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临时搭建构件
2
25
可更换的结构构件,例如龙门架梁
3
50
普通的建筑结构及其他结构
4
100
纪念性建筑结构、桥梁及其他土木结构
欧洲结构设计规范为上述理论提供了一个设计标准。
在下面将要提到的相应元素的设计理念与表1中的第3类和第4类的规定有关系。
三、欧洲标准体系中的混凝土结构
图1介绍了主要由欧洲Prestandards(ENV)提供的在具体的建筑和土木工程施工中所需的混凝土技术的实际欧洲标准体系。
他们将取代欧洲各成员国土木工程协会所采用的各国标准,从而转变为欧洲标准体系(见图1)
欧洲标准体系为结构和耐久性设计提供所有的设计规范,它可分为四个层次:
第一层是结构安全和结构效果标准,尤其,是在结构的耐久性的基本要求方面。
第二层是由欧洲规范中规定了混凝土结构设计原则和一些细节
第三层是结构材料提供的数据,尤其是在混凝土结构设计的执行和混凝土规定的情况方面。
第四层是材料测试标准
然而,应当指出如果这四种情况同时应用,图1所表示的标准只能应用在文献1和2两种方式上面。
四、验证混凝土结构的耐久性的方法
根据文献1和文献2,可知验证混凝土结构耐久性,应满足下列条件
Sd≤Rd
其中:
Sd—作用效果的设计值
Rd—混凝土结构构件的抗力
由公式
(1)可直接得到一些结论,如永久荷载或施加荷载。
也可间接的得到一些结论,如施加的约束和变形。
此外,公式
(1)还可评定环境指标(见图2),Rd可以解释实际的混凝土保护层和相应的设计值,Sd可以解释碳化深度。
这将在第五部分讲到。
但是根据这种方法设计的耐久性的值,需要有明确的性能特点、精密的试验方法、可靠材料模型和良好的环境条件。
混凝土结构设计抗力Rd取决于几个参数,其中最重要的是:
—渗透性和混凝土的结构
—裂缝形式和裂缝宽度
—钢筋类型(钢筋强度、预应力钢)
—在施工过程中工艺的质量
影响Rd的因素,将在后面章节进行讨论
五、环境效果对Sd的作用
由参考文献【1】可知混凝土结构设计应该以这样的一种方式存在,即受腐蚀的混凝土和/或钢(见图3)不应损害结构的耐久性和性能,并充分考虑到维护的预期水平。
换句话说,适当的维护策略是欧洲结构设计规范的基本要素的一部分。
混凝土结构要满足上述要求,主要取决于混凝土所处的环境状况,在这种情况下分别是由化学和物理环境所产生的影响(见图3),由文献4所引用的环境作用,可在表2和表3中表现出来,分别从六个不同的方面对钢筋和混凝土的影响作了粗略的区分。
(见表2)
一般大气环境作用等级划分
恶化机制
分类命名
环境说明
举例说明
没有风险的腐蚀和渗透
XO
非常干燥
混凝土建筑物内的湿度非常低(rH<
45%)
碳化引起的钢筋腐蚀
XC1
XC2
XC3
XC4
干
潮湿,微干
湿度适中(rH<
80%)
循环湿和干
湿度较低的混凝土建筑物内(rH<
65%)
部分挡水结构,基础
适中或高空气相对湿度的混凝土建筑物内,外部混凝土阻挡其发挥
属于XC2累的表面水接触
有氯化物引起的钢筋腐蚀
XD1
XD2
XD3
混凝土表面直接被喷洒到含有氯化物的液体
直接接触到含有氯化物的工业用水的混凝土如游泳池
桥墩、路面、停车场地面
含有氯化物的海水引起的钢筋腐蚀
XS1
XS2
XS3
暴露在空气中的盐,不与海水直接接触
受侵蚀
潮汐、飞溅和喷雾
接近或在海岸上的结构
海洋建筑物的基层
混凝土在冻结或解冻时受到的腐蚀
XF1
XF2
XF3
XF4
水饱和度适中,没有除冰剂
水饱和度适中,有除冰剂
水饱和度高,没有除冰剂
水饱和度高,有除冰剂
严寒和寒冷地区受雨淋构件的竖向表面
有氯盐严寒和寒冷地区受雨淋构件的竖向表面
有氯盐严寒和寒冷地区受雨淋构件的竖向表面受雨淋的构件水平表面
有氯盐微冻地区的水位变动区构件和频繁受雨淋的构件水平表面
混凝土的化学腐蚀
XA1,XA2,
XA3
具有腐蚀性的化学物质
环境
见表3
表3
对XA类受到化学腐蚀环境作用等级
化学特性
XA1
XA2
测试方法
每升水中含有的SO4-2
200≤X≤600
600<X≤3000
3000<X≤6000
EN196-2[7]
每毫克土中含有的SO4-2
2000≤X≤3000
3000<X≤12000
12000<X≤24000
EN196-23)
水的PH值
5.5≤X≤6.5
4.5<X≤5.5
4.0<X≤4.5
DIN4030-2[8]
土壤酸碱度
>200
DIN4030-2
每升水中含有的CO2
15≤X≤40
40<X≤100
>100
每升水中含有的NH4+
15≤X≤30
30<X≤60
60<X≤100
ISO7150-1[9]
ISO7150-2[10]
每升水中含有的Mg2+
300≤X≤1000
1000<X≤3000
<3000
ISO7980[11]
备注:
1、可移动到渗透率低于10-5m/的粘土中
2、由于干循环或毛细管吸力积累的风险的影响,要把硫酸盐离子从3000毫克/千克的限制减少到2000毫克/千克
3、实验方法规定了对硫酸盐离子的提取,如果现场应许,水可从现场使用的混凝土中提取
在表2和表3中,适当的考虑了本地或一些微观条件。
当地的条件主要考虑周围的建筑结构,尤其是考虑到具体的结构或结构所处的环境(例如,相对空气湿度和相对CO2含量)。
然而,在某些情况下,还需要考虑必要的微观条件,这些微观条件涉及到特定表面上结构构件所处的环境问题。
比如,他可以适用于以下的情形:
——暴露在大雨中的建筑物
——暴露在阳光下的建筑物
——与地表、地下水、海水等相连的建筑物
从各国验证(如结构分析)和本地检查(如压力限制)很明显可知,耐久性设计方法类似于结构设计。
五、环境对混凝土结构抗力的影响
对公式
(1)中提到的Rd的计算,EN206[4]提供了两种不同的方法。
标准的方法(宏观方法)是针对混凝土成分的限制值组成的,即最大混凝土的水灰比,最小的混凝土或空气的含量,以及对混凝土或者骨料的相关的额外要求(见表4)。
此外,还可用耐久性方面性能相关的方法计算。
标准方法可在被公认的和已经被证明的试验或分析模型的基础上进行改进。
在使用后一种方法时,例如,在表4中提到XC类被环境影响的碳化钢,可用下式验证:
dc≤Cact
dc—碳化深度
Cact—试件所承受的实际值
表4
从公式(3)可知,dc主要由几个参数决定。
然而,应当指出,在世界范围内发展起来的耐久性特点,确定了设计值的所有相关参数。
这些相关参数可以验证上述公式。
dc=
(t0/t)n≤Cact
dc:
碳化深度
Dnom:
在特定的环境下的混凝土的扩散系数
a:
完全碳化后含有的CO2的量
Δcom:
碳化前与空气中二氧化碳的浓度差
K1、k2、k3微气候条件参数
N:
微气候条件参数,在室内n=0,在室外n=0.3
t0:
参考时间
t:
总时间
Cact:
实际强度
六、混凝土保护层厚度的规定
根据欧洲规范,在设计计算时,应考虑名义上的钢筋混凝土保护层。
它是由:
nomc=minc+Δh
nomc:
混凝土保护层名义厚度
minc:
最小保护层厚度
Δh:
混凝土保护层厚度的施工允许偏差
为确定混凝土最低保护层,minc应满足
—粘结力的安全传递
—避免脱落
—要有足够的耐火性
—防止腐蚀钢筋
后一种情况,在碱性环境条件下,防腐蚀的保护层取决于提供一种质量好,足够厚度的固化的混凝土(见第八部分)。
如果没有特殊要求,足够的厚度可从表5中规定的minc选取。
除了XC1类以外,允许误差在5mm之内。
(表5如下)
另外一点,涉及到minc和实际使用的混凝土标号(见表6)之间权衡,一般来说,在表5中提供的值与实际的混凝土标号之间的减少值高于表4中给的最低值。
(表6)
在下列情况下,在表5中规定了普通强度的混凝土(fck,linder≤55N/mm2)。
——XC1:
不允许减少
——XC2,XC3:
允许减少,如果实际的混凝土标号对应于表4中最低强度
——XC4:
高于C35/45允许减少
——XS,XD:
允许减少,如果混凝土标号至少有两个强度等级高于表4中最低强度等级。
高强度混凝土(见表6),还要考虑其他的相关因素。
混凝土保护层厚度的施工允许偏差Δh,一般在预制混凝土构件中的范围是0<Δh<5,在现浇混凝土施工中,要求的范围是5<Δh<10。
如果保证使用的施工方法很合理,这样较高或较低的允许偏差Δh就可以被运用。
这些规则强调耐久性设计与混凝土施工技术和现场施工之间存在着密切的关系。
七、裂缝的控制
过度开裂,混凝土结构的耐久性可能会受到不利的影响。
除了这些以外,裂缝应限于水平。
因为他不会影响结构的正常运作,也不会影响外观。
表7归纳了混凝土结构裂缝的常见类型,它可以分为两个主要的原因:
——由现浇或硬化混凝土的流变性能所造成的裂缝
——由装载和/或施加变形引起的裂缝
第一类裂缝(表7,从1a到1c)可通过混凝土施工技术的适当措施来控制。
尤其是混凝土配合比的组成,合理的浇筑和养护。
这些规范在文献[3-5]中提供了相应的规定。
对于装载和/或施加变形引起的裂缝控制,在欧洲结构设计规范中提供了两种基本方法。
——满足最小配筋率的要求
——对裂缝宽度的限制
最小配筋率有两个功能:
当裂缝出现时它确保有一个受力平衡点。
另外,最小配筋率可以避免无法接受的裂缝宽度,在大多数情况下,最小配筋率可用于由于水化热耗散而产生的施加变形。
这主要取决于实际的混凝土抗拉强度,fct。
对于裂缝宽度的控制,欧洲结构规范提供了一个检验标准(见表8)。
他的原则是一定水平的荷载(临时,可变,永久)。
由表8所示,无论是减压的极限状态还是不超过裂缝宽度的极限状态,一定水平的荷载已经通过研究和在经验中获得。
在减压的极限状态下,根据有关的相应组合,在混凝土中可以认为没有拉应力,而是与预应力有关的结构构件或是受到显著的轴向力。
表8
裂缝宽度的控制,在表8中已经给出了“被视为安全”的标准的裂缝宽度。
——对于内部采用预应力筋构件,wk=0.2mm.
——对于钢结构构件,wk=0.3mm
对表8中规定的A到E的选择,应考虑到环境的影响、被腐蚀的风险和设计荷载的水平。
后者主要考虑可变荷载的影响,Qk。
在文献1中定义的统计数据与上一年参考期间预期概率值不超过98%。
在欧洲规范中规定了Qk值,变量的值相当于罕见的值(大约)。
根据文献1可知,可变的不确定的运用效果Ψ1•Qk,应符合不论是超过参考时间的50%,还是超过300倍的价值。
应选择最高值。
相应的组合系数Ψ1,在0.5和0.9之间有所不同,要根据变量考虑取值。
准永久值的变动效果Ψ2•Qk,这是常见的利用钢筋(不是预应力)来控制混凝土构件的裂缝。
它符合对应的平均时间或超过50%的概率值,Ψ2相应值应在0.3和0.8之间。
除了上述规定要求对数据进行核对外,欧洲规范也提供了一个“被视为安全”的规则,它规定了配筋间距和箍筋间距由于剪切和/或扭转而产生的斜裂缝的控制,结合力的限制和最小配筋混凝土结构构件表面的限制。
后者主要是达到自我平衡,因此,对于混凝土结构构件来说,在其表面要混凝土要有足够的质量。
8、固化
混凝土构件表面的耐久性取决于几个参数,尤其是要有足够的抗碳化能力和低渗透性。
混凝土构件表面的碳化程度是一个随时间变化的过程,这些参数取决于粘结剂(水泥)的类型和在反应过程中的温度。
另一方面,混凝土强度的增大也是一个水化活动的过程,即参透率降低和强度增加的过程,在文献[5]中介绍了混凝土固化后的水化程度的一些特性。
因此,有文献[5]可知,当混凝土表面暴露于除表2规定的XO和XC1的其他环境条件时,需要被处理。
即,就是让混凝土表面具有一定程度的抗压强度,而它主要依赖于固化的有效处理,即在固化过程中要有足够的养护期。
在文献[16]中提到相应的环境湿度应控制在60%和10%之间。
然而,在文献[5]中给出了简单化的恒定比例50%
如果表9建议的固化期间被应用,这个价值可能会实现。
此表适用于表4中规定的XO和XC1的其他环境条件和区分不同的环境温度T和混凝土强度的增加。
可用一个公式表示为:
r=fcm,2/fcm,28
fcm,2:
2天后的抗压强度平均值
fcm,28:
28天后的抗压强度平均值
对于混凝土表面仅暴露于表2中规定的XOandXC1情况,最低固化期应是半天,提供的试块不超过5小时,混凝土表面等于或高于5℃
然而,不排除其他的固化时期,这可以通过合理使用混凝土和固化方法来解决。
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