（水工结构工程专业论文）码头结构质量风险预警体系研究.pdf

摘要码头结构在使用过程中，由于环境不利、使用荷载提高和材料劣化等原因，结构构件损伤严重，码头结构在后续服役期间的使用性能有待评估，才能保证码头结构继续安全正常使用。因此，构建码头结构质量风险预警体系，对现有码头结构进行质量风险评价和剩余使用寿命预测，具有重要的经济意义和研究价值。本文针对这一问题，取得了如下成果：( 1 ) 在对码头结构的劣化机理研究的基础上，找到影响码头结构质量的风险因素，并建立了码头结构质量风险评价模型；然后采用a h p 法来确定各影响因素的权重分配，并根据已有研究文献和现行规范标准确定各因素考核指标的分级标准；最后，采用模糊综合评价方法来评价码头结构质量的风险等级，并提出处理建议。( 2 ) 基于可靠度理论，确立码头结构构件目标可靠指标，由锈蚀钢筋混凝土构件抗力随机过程和荷载效应随机过程建立码头结构剩余使用寿命模型。基于耐久性退化数学模型，根据码头结构的运行环境特点，分别考虑在大气环境条件下和在氯离子环境条件下，根据已有研究和现行规范标准建立码头结构剩余使用寿命预测模型。( 3 ) 在码头结构质量风险评价模型和剩余使用寿命模型的基础上，提出了构建码头结构质量预警系统的思路，并介绍了预警系统的程序和内容。该预警体系预测结论准确，使用方便，在码头结构的使用维护方面具有较好的使用价值和较大的推广价值。关键词：码头；风险；模糊综合评价；层次分析法；寿命预测；预警a b s t r a c tb e c a u s eo ft h ea d v e r s ee n v i r o n m e n t ，t h ei n c r e a s i n gl o a d sa n dt h ed e t e r i o r a t i o no fm a t e r i a l s ，e t c ，w h a r fs t r u c t u r eh a ss e r i o u sd a m a g ei nu s e ，a n di ts h o u l db ee v a l u a t e dt oe n s u r et h es a f e t yo ft h ew h a r fs t r u c t u r ei nf u t u r et i m e a sar e s u l t , i th a sa ni m p o r t a n te c o n o m i cs i g n i f i c a n c ea n dr e s e a r c hv a l u et oe s t a b l i s ht h ee a r l yw a r n i n gs y s t e mo fq u a l i t yr i s kf o rw h a r fs t r u c t u r e ，e v a l u a t i o nt h eq u a l i t yr i s ko fw h a r fs t r u c t u r ea n dp r e d i c tt h er e m a i n i n gu s e f u ll i f e t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h i sp a p e rh a so b t a i n e dt h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ：( 1 ) f i r s to fa l l ，o nt h eb a s i so ft h ed e t e r i o r a t i o nm e c h a n i s ms t u d yo fw h a r fs t n l c t u r e ，t h ep a p e rf e n d st h es i c kf a c t o r sa b o u tw h a r fs t r u c t u r eq u a l i t y a n de s t a b l i s h e st h eq u a l i t yr i s ko fw h a r fs t r u c t u r ea s s e s s m e n tm o d e l ；s e c o n d l y ，t h ep a p e ru s e st l l ea h pt os o l v et h ep r o b l e mo fw e i g h td e t e r m i n a t i o n ，a n dd e t e r m i n e st h el e v e l 咖d a r do fe x a m i n a t i o ni n d e xa c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gr e s e a r c ha n dc u r r e n tc o d e s ；f i n a l l y ，t h ep a p e ru s e st h ef u z z ye v a l u a t i o nm e t h o dt oe v a l u a tt h er i s kl e v e lo fw h a r fs t i u c t l l r eq u a l i t ya n dg i v e st h ea d v i c e s ( 2 ) b a s e do nt h er e l i a b i l i t yt h e o r y ，d e t e r m i n e dt h er e l i a b i l i t yi n d e xo fw h a r fs t r u c t u r e ，a n de s t a b l i s h e dt h er e m a i n i n gu s i n gl i f em o d e lo fw h a r fs t r u c t u r eb yc o r r o d e dr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r ea n dl o a de f f e c ts t o c h a s t i cp r o c e s s b a s e do nt h ed u r a b i l i t yd e g r a d a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e l ，e s t a b l i s h e dt h er e m a i n i n gu s i n gl i f em o d e lo fw h a r fs t r u c t u r ea c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gr e s e a r c ha n dc u r r e n tc o d e sb o t hi n _t h ea i re n v i r o n m e n ta n di nc h l o r i d ee n v i r o n m e n t ，( 3 ) o nt h eb a s i so ft h ee s t a b l i s h m e n to ft h eq u a l i t yr i s ka s s e s s m e n tm o d e lo fw h a r fs t r u c t u r ea n dt h er e m a i n i n gu s i n gl i f em o d e lo fw h a r fs t r u c t u r e ，t h ep a p e re s t a b l i s h e st h ee a r l yw a r n i n gs y s t e mf o rw h a r fs t r u c t u r eq u a l i t ya n di n t r o d u c e dt h ec o n t e n t sa n dp r o g r a m sa b o u tt h ee a r l yw a r n i n gs y s t e m t h ee a r l yw a r n i n gs y s t e mw a ss og o o dt oc a l c u l a t ea n de a s yt ou s et h a ti tv a l u et ou s ea n dp o p u l a r i z ei np r a c t i c e k e yw o r d s ：w h a r f ；r i s k ；f u z z ye v a l u a t i o nm e t h o d ；a h p ；l i f ep r e d i c t i o n ；e a r l yw a r m n g重庆交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：剐舍矽之日期：西7 年铲月口e t重庆交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。学位论文作者虢却食桩指剥雠：荔埽0 、，日期：2 0 口夕年伊月t o 日日期：0f 7 年v 月f0 日：f 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。学位论文作者签名：习仓琥l日期：少俨伊月口1 3指导教师签名：日期：p f 年ih方谚兰苏第一章绪论选题背景和研究意义第一章绪论建筑物也有生老病死，可能要遭受地震、冰灾、火灾、水灾、风灾、爆炸等各种灾害的侵袭，并且建筑物在腐蚀、碰撞、振动、冻融等长期作用下，建筑物的性能会逐渐衰退，导致建筑物可靠度水平降低。要保证建筑的安全、正常使用，除了在设计、施工阶段为建筑物提供良好的先天条件，在使用阶段也需要对建筑物进行长期的维护，当建筑物出现损伤、老化等现象或遭受灾害时，还需要对建筑物进行检查和诊断，并采取相应的维修、加固措施。从可靠性工程的角度讲，对建筑物的管理和控制应跨越设计、施工、使用等各个阶段，是一项贯穿建筑物整个生命历程的系统工程。在早期的管理、控制活动中，人们普遍重视的是建筑物的设计和施工；在进入2 0 世纪7 0 年代以后，世界经济发达国家自第二次世界大战以来的工程建设已形成相当大的规模，而已有建筑物的性能逐渐步入衰减期，使用功能也逐渐滞后于工业技术和社会文化的发展，可靠性工程中的维护、检测、鉴定、维修、加固、改造等使用阶段的控制环节开始得到重视，而且人们也愈来愈多地认识到维修、加固、改造在社会经济发展中所占据的优势，维修改造也得到了迅速的发展。目前，世界经济发达国家在维修、加固方面的投资早已超出新建建筑方面的投资，面在我国基本建设的投资构成中，用于改建、扩建的投资比例也占据着绝对的优势。因此，建筑物的结构质量风险鉴定在建筑物的管理中具有重要的地位和作用【l j 。中国地域辽阔，大陆海岸线长1 8 0 0 0 k m ，河流5 万多条，总长4 2 万多k m ，有大小湖泊9 0 0 多个，水运历史源远流长。在经济全球化发展的今天，港口作为交通运输业重要的组成部分，在国际经贸交流中扮演着门户的角色，成为沿海国家和地区经济发展的重要依托。自建国以来，特别是近1 0 年来，随着国民经济的迅速发展，我国的港口建设取得了突飞猛进的发展。港口水工建筑物的结构型式有很多创新，其设计理论、计算方法、试验研究的水平以及施工能力和工艺也都取得了很大的进步。码头作为港口中重要的固定资产，是供船舶停靠和进行装卸作业的水工建筑物，投资大，使用作业条件恶劣，建筑物安全性高。在建设和运营期间，一旦码头结构质量发生问题，将会给国家和人民的生命财产安全带来巨大的损失。受设计、施工的局限性以及建设和运营期间不确定因素的影响，码头结构不可避免存在一些风险。因此，需要对码头建设期和运营期进行风险评价来2第一章绪论达到风险管理的目的。而且，我国有近三分之一的码头都是2 0 世纪7 0 年代及7 0年代以前建成的万吨级泊位，设施陈旧，其设计使用年限一般为3 0 4 0 年，有的码头己接近或超过设计使用年限，有的码头钢筋混凝土构件锈蚀破损己十分严重，有的码头由于设计或拖工的原因造成码头不均匀沉降而产生过大的内力，有的码头构件由于使用不当造成破损等。码头的老化与破损将是抑制中国今后水运事业发展的关键之一。根据中国目前的国力，不可能将老化与破损的码头全部按码头设计使用年限进行改建或重建，不少码头还将超期服役或“带病”工作。为了有效避免码头出现事故，并充分挖掘这些老码头的潜力，也需要通过对老码头的风险评价来有效开展维修、加固、改建、扩建。码头使用者关心的核心问题是建筑物在实际的使用过程中是否真正可靠，是否能够完成预期的使命，这也是一切设计、施工、管理工作的重心所在。码头结构实际具有的可靠性，既取决于设计、施工阶段形成的先天条件，也取决于使用阶段的维护，任何先天和后天的失误、错误都可能降低结构的可靠性，甚至导致工程事故的发生。特别是对于码头结构质量问题这种低风险高后果的状况，人们更是要考虑它们存在多大的风险，进而研究这些风险能否控制、减小甚至回避的问题。应用风险分析理论，对码头结构的安全性、适用性、耐久性进行综合风险分析，就可以回答以上问题，对码头的安全运行、稳定发展提供了有效的技术支持，具有重要的意义，现已成为当前研究的一个重要课题。在以往的实际工程中，一般采用对结构的现场调查资料，根据经验判断结构质量损坏程度的直观判别法。这种方法人为因素较大，往往造成有些不需要进行大修的结构，采用了大修的方案；有些只要进行一定维修还能维持正常使用的结构过早地停止了使用；或反之，有些早应报废的结构还继续进行不必要的大修，造成了人力和财力的巨大损失。因此，需要寻求更科学的方法，合理地评估在役码头结构的质量风险状况。1 2 国内外工程结构质量风险分析研究现状风险分析最早开始应用于2 0 世纪五、六十年代在欧美核电站的安全性评估1 2 j 。但那时的安全性评估只是建立在经验的基础上，人们对风险分析的了解还很少。由美国原子能委员会主持而于1 9 7 4 年完成的核电站风险性评估报告w a s h 一1 4 0 0反应堆安全性研究可以毫不夸张地认为是一项划时代的事件。n r a s m u s s e n 教授和他领导的工作小组分析了大量的各种各样的核事件，按其发生概率大小的顺序，定量的分等级排列，然后评估其对公众可能有的后果。在这项研究中所用的事件树、故障树和风险后果分析技术，现已被广泛应用于其他的工业中。1 9 8 0 年美国风险分析协会成立，立即成为不同学术团体交流思想的焦点论坛。后来又相继成第一章绪论3立了许多风险分析协会的分支机构，其中比较有代表性的是欧洲分会，它于1 9 8 8年1 1 月在奥地利成立。1 9 9 2 年欧共体形成共同欧洲市场，更是需要把风险分析和安全标准规范化，欧洲风险分析研究得到进一步发展。美国前总统克林顿于19 9 8年签署了百万美元以上工程投资强制风险评估法案。英国北海油田8 0 年代对海底管道进行风险分析，取得了很好的效果( 保证工程项目安全，减少2 6 5 投资) ，进而英法海底隧道、澳大利亚海底隧道等都进行风险分析。总之，目前几乎所有发达国家的大型工程都作风险评估分析。相对欧洲和一些发达国家而言，风险分析在亚洲特别是发展中国家开展较晚，直到八十年代定量的风险分析才刚刚开始。我国在9 0 年代初开始把风险评估技术应用到大型土木工程项目的管理中，如上海地铁项目、广州地铁项目以及三峡水利枢纽工程等【3 】。但是，大部分工程建设项目的风险分析还处于定性分析阶段，定量的风险分析在实践领域仍需要大力推广，发挥其在风险管理和决策中的重要作用。港口和近海工程中风险分析研究是近十几年才开始的，其原因主要是由于近海工程建筑物涉及的自然因素较多，无法通过人工试验测验其随机性，又受历史资料限制，不易获得其随机性规律，而且变量之间多为非线性、非解析函数关系，系统内部关系复杂，难以用数学模型精确描述。但是在借鉴结构可靠度研究成果的基础上，近海工程的风险分析领域的研究得到了极大的促进。第2 7 届国际海岸工程会议( i c c e2 0 0 0 ) 上，概率设计和风险研究成为与会者颇为关注的一个热点。我国现行的基于可靠度理论的分项系数极限状态设计法为风险分析法的研究和应用打下了坚实基础。国内外专家学者在岩土工程、边坡及滑坡工程、隧道及地下工程、泥石流、大坝工程和堤防工程中的风险分析理论、方法及应用都很多。但是风险分析法在港口码头工程中应用的文献在国内尚不多见。t u n gy k ( 1 9 8 5 ) 1 4 】建立了包含水文和水力不确定性的动态可靠性模型；在1 9 8 7年【5 】以提防系统设计为例，详细研究了水工结构基于风险的优化设计中水文的不确定性、参数的不确定性以及水力的不确定性。b u r c h a r t h1 9 8 9 、t a k a y a m a1 9 9 1 、s t e p h a nm a i 6 】提出了在海岸防御系统工程的结构设计中采用风险分析方法，对失效风险进行定量评估。m e a d o w c r o f t 等【7 】对海岸结构的风险评估程序进行了开发。讨论了风险评估技术和概率设计法在近海防御结构的设计和方案分析中的发展和应用。m a s a h i k of u j i k u b 等【8 】对有防波堤结构维护下的大型浮式结构进行了安全性评估。在极值波浪条件下计算防波堤的倾覆概率，对防波堤结构失效后浮式结构的弯曲和剪切破坏两种失效模式进行了风险分析。在深入调查研究的基础上，总结了我国近年来已建港口水工建筑物检测与评4第一章绪论估经验，借鉴了国内外有关标准和检测评估的先进技术成果，广泛征求有关单位和专家的意见，并结合我国港口水工建筑物实际情况和检测评估技术水平，交通部组织编订、并于2 0 0 7 年颁布实施了港口水工建筑物检测与评估技术规范( j t j3 0 2 2 0 0 6 ) 【9 1 。规范中，制订了混凝土结构耐久性检测和评估方法，钢结构耐久性检测与评估方法，防腐蚀措施检测与评估方法，板桩码头、重力式码头、高桩码头、斜坡码头及浮码头、防波堤与护岸的检测与评估。该规范统一了已建港口水工建筑物检测与评估的技术要求，提高了检测与评估的质量。但是规范中没有提到港口建筑物的构件与码头整体的关系，仅仅对结构构件进行了检测和评估，而无法明确整体结构的安全度。自1 9 6 5 年查德发表了模糊集合论后，许多研究者开始用模糊方法处理风险问题。1 9 9 8 年姜树海【1 0 】建立了漫坝失事的随机模糊风险分析模型。2 0 0 0 年沈国柱【1 1 】根据风险模糊集理论的不同风险内涵，介绍了三种不同的风险模糊分析方法，对风险模糊综合评判法在风险分析过程中的基本应用做了初步讨论，从而提示出风险模糊现象的有限范围特征及其定性与定量相结合的风险分析方法。2 0 0 1 年左其亭【1 2 】等基于模糊概率、风险分析计算方法，从定量的角度对带有模糊性的风险问题进行了研究，提出了模糊风险率、模糊风险度的概念和计算模型。2 0 0 3 年黄海燕、麻荣永【1 3 】初步探讨了对大坝进行模糊风险分析的数学模型及其求解方法。2 0 0 3 年李承、余建星【1 4 】将模糊综合评判法与神经网络技术相结合，优化了模糊风险模型。2 0 0 7 年邓曦东、王春燕【15 】从工程项目风险分析的角度，采用灰色模糊理论对工程项目风险进行评价，对灰色理论和模糊评价进行比较分析，并建立灰色模糊评价模型，用层次分析法确定各评价因素的权重及点灰度；最后，通过工程项目风险实例验证其科学性和可行性。1 3 国内外对混凝土结构剩余使用寿命预测的研究现状在码头结构质量预警体系的研究中，不仅要关心码头结构质量风险等级，也需要关注码头结构剩余使用寿命情况，以便采取相应的应对措施。目前，在预测新建混凝土结构的使用寿命和现有混凝土结构剩余使用寿命中，常采用以下几种方法【1 6 】：( 1 ) 基于经验的预测方法第一章绪论5这是基于实验室或实地测试和有经验的专家判断，以及以往知识、经验累积的一种半定量预测方法。目前的一些规范和标准实际上也是这样来估计寿命的，认为如果混凝土结构能严格按标准去设计施工，将会具有所需的寿命。当设计寿命较短，而且服役条件不太严酷，混凝土可以按设计寿命服役。但是当设计寿命较长，或遇到新情况，或将要用到新的混凝土材料，这种方法将不能对服役寿命做出可信的判断。( 2 ) 基于性能比较的预测方法基于性能比较的方法还没有普遍地应用于实际工程，但是随着老龄化结构数目的增加，这种方法有其广泛应用的前景。这种方法假定混凝土在某一期限内是耐久的，那么相似环境下的相似混凝土也将有同样的寿命。但问题是由于材料、几何尺寸、施工现场等的不同，每一个混凝土结构都会有其独一无二性；而且经过多年后，混凝土材料的性质也发生了变化，如普通水泥今天比四十年前磨得更细，为了增加其早期强度，使得需要使用比以前更少灰浆的混合料和采用更高的水灰比。另外，由于混凝土结构处于不同的微观气候下，这对混凝土的耐久性可能会有不可预计的结果，所以不能简单地通过比较来估计混凝土结构的使用寿命。( 3 ) 快速试验预测方法快速试验通过施加高压力或浸泡在高浓度的侵蚀物质中，在较高的温度和湿度下来加速混凝土结构退化的过程。如果快速试验能合理地设计、实施并对实验数据加以处理，就能够对混凝土性能和寿命提供一个合理的预测。其要求在于快速试验中的退化机制与实际使用条件下的退化机制是相同的。快速试验的困难在于缺乏混凝土在役性能方面的长期数据，但至少可以用来解决预测使用寿命的数学模型问题。( 4 ) 数学模型预测方法采用数学模型预测使用寿命是目前较多使用的方法，其预测的可靠程度与模型的合理性以及材料与环境参数选取的准确性有关。( 5 ) 寿命预测的随机方法上述的寿命预测方法都属于确定性方法，即将影响结构使用寿命的各因素均作为确定的量值，由此得到的寿命预测结果只能是均值意义上的使用寿命。在耐久性评估中，无论采用哪一种寿命准则，机变量，甚至是随时间变化的随机过程。由于影响结构使用寿命的各因素都是随如混凝土保护层厚度经实测统计是符合正态分布的随机变量，当由于混凝土腐蚀或钢筋锈蚀而使混凝土保护层剥落时，甚至是随机过程：影响混凝土结构耐久性的各项因素，如环境温湿度、有害介质含量、混凝土的密实性和空隙率等也都是随机变量或随机过程；结构的荷载和抗力随时间衰减也都是随机过程。因此，应用概率方法进行结构的寿命预测是非常6第一章绪论合理的。1 4 本论文的研究思路和主要研究内容根据国内外风险分析理论的研究现状，考虑到风险风险分析理论和可靠度理论的紧密关系，运用风险分析理论时结合可靠度理论进行分析。考虑到码头主体结构主要是钢筋混凝土结构，因此本文主要研究码头钢筋混凝土结构的质量风险问题，同时考虑到码头结构的特殊性和工作环境的特殊性( 处于海洋工作环境) 。本论文在考虑这些特殊性的情况下对码头结构质量进行风险分析评价，并在此基础上提出构建码头结构质量预警体系。本论文要做的主要工作如下：( 1 ) 根据码头的结构特点和运行环境特点，研究码头结构的劣化机理，找出影响码头结构质量风险的各影响因素，建立码头结构质量风险评价模型。( 2 ) 寻求合适的风险分析方法和风险评价指标体系对已经建立的码头结构质量风险评价体系进行风险评价，并分析该方法的适用性、准确性。在选择风险分析方法时，要着重考虑到影响码头结构质量风险因素的复杂性和模糊性，并且在分析时要尽量减少人为主观因素的影响。( 3 ) 为了进一步分析在役码头结构的质量风险状态，建立在役码头结构剩余使用寿命预测模型，对在役码头结构的剩余使用寿命进行预测。( 4 ) 在码头结构质量风险评价模型和剩余使用寿命预测模型的基础上，建立码头结构质量风险的预警系统。第二章码头混凝土结构的风险识别72 1 概述第二章码头混凝土结构的风险识别研究码头结构的风险性首先要研究影响码头结构安全性的因素，即对码头结构进行风险识别，系统分析这些影响因素的特征和作用方式是码头结构风险评价研究的基础，也是码头结构进行风险控制和管理的主要依据。总体而言，码头结构安全性影响因素有内部的，也有外部的。内部因素主要针对码头结构本身。外部因素则指码头结构所受的外部影响，如缺乏及时到位的管理养护、环境因素( 如混凝土碳化、钢筋锈蚀) 的影响、严重超载的影响、荷载的反复作用、偶然荷载( 如地震力、船只或漂浮物的撞击) 的影响。下面就影响码头结构质量风险的这些主要因素进行分析。( 一) 材料内部作用在自然环境中，结构的材料随着时间的增长会逐渐老化，老化的结果是使材料的性能下降，强度降低。除此之外，结构中的一些活性材料也会与其它组成材料发生缓慢的化学反应，这种反应不仅使材料的化学成分发生了变化，而且生成物所产生的膨胀压力会导致结构发生破坏。混凝土的碱骨料反应就是这种内部作用之一。消除或减轻碱骨料反应的措施是使用低碱水泥、限制混凝土含碱性、使用非活性骨料及改善施工使用条件。( 二) 荷载作用荷载对结构的作用方式有两种，一种是直接影响结构的安全，在结构设计基准期内，任一时点的荷载效应大于结构抗力都会使结构失效；另一种是荷载对结构的累积损伤作用，累计损伤的后果是使结构抗力降低，从而降低结构的可靠度。荷载对结构的累积损伤作用又可分为两种，即静态累积损伤作用和动态累积损伤作用。静态累积损伤是指在静态荷载作用下结构损伤随时间的累积。结构的静态累积损伤可用损伤力学、蠕变力学等加以研究，但目前这方面的研究尚不多。动态累积损伤是指在动态荷载( 反复荷载、重复荷载) 作用下结构随时间或荷载作用次数的累积损伤。一般情况下，动态累积损伤的程度与循环作用荷载的大小、荷载的应力比及反复作用的次数有关。荷载是对码头结构的安全性和使用性能有直接影响的一种最主要的作用，其中超载、反复荷载、载重加大导致码头结构的疲劳，从而引起裂缝和混凝土的破损。8第二章码头混凝土结构的风险识别( 三) 环境作用环境作用对结构性能的影响是结构耐久性研究的主要内容。一般情况下，环境腐蚀介质对结构的劣化作用是一个渐变过程，这种渐变过程使得结构的截面可靠度随时间降低，码头钢筋混凝土结构也不例外。环境对结构的影响可分为两类：一类为自然环境的影响，另一类为使用环境的影响。( 1 ) 自然环境的影响自然环境的影响是指自然环境中的腐蚀介质对结构的侵蚀作用，除自然界本身存在的腐蚀介质的影响外，还包括现代工业发展引起的环境污染对结构产生的不利影响或使腐蚀过程的加剧，如“酸雨”的形成、大气温度的提高及二氧化碳含量的增加等。混凝土碳化碳化是混凝土中性化的一种形式，是指大气中的c 0 2 不断向混凝土内部扩散，并与其中的碱性物质( 主要是c a ( o h ) 2 ) 反应的过程。碳化使得混凝土碱性降低，当碳化到达钢筋表面并使钢筋表面的p h 值降到1 0 以下时，钢筋的钝化保护膜开始被溶解，当有水和氧存在时，钢筋开始锈蚀。钢筋锈蚀减小了钢筋的截面积，同时也会影响钢筋与混凝土的粘结力，从而使结构构件的抗力降低。混凝土的碳化深度取决于自然环境中二氧化碳的含量、温度、湿度、混凝土的渗透性、施工养护等条件。因此混凝土本身的抗碳化能力是反映它对钢筋保护能力的指标之一。氯离子侵蚀当钢筋混凝土所处环境氯离子浓度较高，氯离子就会由混凝土表面向内部渗透。当氯离子渗透聚集在钢筋周围并达到临界值( 每立方米混凝土含0 6 1 2 k g游离c l 一或o h 一的摩尔浓度比大于o 6 ) 所致。钝化膜钢筋便开始锈蚀，或是均匀或是局部坑蚀。海港码头的使用环境中，由于海水或潮湿空气中含有大量的氯离子，如果混混凝土凝土抗渗透性不高及保护层厚度较小，结构往往使用时间不常钢筋就会发生严重锈蚀。钢筋锈蚀一方面减小了钢筋的截面积，另一方面钢筋锈蚀物体积膨胀造成出现顺筋开裂，顺筋裂缝出现后钢筋锈蚀进一步加剧，最后可能造成保护层剥落，从而进一步加速了钢筋的锈蚀，结构承载力大幅降低。8 0 年代，交通部各科研单位对华南、华东及连云港以北等码头进行了广泛调查，结果表明：因氯离子侵蚀而造成的港口水工建筑物破坏几乎遍及沿海岸线各地区，且破坏情况都十分严重和迅速【17 1 。硫酸盐腐蚀第二章码头混凝土结构的风险识别9硫酸盐腐蚀是混凝土腐蚀中最广泛、最普通的化学腐蚀型式之一。在自然环境中，硫酸盐常存在于地下水中，当土壤中的粘土比例较高时更是如此。硫酸盐与水泥石中的氢氧化钙和水化铝酸钙发生化学反应，生成石膏和硫铝酸钙，体积发生膨胀，使混凝土瓦解。硫酸盐不仅会腐蚀埋置在土壤或与土壤接触的钢筋混凝土构件，也时常会使地面以上的混凝土构件遭到腐蚀。混凝土遭到硫酸盐腐蚀后，表面发白，接着裂缝开展，混凝土剥落。冻融循环混凝土是由水泥砂浆和粗骨料组成的多孔体，拌制混凝土时多余的自由水滞留于这些连通的毛细孔中。在寒冷地区，当温度降至0 以下时自由水结冰膨胀使混凝土内部结构遭到一定程度的损伤。随着气温的交替变化，混凝土内部的自由水也在不断的结冰和融化，这一过程使混凝土内部的损伤逐渐累计，当损伤积累到一定程度时混凝土发生破坏。混凝土的冻融循环属于自然界的物理作用。上面论述的是较常见的自然环境对结构性能的不利作用，除此之外还有其它的不利作用，如高速水流下的气蚀、冲刷，码头构件的磨损等。( 2 ) 使用环境的影响使用环境的影响是指人类生活环境和生产环境对结构产生的不利作用，这些不利作用往往是由于人为因素引起的。对码头结构如散盐码头货物的洒落会加重氯离子的侵蚀作用；件杂货码头装卸作业中重物的跌落也会对码头结构造成较大的损伤。2 2 码头钢筋混凝土结构劣化机理研究2 2 1 概述混凝土结构的破坏都是从混凝土或钢筋的材料劣化开始的。环境条件和自身因素都可以引起材料的劣化。混凝土的劣化形式主要是碳化，钢筋的劣化形式主要是钢筋锈蚀。码头钢筋混凝土结构的劣化形式也主要是碳化和钢筋锈蚀这两种形式，其中钢筋锈蚀是混凝土过早破坏的最主要原因。交通部等有关单位分别于1 9 6 3 年、1 9 6 5 年、1 9 8 0 年、1 9 9 6 年，针对我国沿海港口工程混凝土结构破坏状况组织过四次调查，调查结果指出【l8 】：8 0 以上都发生了严重或较严重的钢筋锈蚀破坏，出现锈蚀破坏的时间有的仅有5 1 0 年。南京水科院对1 9 8 0 年建成的宁波北仑港1 0 万吨级的矿石码头进行了调查【1 9 l ，发现该码头使用不到l o 年其上部结构就发生了严重的锈蚀破坏。天津港客运码头1 9 7 9 年建成，使用不到1 0 年，就发现前承台板有5 0 左右出现锈蚀破坏【2 0 】。天津新港从1 9 5 8 年到1 9 8 5 年共建2 5 个码头泊位，岸线长达6 0 0 0 m ，其结构均为高1 0第二章码头混凝土结构的风险识别桩承台式，使用时间长的有3 0 多年，短的只有5 6 年，在使用过程中不断发现梁、板、桩等构件有不同程度的损坏，影响码头的正常使用【2 1 1 。1 9 9 6 年，交通部四航局科研所对1 9 8 6 年后建成的华南地区的c 港和e 港的2 0 个泊位进行了调查【2 2 1 ，发现e 港大部分纵、横钢筋的锈蚀年限均不足l o 年和5 年，在码头建成5 6年后即发现大量锈蚀裂缝。2 0 0 1 年河海大学对某港西大堤钢筋混凝土护栏工程进行现场调查【2 3 】，该工程虽运营不足4 年，但已出现严重钢筋锈蚀、保护层开裂、混凝土剥落和钢筋锈断。从以上调查研究结果来看，混凝土中钢筋锈蚀，尤其是在海洋环境和氯化物污染环境中，是导致混凝土结构过早破坏的首要原因。钢筋锈蚀已经给国民经济带来巨大经济损失。2 2 2 混凝土的碳化( 1 ) 混凝土的碳化机理1 2 4 1通常情况下，早期混凝土具有很高的碱性，其p h 一般大于1 2 5 ，在这样高的碱性环境中埋置的钢筋容易发生钝化作用，使得钢筋表面产生一层钝化膜，能够阻止混凝土中钢筋的锈蚀。但当有二氧化碳和水汽从混凝土表面通过空隙进入混凝土内部时，和混凝土材料中的碱性物质中和，会导致混凝土的p h 值的降低。当混凝土完全碳化后，就出现p h 9 的情况，在这种环境下，混凝土中埋置的钢筋表面的钝化膜被逐渐破坏，在其他条件具备的情况下，钢筋就会发生锈蚀。钢筋锈蚀又将导致混凝土保护层开裂、钢筋与混凝土之间黏结力破坏、钢筋受力截面减少、结构耐久性能降低等一系列不良后果。混凝土碳化过程可分为三个阶段：第一阶段是c 0 2 通过扩散到达混凝土中；第二阶段是c 0 2 溶解到孔溶液中而形成少量的碳酸：c 0 2 + h 2 0 = h 2 c 0 3第三阶段是碳酸与溶解到孔溶液中氢氧化钙发生化学反应而形成碳酸钙和水：h 2 c 0 3 + c a ( o h ) 2 = c a c 0 3 + 2h 2 0( 2 ) 混凝土碳化模型混凝土碳化机理及影响因素的研究相对比较成熟，目前提出的碳化深度计算模型可以分为理论模型和试验模型两大类。前苏联学者阿列克谢耶夫等人根据f i c k 第一扩散定律及c 0 2 在多孔介质中扩散和吸收的特点给出了理论数学模型2 5 】；希腊学者p a p a d a k i s 等人在分析研究碳化的整个物理化学过程后，根据c 0 2 及各可碳化物质c a ( o h h ，c s h ，c 3 s ，c 2 s 在碳化过程中的平衡条件，建立了偏微分方程组，经求解简化给出另一种理论模型。两者所用方法不同，但模型最后形式均表明碳化深度与碳化时间的平方根成正比：第二章码头混凝土结构的风险识别x ( ，) = k , - i ，式中，k 为碳化系数。根据混凝土结构耐久性评定标准1 2 6 的相关规定，碳化系数k 按式( 2 1 ) 计算：k ：牟( 2 1 )0 t o式中：x c 为实测碳化深度( m m ) ；t o 为结构建成至检测时已使用的时间( a ) 。( 3 ) 混凝土碳化深度检测混凝土碳化使钢筋表面去钝化是导致钢筋锈蚀的原因之一，因此碳化深度是大气环境下对混凝土结构锈裂损伤评估的重要参数，也是回弹法检测混凝土强度时必不可少的参数。混凝土碳化深度检测应按回弹法检测混凝土抗压强度技术规程( j g j t 2 3 2 0 0 1 ) 的有关规定。构件选取及测区布置碳化深度用于修正混凝土强度时，随机抽取的检测构件数量不少于构件总数3 0 ，且不少于1 0 个。碳化深度用于结构锈蚀损伤评估时，应以使用条件相同的构件为检测单元，检测单元也不少于构件总数的3 0 。一个构件的测区数一般取3 - 5 个，测区应分别布置在两个互相垂直的侧面，应选在构件有代表性的部位，能代表不同条件及不同混凝土质量的部位。每个测区应布置3 个测孔，3 个测孔宜呈品字形排列，孔距大于两倍孔径。碳化深度测孔可用电锤或冲击钻等。孔径宜在1 5 m m 左右，能清楚分辨碳化深度。碳化深度检测以l g 酚酞溶解5 0 m l 酒精中，加水稀释到1 0 0 m l 作为指示液，滴在孔洞内壁边缘处。当已碳化与未碳化界线清楚时，用深度测量工具( 游标卡尺或钢卷尺)测量己碳化与未碳化混凝土交界面( 不变色边缘) 到混凝土表面的垂直距离多次，取其平均值，该距离即为该测孔混凝土碳化深度值。如果混凝土碳化深度明显不均匀，则应记录其最大值、最小值和平均值。因为结构各处混凝土：碳化深度和保护层厚度均可能有差异，所以做出判断的较好方法是将每- - n 点上实测的混凝上保护层厚度和深度的比值作概率分布图。可利用碳化深度与时间的平方根成正比的关系，预估各测点的碳化深度，然后按它与保护层厚度比值的概率做出判断。一般构件表面都有粉刷层或装饰层，当碳化测区同时又是回弹或超声的测区时，按规定应将面层凿除。对于仅测碳化的测区，不需大面积凿除面层，用卡尺测量面层厚度，扣除此厚度后即得实际碳化深度。( 4 ) 碳化深度和混凝土强度之间的关系分析一般大气环境下混凝土的腐蚀主要是碳化腐蚀。碳化降低混凝土的碱性，随1 2第二章码头混凝土结构的风险识别着时间的推移，碳化的发展使混凝土失去对钢筋的保护作用，从而引起钢筋锈蚀；另一方面，随着时间的变化，碳化对混凝土强度本身也有一定的影响。文献【2 7 1 通过试验得到各碳化深度时的混凝土抗压强度值，利用最小二乘法进行回归分析，得到了混凝土强度碳化深度方程为f = d 1 7 1 2 + 2 6 1( 2 2 )式中，d 为混凝土碳化深度( i 姗) ；f 为混凝土抗压强度。o ( m p a )试验表明，混凝土抗压强度随碳化深度增加而提高，且碳化的或未碳化的混凝土试件的抗压强度均随着碳化龄期的增长而提高。这是因为随着混凝土碳化过程的进行，混凝土中的氢氧化钙逐渐转化未不溶于水的碳酸钙，使混凝土的空隙率减小，密实度增加，从而使试件的抗压强度增加。从这一点来说，混凝土的碳化对强度是有利的。( 5 ) 混凝土碳化引起钢筋锈蚀模型【2 4 】大气环境下，混凝土中钢筋锈蚀是由于混凝土碳化至钢筋表面处，钢筋钝化膜被溶解所引起的。混凝土碳化速度与结构所处环境c 0 2 浓度、相对湿度和混凝土本身的抗碳化能力有关。理论和实验表明，混凝土碳化深度x ( n 皿) 为x ：后石( 2 3 )式中，f 混凝土暴露时间，y e a r ；七混凝土碳化系数，m m y e a r o 。混凝土碳化系数与结构所处的自然环境和使用环境、水泥品种、混凝土质量及混凝土早期养护条件有关。混凝土规范编制组给出碳化系数公式为1 2 8 】k = q 如( 6 0 f 。- 1 )( 2 4 )式中：，：混凝土抗压强度，n m m 2 ；混凝土养护条件修正系数；水泥品种修正系数；环境条件修正系数；由于f 为随机变量，则k 也为随机变量，f 时刻的x 也是随机变量。若混凝土保护层厚度为c ( 随机变量，m m ) ，则碳化达到钢筋表面的时间为f = c 2 k 2( 2 5 )显然，t 也是随机变量。混凝土碳化至钢筋表面，钢筋钝化膜溶解后，钢筋发生锈蚀。钢筋锈蚀速度主要与结构所处环境、混凝土保护层厚度、混凝土强度及水泥品种等因素有关，混凝土规范编制组给出不同时刻钢筋截面损失率旯的简化计算公式为【2 9 】第二章码头混凝土结构的风险识别1 3名= 国( f 一)( 2 6 )删川届屈屈( 警- 0 0 7 3 ( 1 8 5 - 0 0 4 c ) 降+ o 3 )晓7 ，式中：屈混凝土成型养护系数；屈水泥品种影响系数；屈环境条件系数；疋混凝土抗压强度，n m m 2 ；c 混凝土保护层厚度，1 t i i t i ：d 钥筋直径，r l l r n ；国钥筋截面积在单位时间内的损失率，为随机变量。需要指出的是：混凝土顺筋开裂前后钢筋的锈蚀速度是不同的，式( 2 7 ) 没有考虑这种情况，但该模型是由大量工程调查与试验得到的，且应用上非常方便。f 时刻锈蚀钢筋截面积为a ( t ) =孚心 8 ，n 万叶a 0 2e 1 一国( r 一乞) f 乞式中：n 钢筋根数5巩未锈蚀钢筋直径。国钢筋截面积在单位时间内损失率，按式( 2 7 ) ；六碳化至钢筋表面的时间，按式( 2 5 ) 。根据文献【3 0 】关于锈蚀钢筋性能研究成果，彳时刻锈蚀钢筋名义屈服强度标准值可表示为厶2 尝 。9 8 6 一。，9 9 2 国( ，一乞) ：三乏c 2 9 ，式中：厶未锈钢筋的屈服强度标准值。2 2 3 氯离子对混凝土结构的侵蚀( 1 ) 氯离子对钢筋锈蚀机理【2 7 】破坏钝化膜水泥水化的高碱性使混凝土内钢筋表面产生一层致密的钝化膜。以往的研究认为，该钝化膜是由铁的氧化物构成，但最近研究表明，该钝化膜中还有s i o 键，它对钢筋有很强的保护能力。然而，该钝化膜只有在高碱性环境中才是稳定的，1 4第二章码头混凝土结构的风险识别当p h 1 1 5 时，就开始不稳定，当p h 9 8 8 时，该钝化膜生成困难或已经生存的钝化膜逐渐破坏。c l 一是极强的去钝化剂，c l 一进入混凝土到达钢筋表面吸附于局部钝化膜处时，可使该处的p h 值迅速降低，可使钢筋表面p h 值降低到4 以下，从而破坏钢筋表面的钝化膜。形成腐蚀电池如果在大面积的钢筋表面上具有高浓度氧化物，则氧化物所引起的腐蚀可能是均匀腐蚀，但是在不均质的混凝土中，常见的是局部腐蚀。c l 一对钢筋表面钝化膜的破坏发生在局部，使这些部位露出了铁基体，与尚完好的钝化膜区域形成单位差；铁基体作为阳极而受腐蚀，大面积钝化膜区域作为阴极。腐蚀电池作用的结果是，在钢筋表面产生蚀坑，由于大阴极对应于小阳极，蚀坑发展十分迅速。去极化作用c l 一不仅促成了钢筋表面的腐蚀电池，而且加速了电池的作用。c 1 一与阳极反应物f e 2 + 结合生成f e c l 2 ，将阳极产物及时地搬运走，使阳极过程顺利进行甚至加速进行。通常把使阳极过程受阻称作阳极极化作用，而把加速阳极极化作用称作去极化作用，c 1 一正是发挥了阳极去极化作用。在氯离子存在的混凝土中，在钢筋的锈蚀产物中是很难找到f e c l 2 的，这是由于f e c l 2 是可溶的，在向混凝土内扩散时遇到o h 一就能生成f e ( o h ) 2 沉淀，再进一步氧化成铁的氧化物，就是通常说的铁锈。由此可见，c l 一起到了搬运的作用，却并不被消耗，也就是说，凡是进入混凝土中的c l 一会周而复始地起到破坏作用，这也是氯离子危害的特点之一。导电作用腐蚀电池的要素之一是要有离子通路。混凝土中c l 一的存在强化了离子通路，降低了阴阳极之间的欧姆电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀过程。氧化物还提高了混凝土的吸湿性，这也能减小阴阳极之间的欧姆电阻。( 2 ) 氯离子侵入模型通常，氯离子侵入是几种侵入方式组合作用的结果，另外还受到氯离子与混凝土材料之间的化学结合、物理黏结、吸附等作用的影响。而对应特定的条件，其中一种侵蚀方式是主要的。目前有一些对各种机理完全考虑的模型，但是由于模型中的一些参数很难确定，有些只能从定性上加以描述，其实用性还需继续探讨。尽管氯离子在混凝土中传输机理很复杂，但在许多情况下扩散仍然被认为是一个主要的传输方式。对于现有的没有开裂且水灰比不太低的结构，大量的检测结果表明氯离子的浓度可以认为是一个线性的扩散过程，这个扩散过程一般引用f i c k 第二定律可以很方便地将氯离子的扩散浓度、扩散系数与扩散时间联系起来，第二章码头混凝土结构的风险识别1 5可以直观地体现结构的耐久性。由