàn)結(jié)果表明，上述準(zhǔn)則并不能準(zhǔn)確地反映構(gòu)件的耐久性，根據(jù)準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)判，得到的結(jié)果通常不準(zhǔn)確，因此，需要提出一種新的壽命預(yù)測(cè)方式來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)。基于耐久性評(píng)定的壽命預(yù)測(cè)方法，可結(jié)合耐久性評(píng)定模型，對(duì)剩余壽命進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，在耐久性評(píng)定模型中考慮到多種影響因素的影響，因此可以綜合全面地分析不同變量對(duì)剩余壽命的影響。（1）需要考慮耐久性的衰減，既要考慮衰減程度，又要考慮衰減速度。衰減指標(biāo)的具體計(jì)算公式：（2）需要計(jì)算結(jié)構(gòu)的剩余壽命，假設(shè)結(jié)構(gòu)服役年限為N0年，共進(jìn)行過(guò)M次加固，第i次加固發(fā)生在第N1年，由于加固引起的承載力的增加值與初始承載力的比值為μi，則耐久性衰減指標(biāo)可表示為：α和β是衰減系數(shù)，與混凝土強(qiáng)度、鋼筋銹蝕程度、混凝土碳化深度等多種因素有關(guān)。以耐久性衰減達(dá)到20%為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，以Nr表示結(jié)構(gòu)的剩余壽命，則可得到下述等式：現(xiàn)已知該結(jié)構(gòu)使用時(shí)間15年，無(wú)加固歷史。試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，利用式（12）計(jì)算可得該結(jié)構(gòu)剩余壽命為25.3年，該結(jié)果符合一般建筑物的使用年限，計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。由此可得，耐久性評(píng)估定型及剩余壽命預(yù)測(cè)函數(shù)結(jié)果均較準(zhǔn)確，可以應(yīng)用于實(shí)際工程中。

4結(jié)束語(yǔ)

所提出的基于AHP法的耐久性評(píng)定模型，綜合考慮到多種因素對(duì)耐久性的影響，對(duì)耐久性的退化進(jìn)行了定量和定性的分析。與試驗(yàn)結(jié)果相比，該模型的準(zhǔn)確性較高。在耐久性評(píng)定模型的基礎(chǔ)上，提出了一種新的方法用于建筑結(jié)構(gòu)剩余壽命的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，該方法的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率滿足一般鋼筋混凝土民用建筑的要求，計(jì)算形式簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，可以應(yīng)用于實(shí)際工程中建筑結(jié)構(gòu)的剩余壽命預(yù)測(cè)。

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作者:白旭軍 單位:山西鏵興工程檢測(cè)有限公司