混凝土结构的耐久性评估和未确知模型研究

宋 冰 李 明

（1.平顶山市农村公路管理处，河南平顶山467000；2.平顶山市工程质量监督站，河南平顶山467000）

钢筋混凝土结构一向被认为是一种耐久性较好的建筑材料，是世界上建筑结构中使用最为普遍的形式之一，然而钢筋混凝土结构存在着各种病害，包括钢筋锈蚀、寒冷冻害、物理和化学环境的侵蚀等，对这些耐久性病害研究不足，延长结构的使用寿命，会引起一系列的工程问题，造成严重的经济损失。

1 混凝土结构的研究内容和现状

1.1 耐久性研究的主要内容

对混凝土构建的耐久选哪个研究可以大致的划分为四个方面：环境因素、材料因素、构件因素和结构因素。

在环境上主要是具有侵蚀性质的介质对混凝土内部的钢筋危害性，会造成钢筋的劣化和粘结性的降低，从而使承载力下降，过早的发生破坏。特别是在沿海地区和寒冷地区，酸、碱、盐类物质和冻害严重，在这种条件下如果再加上偶然环境荷载的作用， 更会加剧钢筋的腐蚀。

材料上是耐久性研究最为基本的部分，通过对钢筋和混凝土两种材料发生碳化、锈蚀、冻融等作用机理的分析，解决在结构的设计和施工、维修中的构造措施，并通过防水、限制裂缝、调整水灰比、添加外加剂等具体措施进行预防补强。

构件生的耐久性主要是指混凝土和钢筋两种材料在组合以后的相互耦合关系上，钢筋的锈蚀会引起混凝土的胀裂，而裂缝会进一步加快锈蚀速度，如果能够得到钢筋锈蚀和表面混凝土开裂的关系和规律，对整个混凝土结构的耐久性研究有重要意义。

从混凝土结构上进行耐久性分析主要包括两部分：对拟建的结构进行耐久性设计和对原有混凝土结构进行耐久性评估。

1.2 混凝土耐久性研究现状

目前主要从混凝土的碳化和钢筋的锈蚀对耐久性的影响入手，具体的耐久性评估方式可以分为多指标分级加权评估法、灰色系统评估法、可靠度理论、模糊评估法和神经网络评估法，每一种方法都有各自的优点和缺点，在应用时要根据实际合理的选择。 而未确知模型研究可以说总结了耐久性评估方法的优缺点，是一种科学、实用的评估方法，使得评估结果更加的清晰、准确。

2 混凝土结构耐久性评估的指标分析

2.1 耐久性评估过程中的不确定性

钢筋混凝土结构是一个非平衡的系统，受到外界和本身多种因素的叠加影响，组成一个非线性的作用条件，而对于单个的作用因素，其本身也是不确定的，例如水灰比、材料的强度、构件抗力、混凝土碳化深度等。 另外，在构件的不同部位，不同单位的施工质量控制，自然环境上的温度、二氧化碳的浓度、湿度等也是随着天气和昼夜变化改变的。 在耐久性评估过程中人的参与也有很大的主观因素，所以采用未确定模型的数学理论研究可以更加准确的保证评价结果的可靠性。

2.2 评估指标的建立原则

评价指标的确定要以系统性、科学性、普遍性和特殊性结合以及可量化性为原则。 也即是在评价过程中要建立一个完整的系统，科学性的根据损伤发展规律，客观性的进行。保证评估指标的普遍性，将特殊的构件或者部位特殊处理，在对指标分析中以定量为目标，综合性的对评价指标进行权重分析。

2.3 耐久性评估的内容

耐久性评估主要从安全性和适用性角度两个方面来进行，在时间上保证结构的安全性和正常使用性能。主要内容包括：钢筋的锈蚀、保护层的开裂缝、氯离子的侵蚀以及构件的变形等。

影响耐久性的主要因素是钢筋的锈蚀，锈蚀会进一步加大钢筋锈蚀率，在温度和湿度的作用下引起保护层的开裂，不仅进一步的加剧构件的破坏速度，还会损坏构件外观，影响正常使用性能。氯离子通过裂缝进入构件后会导致钢筋的膨胀锈蚀，严重时造成混凝土保护层的剥落，对氯离子的含量评估是重要的一部分。 在经过钢筋锈蚀后的构件，承载力会不同程度的降低，要对构件的变形进行验证，保证承载力耐久性处于合理的范围内。

2.4 耐久性评估指标

耐久性分析的指标一般按照结构和影响因素的不同分为几个层次，从及基础的层次逐步的向上进行分析，最后得到所要的目标值。根据结构的部位可以将指标分为：基础耐久性、上部水平和竖向承重构件耐久性、节点耐久性等几个方面，根据作用效果和影响程度可以分为恶化程度和恶化速度两个方面。

程度指标上外观指标包括：裂缝的宽度、裂缝稳定性、锈迹范围、剥落情况等；结构上包括：所损失的钢筋截面大小、钢筋屈服强度的改变、构件的截面减小和混凝土强度的衰减；

速度指标上环境条件包括：温度、湿度、有害气体等气候条件、腐蚀物质的含量和对锈蚀物质的防护措施；在结构上包括：钢筋锈蚀速度、保护层的厚度和极化电阻等。

3 耐久性评价方法

3.1 采用层次分析法主要步骤包括

建立层次分析模型， 将影响因素按照属性的不同分成几个组，形成不同的层次，中间层次受到上一层次的影响，同时对下一层次有支配作用，形成一个阶梯型的模型。

构造判断矩阵， 将属于同一指标之间的因素进行重要性比较，计算指标的权重。

最后，对判断矩阵进行一致性检验，用来检测各个因素的权重分配是否合理， 根据一致性比例系数的大小检验判断矩阵的一致性，当一致性比例系数小于0.1 时认为满足一致性原则， 大于0.1 时要对矩阵做适当修改。

3.2 权重分析

耐久性评估的成功关键在于权重的分配上，通常的权重赋值有两种形式：客观赋权法和主观赋权法，分别根据数据统计和专家意见来确定。 要想得到合理的权重分配就要将两种方式结合起来。

整个分析系统可以分为三个层次：目标层、准则层和指标层，系统过程就是通过准则层和指标层得到目标层结果。指标的权重分析也既是从准则层和指标层两方面来进行。

指标层指的是具体的影响因素属于客观的赋权法范畴，可以通过观测值的等级，采用未确定模型中的分类权重来进行赋值，确定具体构件节点的评估等级。 可以更加客观、全面的反映指标信息。

准则层因素也即是对影响因素的分类，要了解构件各部位关于整体耐久性的权重，属于主观的赋权范畴，根据重要性原则进行权重赋权。

4 未确知模型

未确知模型是针对混凝土耐久性评估中不确定性而产生的一种评估方法，在耐久性研究中，很难的到完整的和确定的评价指标，耐久性评估是一个随机的、模糊的和灰色的综合体，所以在研究中采用一个确定的合理数学模型并不现实。未确知模型就是将定量和定性有机的结合起来，目前常见的理论有人工神经网络、模糊数学方法等。本文通过未确定模型分析耐久性评估的内容得到如下结论：

4.1 混凝土的耐久性评估过程是一个认为参与的主管和客观条件相互作用的过程，采用综合的多层次的分析方法可以得到较为准确的结果；

4.2 影响钢筋混凝土结构的主要因素是钢筋的锈蚀，以及表层保护层的开裂，氯离子等的侵蚀；

4.3 对耐久性指标的影响因素从程度上和速度上进行划分， 强调评估过程中的主要原则；

4.4 分析了权重赋值时的影响因素， 从影响因素分类的准则层上和具体的具体的因素条件下的指标层上判断指标权重大小。

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