国内外混凝土桥梁耐久性设计方法及几点思考

2015国际桥梁与隧道技术大会国内外混凝土桥梁耐久性设计方法简介及几点思考赵尚传

研究员交通运输部公路科学研究所2015年04月●上海交

流

内

容一、设计使用年限的相关规定二、我国耐久性设计方法简介三、欧洲耐久性设计方法简介四、日本耐久性设计方法简介五、美国耐久性设计方法简介六、几点探讨一、设计使用年限的相关规定

设计使用年限的含义

桥梁设计使用年限规定

耐久性对于保障使用年限的重要性(一)设计使用年限的含义桥梁使用年限（寿命）是行业主管部分和业主近年来关注的热点。2014年《公路工程技术标准》（JTGB01-2014）设计使用年限：在正常设计、正常施工、征程使用和正常养护条件下，路面、桥隧、隧道结构或结构构件不需大修或更换，即可按其预定目的使用的年限。(二)设计使用年限的规定

2014年:《公路工程技术标准》（JTGB01-2014）主体结构中桥可更换部件公路等级特大桥大桥小桥涵洞斜拉索、吊

栏杆、伸缩索、系杆等

缝、支座等高速公路一级公路10010050二级公路三级公路201510010050503030四级公路

2008年：国标《工程结构可靠性设计统一标准》（GB50153-2008类

别设计使用年限示

例小桥、涵洞1233050中桥、重要小桥100特大桥、大桥、重要中桥

2008年以前：

永久性半永久性临时性(二)设计使用年限的规定国外桥梁设计使用年限的相关规定美国AASHTO：75年～100年

英国BS：100年~120年

欧盟Eurocode：100年

日本：100年(三)耐久性对于保障使用年限的重要性结构耐久性：在设计确定的环境作用和维修使用条件下，结构构件在设计使用年限内保持其安全性和适用性的能力。（国标）

（GB50153-2008）耐久性不足2点理解：（1）不能保证规定的设计使用年限。（2）不能满足要求的安全性和适用性。二、

我国耐久性设计方法简介

85版和04版《桥涵设计规范》

2006版《防腐蚀技术规范》

2008版《混凝土结构耐久性设计规范》(一)85版和04版《桥涵设计规范》《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》

JTJ023-85版：技术先进，经济合理，安全适用，确保质量

JTGD62-2004版：技术先进，安全可靠，耐久适用，经济合理耐久性基本要求（总则）另外，对钢筋、预应力器具及混凝土抗冻等级和抗渗等级提出原则要求(二)2006版《防腐蚀规范》JTG/TB07-01-2006《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》规定：公路混凝土结构的防腐蚀耐久性，应根据结构不同的设计基准期、不同的环境类别及其作用等级进行设计。

该规范的主要特点：（1）对环境类别划分较细（7大类）：一般环境、一般冻融环境、除冰盐（氯盐）环境、近海或海洋环境、盐结晶环境、大气污染环境、土中及地表地下水的化学腐蚀环境（2）仅提出设计要求，无具体的设计方法：如材料要求、构造要求、裂缝限制等

可视为基于传统经验的设计规定，非真正意义上的设计方法。目前，该标准规范正在修订。(三)2008版《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》是在2004版CECS01-2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》的基础上编制完成的。

该标准规范对于耐久性设计从经验规定往量化设计做了很大努力1.0.3

本规范规定的耐久性设计要求，应为结构达到设计使用年限并具有必要保证率的最低要求。（附录A：90%~95%）附录A

规定了极限状态及分类；耐久性量化设计原则。

但在具体条文方面，依然以规定指标值为主:（1）规定了一般环境、冻融环境、氯化物环境、化学腐蚀环境的环境作用等级以及材料与保护层厚度取值；（2）增加了后张预应力混凝土结构关于预应力筋、锚固段的防护措施和质量控制要求。

至于这些规定值从何而来？针对不同的环境条件和材料情况如何调整？设计人员不清楚，缺少了“设计”的意义-拿来主义三、

欧洲耐久性设计方法简介

设计方法

设计流程简介(一)设计方法《

耐

久

性

设

计

和

再

设

计

的

一

般

准

则

》

（Generalguidelinesfordurabilitydesignandredesign）

侵蚀因素：混凝土碳化、氯离子侵蚀

设计理论和方法：可靠度理论，荷载-抗力分项系数法（LRFD）

耐久性的极限状态：2类（1）钢筋开始锈蚀状态（2）混凝土结构表面钢筋锈蚀导致裂缝宽度为1.0mm状态

可靠指标取值：高

3.721.28中

2.57低(一)设计方法

极限状态与设计参数：（1）氯离子侵蚀临界氯离子浓度、表面氯离子浓度；保护层厚度；氯离子扩散系数、养护系数、环境系数、混凝土龄期、龄期系数；氯离子侵蚀分项系数结构表面二氧化碳浓度；保护层厚度；混凝土碳化速率、养护条件系数、环境条件系数、混凝土龄期、龄期系数；碳化分项系数（2）混凝土碳化（3）混凝土开裂临界裂缝宽度；初始裂缝宽度；钢筋位置参数、钢筋直径、钢筋腐蚀速率系数、腐蚀开始的时间、暴露时间、钢筋锈蚀率、坑蚀系数、腐蚀渗透设计值、导致开裂的腐蚀渗透设计值；混凝土劈裂抗拉强度、混凝土电阻率、混凝土保护层厚度、养护时间、混凝土龄期、混凝土电阻率龄期系数、混凝土电阻率养护系数、混凝土电阻率温度系数、混凝土电阻率湿度系数、氯离子侵蚀系数；腐蚀率分项系数、钢筋位置分项系数等(二)设计流程简介以海洋环境水变区桥梁墩柱抗氯离子侵蚀耐久性设计为例：（1）确定耐久性作用的抗力和荷载；抗力为混凝土保护层厚度；荷载为在规定时间内氯离子在混凝土中的侵蚀深度和浓度，与混凝土质量、环境条件有关。（2）由修复费用选定可靠指标：高3.72，分项系数由可靠指标确定。（3）确定需要进行设计的指标：有2个量是未知的-混凝土保护层厚度、混凝土质量。这两个量均可以通过指定其中一个量的值，而设计另外一个量的值。这里通过指定拌制混凝土的质量，设计混凝土的保护层厚度。（如果是梁的话，可以指定C，而设计混凝土质量）（4）指定混凝土质量相关指标：在施工过程中必须满足。（5）设计保护层厚度：首先初拟一个C0，根据前述公式，计算到达极限状态的使用年限。若年限大于设计使用年限，则OK；若小于，则加大保护层厚度C1，重新计算，直至满足要求。此时的保护层厚度即为设计保护层厚度。四、

日本耐久性设计方法简介

设计方法

参数取值(一)设计方法《混凝土结构耐久性设计推荐规范》

（Proposedspecification

of

durability

design

forconcretestructuresJSCE）

侵蚀因素：氯离子侵蚀、混凝土冻融

设计理论和方法：对比验算法

指定检验的构件均满足以上要求，可判定结构耐久性设计合理。原则上，特殊混凝土结构（处于严酷环境）每一个构件都需要进行上述检验。当然，在一批构件中，耐久性明显好于其他构件的，可不检验。(二)参数确定（1）环境指数给定值（温和环境）0（10-15年）100（50年）150（100年）环境条件氯离子侵蚀混凝土冻融10~7010~50氯离子侵蚀混凝土冻融>10090~10080~9070~8040~70<4050403020100重度盐雾轻度盐雾混凝土冻融：(二)参数确定（2）耐久指数是各项影响因素的耐久性能取值（1）设计参数，包括构件形式、钢筋类型等（2）裂缝（3）特殊模板和防腐措施（4）组成混凝土的材料的质量（5）混凝土的质量（6）浇筑控制（7）钢筋、模板和支架工程（8）预应力混凝土质量控制(二)参数确定如第（1）组“设计参数”：设计总工程、构件形状和尺寸、混凝土保护层、钢筋抗腐蚀性、钢筋间距、增强筋、结构接缝等。总体而言，这也是验算或验证的设计方法。五、

美国耐久性设计方法简介

耐久混凝土指南

LIFECON1.1寿命周期管理通用手册

LIFE365海洋环境混凝土结构服役模型(一)耐久混凝土指南《耐久混凝土指南》（Guidetodurableconcrete）是一本专门针对耐久混凝土设计的指南。主要对耐久混凝土的类型和相关技术指标做了一些规定新拌混凝土混凝土的冻融特性碱集料反应化学侵蚀混凝土中金属和其他材料的腐蚀冲刷和磨蚀等。主要针对材料设计而言，是结构耐久性设计的基础。(二)LIFECON1.1《混凝土结构寿命周期管理通用技术手册》（Lifecon1.1）提出了：寿命预测方法结构劣化的预测模型基于概率理论的寿命模型环境参数确定方法等等主要用于混凝土结构的全寿命管理，这些方法可以为混凝土结构耐久性设计提供参考。(三)LIFE365《海洋环境中混凝土结构服役寿命模型》（Life365）为海洋环境中在役或新建混凝土结构提供了一种实用的使用寿命的评估或预测模型，也提出了新建结构的设计方法基于Fick第二定律：模型特点：(1)通过混凝土配合比参数设计混凝土的扩散系数：(三)LIFE365模型特点：(2)考虑了混凝土质量随时间的变化：(3)考虑了实验室设计的扩散系数与实际扩散系数的差别：实现：混凝土保护层厚度和混凝土配合比参数的设计。理论体系：极限状态量化设计，但非基于可靠性理论，无分项系数六、

几

点

探

讨(1)耐久性设计的方法体系方面：

我们国家偏重于规定式，直接给出混凝土材料指标和结构构造规定值。这些指标值的来源如何？在不同的环境中或采用不同的混凝土材料，设计人员该怎样调整，不是很清晰。

在设计理论方法体系上，虽然提出了耐久性极限状态设计理论，但是耐久性的可靠指标、各项分项系数等都没有明确。从量化设计方法而言，我国的耐久性设计理论和理念还需要加深。

在港珠澳大桥的耐久性设计中，已经引入的基于可靠度理论的量化设计方法，为我国耐久性设计方法提供了一个改进和完善的样本。采用极限状态设计理论，建立一般大气环境和海洋环环

境临界氯离子浓度（%）境中结构耐久性近似概率的分项系数设计方法；利用现场暴露试验，提出相关随机变量的分布特征、特征参数和分项系数；w/b≤0.361.100.36<w/b≤0.45w/b>0.451.10水下区浪溅区大气区1.100.500.800.600.400.800.80(2)在环境作用的劣化模型方面：

我国在这方面的研究非常多，如碳化模型、不同区域的氯离子侵蚀模型、冻融模型、混凝土磨蚀模型等，理论和试验模型都有，如何跟设计挂钩，真