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［摘要］為了對建筑結構耐久性進行更準確的檢測和評估，分析了多種因素對建筑結構耐久性的影響，提出了鋼筋混凝土構件的耐久性評定模型，對結構耐久性進行了定量分析。在耐久性評定模型的基礎上，考慮了耐久性隨時間變化的關系，得到了建筑結構剩余壽命的預測函數。結果表明，該預測函數與試驗結果的吻合程度較好。

［關鍵詞］鋼筋混凝土；耐久性；預測模型；試驗分析

鋼筋混凝土結構是基礎設施建設中最常用的結構形式。早期建設的一些建筑結構，因為使用年限較長、施工工藝不成熟等問題，已經開始出現結構耐久性問題。對建筑結構的耐久性進行評估，對其剩余壽命進行預測已成為一項重要研究課題。建筑結構耐久性是指混凝土在正常使用條件下，抵抗外部環境影響和自身內部破壞的能力。鋼筋混凝土的承載能力、延性、抗腐蝕能力和材料本身力學性能均會不斷變換，會隨著使用年限的增加逐漸惡化。這一過程是隨時間發展，不可逆轉的。因此，無法對耐久性進行修復和提升，只能做到對其進行預測，提前預防結構因耐久性而引發的問題。現有規范規定，在正常施工、使用過程中，結構性能隨時間變化，但必須要滿足正常試用階段的預期設計功能。20世紀80年代，美國洲際公路的橋梁中，開始出現了嚴重的耐久性問題，據統計，有超過25萬座橋梁出現了不同程度的耐久性問題，用于修復的費用超過1500億美元。在英國，這一問題同樣嚴重，大量的建筑結構出現耐久性問題，每年用于建筑結構修復的費用超過200億英鎊。日本每年用于建筑結構修復的費用也非常高，從21世紀初開始，每年的費用就已超過400億日元。從上述問題可以看出，建筑結構耐久性已經成了一個不可避免的問題。目前，我國有許多學者對此進行過研究分析，國家也出臺了很多相關規范章程。但在房屋建筑鋼筋混凝土耐久性評定模型方面研究尚有欠缺，對建筑結構剩余壽命的預測也不夠準確。因此，結合前人研究基礎，對影響鋼筋混凝土結構耐久性的因素進行了分析，提出了耐久性評定模型和剩余壽命預測函數，與試驗結果對比，發現評定結果較為準確。

1鋼筋混凝土結構耐久性研究層次

有關混凝土耐久性的研究主要分3個層次。（1）材料研究主要包括：混凝土碳化、鋼筋銹蝕、氯離子侵蝕、堿–骨料反應和凍融循環。（2）構件主要研究內容包括鋼筋銹蝕對粘結性能的影響、鋼筋銹蝕導致的混凝土銹脹問題及銹后構件承載力變化和壽命預測。（3）結構主要是針對未建鋼筋混凝土結構的耐久性設計和已有鋼筋混凝土構件的耐久性評定。現階段，對前兩者的研究已較成熟，基本掌握了其變化規律和影響程度。但是對于第3層次，由于受到試驗條件和工程實際的限制，很難進行相關研究，對這方面的研究較少。對于現有的一些模型很難進行分析及評估，無法確定其準確性。

2基于AHP法的耐久性評定模型和試驗分析

2.1層次分析法

層次分析法(AnalyticHierarchyProcess)，最早由美國數學家ThomasL.Saaty提出，其優勢在于可以將定量分析與定性分析相結合，對目標進行全面的分析。具體方法是對多種變量進行綜合考慮，劃分為不同的層次，結合主觀想法和客觀結果，比較同一層次中各種變量的重要性，然后綜合分析結果，對不同變量進行排序。這一方法適用于復雜問題的分析，使分析過程可以完全量化，具有較高的實用性。根據上述內容，層析分析法適用于鋼筋混凝土結構耐久性的分析，可以解決影響因素多、分析過程復雜的問題。層析分析法的分析步驟主要包括4部分。（1）建立層次關系，即按照目標層、準則層、自準則層和方案層進行分層，構造出模型的層次關系，從目標到具體方案，每一層可以有多個內容。（2）構造判斷矩陣，層次關系建立后，確定不同層次的權重，即按照矩陣的方式對權重進行賦值，以區分不同元素的重要程度。（3）確定權重向量和一致性指標，以對判斷矩陣的一致性進行判斷，若判斷矩陣不一致，需要計算其一致性指標。（4）層次的總排序，以用于多個方案的比較和優化。

2.2鋼筋混凝土構件耐久性評定模型

2.2.1類別劃分矩陣的確定。影響鋼筋混凝土構件耐久性的因素有多個，包括施工情況、構件位置、構件功能、外部環境條件、鋼筋銹蝕情況、混凝土碳化深度、強度等級、混凝土表面裂縫情況等多種影響因素。首先，確定影響因素的數量，假設m個影響因素。然后，需要對鋼筋混凝土耐久性狀況進行分級，假設共有n個等級，即C1、C2、……Cn。則第k個等級中的第j個影響因素可表示為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數據矩陣的確定假定需要評估的建筑中共有s個構件，通過對建筑進行實測發現，第i個構件的第j個影響因素的測量值為xij(i=1,2,……s；j=1,2,……m)，根據上述分析結果，可以得到數據矩陣的結構形式：2.2.3指標評判矩陣的確定。假定第i個構件中，某個影響因素的標號為j，其屬性等級為Cn，測量后得到的屬性測度為mijn(i=1,2,……s；j=1,2,……m；n=1,2,……N)，其中，mijn的值可通過式(3)和式(4)計算，由此可以得到mijn的矩陣表達形式如下：其中，μijk=0，k<l或k>l+1然后，根據式（5）可以確定第i個構件中，第n級別屬性的測度，μin。μin的值確定后，則可以得到指標評判矩陣，其表達形式為：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個需要評估的構件中，第j個分層等級的加權系數。這一系數反映不同分層中的不同影響因素對耐久性的貢獻大小，其計算公式為：式中：xij為第i個構件的第j個分層的試驗測量值；xj*為第j個分層的標準值。2.2.4建筑結構的綜合評定。根據評判矩陣的計算結果，分析不同分層中不同影響因素的重要程度，對耐久性進行評判與比較（表1）。按照置信區間的取值原則，置信度設置為0.8，則可計算不同構件的評定等級。配合評定等級和評分關系表，則可得到評定分數，對評定結果實現量化處理。

2.3試驗分析

試驗工程以北方地區一建筑為試驗對象，該建筑鋼筋混凝土結構，框架結構，層數3層，已使用15年，無維修加固歷史。考慮到梁處于室內環境，條件相對較好，因此本次試驗只對柱進行測量。本次試驗考慮的影響因素主要包括6種：外部環境、混凝土強度、鋼筋銹蝕程度、混凝土碳化程度、構件裂縫狀況和構件承載力，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價指標，構件裂縫狀況以裂縫寬度為評價指標。將上述6種影響因素作為評價標準，把構件分為5個等級，即前文所述的5個耐久性等級，一級代表耐久性很好，五級代表耐久性很差。試驗測得的具體數據見表2。根據層次分析法的步驟，結合耐久性評定模型，可對該建筑的耐久性進行定量和定性分析。耐久性分析結果見表3。由于本結構使用年限較長，外部環境條件較差，本建筑的分析結果耐久性較差，只有Z3構件達到二級標準，其他構件均為三級和四級。

3鋼筋混凝土結構剩余壽命預測

對建筑結構的剩余壽命預測主要包括3種類型：正常使用壽命預測、承載力壽命預測和耐久性壽命預測。對于耐久性壽命預測的參考準則主要包括3類：混凝土碳化準則、鋼筋銹脹準則和裂縫寬度準則。這3類準則分別考慮混凝土、鋼筋和構件整體性能對耐久性的影響。但試驗結果表明，上述準則并不能準確地反映構件的耐久性，根據準則進行評判，得到的結果通常不準確，因此，需要提出一種新的壽命預測方式來進行預測。基于耐久性評定的壽命預測方法，可結合耐久性評定模型，對剩余壽命進行準確的預測，在耐久性評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。衰減指標的具體計算公式：（2）需要計算結構的剩余壽命，假設結構服役年限為N0年，共進行過M次加固，第i次加固發生在第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，則耐久性衰減指標可表示為：α和β是衰減系數，與混凝土強度、鋼筋銹蝕程度、混凝土碳化深度等多種因素有關。以耐久性衰減達到20%為評判標準，以Nr表示結構的剩余壽命，則可得到下述等式：現已知該結構使用時間15年，無加固歷史。試驗測得數據見表2，利用式（12）計算可得該結構剩余壽命為25.3年，該結果符合一般建筑物的使用年限，計算結果較為準確。由此可得，耐久性評估定型及剩余壽命預測函數結果均較準確，可以應用于實際工程中。

4結束語

所提出的基于AHP法的耐久性評定模型，綜合考慮到多種因素對耐久性的影響，對耐久性的退化進行了定量和定性的分析。與試驗結果相比，該模型的準確性較高。在耐久性評定模型的基礎上，提出了一種新的方法用于建筑結構剩余壽命的計算，計算結果表明，該方法的預測準確率滿足一般鋼筋混凝土民用建筑的要求，計算形式簡單，實用性強，可以應用于實際工程中建筑結構的剩余壽命預測。

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作者:白旭軍 單位:山西鏵興工程檢測有限公司