钢筋混凝土工业厂房耐久性评估研究.pdf

第5 9 卷第2 期 2007 年5 月 有 色 金 属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 9 ，N o ．2 M a y 2 0 07 钢筋混凝土工业厂房耐久性评估研究 任锋1 ，一，刘俊岩2 ，裴现勇2 1 ．中国矿业大学 北京 ，北京 10 0 0 8 3 ； 2 ．济南大学土木建筑学院，济南2 5 0 0 2 2 摘要运用模糊数学的方法，建立钢筋混凝土工业厂房耐久性的评估模型，提出模糊综合评估的实用方法，并通过工程实 例对方法的实用性加以验证。 关键词环境工程；钢筋混凝土工业厂房；模糊综合评估；耐久性 中图分类号T U 3 1 7 ；T U 3 7 5文献标识码A 文章编号i 1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 7 0 2 0 1 1 3 0 4 作为目前世界上使用最为广泛的建筑材料之 一，混凝土是耐久的建筑材料，然而近年来发现的由 于结构耐久性不足而产生的各种损伤以及由此而导 致人民生活及工农业生产受到严重影响和结构维护 加固费用的急剧增加，迫使人们重新认识和研究钢 筋混凝土结构的耐久性。与此相适应，结构耐久性 损伤与破坏的检测、鉴定评估和维护加固等也逐步 成为一种重要的工程实践活动。 自上世纪7 0 年代起，我国各部门和专业曾对各 种不同自然环境和使用环境下的不同结构的工作性 能和状况进行了大规模的实际调查。我国建筑物耐 久性的调查表明，工业建筑物的破损比较严重，其结 构的使用寿命一般都不能保证5 0 年，多数在使用 2 5 ～3 0 年左右就达到必须大修或加固的状态。冶 金部对国有重点钢铁企业工业厂房进行检查，三级 建筑为3 0 0 ～3 5 0 万m 2 ，占钢铁企业建筑总数的 1 0 ％～1 1 ％[ 1 | 。 在国际上，国际材料与结构研究所联合会 R I L E M 于1 9 6 0 年专门成立了“混凝土中钢筋锈 蚀技术委员会”，该委员会历时五年总结了当时各国 在钢筋锈蚀方面的研究成果，并对以后的研究方向 提出了建议。1 9 8 0 年国际标准化委员会和混凝土、 钢筋混凝土、预应力混凝土委员会 I S O ／T C 一7 1 提 出了影响混凝土环境条件的级别标准。1 9 8 9 年欧 洲混凝土委员会 C E B 通报1 8 2 号发表了耐久性 混凝土结构设计指南。日本建设省制定过1 9 8 0 ～ 1 9 8 4 年“提高建筑物耐久性开发技术计划”，涉及 收稿日期2 0 0 70 1 2 6 、基金项目济南大学科技基金资助项目 y 0 5 1 7 作者简介任锋 1 9 6 2 一 ，男．山东烟台市人，副教授，博士生，主 要从事工程结构可靠性评估与加固方面的研究。 钢、木、钢筋混凝土及非承重构件等【2 j 。 在我国，钢筋混凝土结构的耐久性及损伤的鉴 定评估、维护加固工作自上世纪8 0 年代才开始得到 重视，并相继开展了钢筋腐蚀和混凝土碳化等耐久 性方面的调查研究，以及寿命评估与耐久性设计理 论与方法的研究，开始编制混凝土结构耐久性设计 规范和标准。1 9 8 6 年颁布了危险房屋鉴定标准 C J l 3 8 6 ，1 9 8 9 年颁布了钢铁工业建 构 筑物 可靠性鉴定规程 Y B J 2 1 9 8 9 ，1 9 9 0 年颁布了工 业厂房可靠性鉴定标准 G B J l 4 4 9 0 ，给出了有 关建筑物损伤或破坏鉴定的标准和规程。建设部在 “七五”和“八五”期间都设立了混凝土耐久性课题。 国家自然科学基金项目“重大土木与水利工程安全 性与耐久性的基础研究”，对安全性与耐久性开展系 列研究，建立了钢筋锈蚀与混凝土冻融破坏的预测 模型、混凝土碳化模型、碱一骨料反应的数学物理模 型[ 3 4 | 。 目前有关混凝土耐久性的研究的重点集中在影 响结构耐久性的各种数学物理模型的建立及结构耐 久性设计方法方面，各种鉴定标准和规程也多从安 全性和正常使用性方面加以规定。如何针对混凝土 厂房耐久性建立实用的评估准则和评估模型，并据 此对厂房进行检测评估，从而制定科学又经济的维 修加固方案，是目前急需解决的问题之一。 1钢筋混凝土工业厂房耐久性的模糊 评估 1 ．1 方法 钢筋混凝土工业厂房耐久性评估是一个非常复 杂的问题，这是由于影响耐久性的因素繁杂，而且各 因素之间相互影响。这些影响因素自身表现出一定 万方数据 1 1 4有 色 金属第5 9 卷 的随机性，在与耐久性的关系上又表现出一定的模 糊性，而且表征耐久性失效的许多信息是不清楚的， 有些信息的采集也是不完全的。因而各影响因素的 变化与耐久性失效之间很难找出 或不存在 一一对 应的函数关系，很难全部或大部分采用精确的数学、 力学方法进行描述，以往只能依据经验对钢筋混凝 土工业厂房的耐久性状况进行评估。 为了给描述错综复杂的事物提供有力的数学工 具，美国的L ．A ．Z a d e h 教授于1 9 6 5 年首次提出模 糊集合的概念，使对复杂事物进行模糊综合评估成 为可能【5 ] 。随后，基予模糊集合论的模糊评估方法 得到迅速的发展，被广泛应用于各个领域。模糊评 估方法是以模糊集合论为理论基础，应用模糊关系 合成原理，从多个因素对被评估事物隶属等级状况 进行综合评估的一种方法，它所具有的特点恰能满 足钢筋混凝土工业厂房耐久性评估的需要。 1 ．2 步骤M 1 1 确定评估对象的因素集U 。确定评估的指 标体系，根据影响钢筋混凝土工业厂房耐久性的各 种因素，得到U { 钢筋锈蚀，混凝土碳化，氯离子 侵蚀，裂缝，混凝土损伤，混凝土质量} 。 2 确定评估等级集V 。确定被评估事物属于 各评估等级的程度。由于这一模糊子集的确定，使得 模糊综合评估得到了一个模糊评估向量，被评估事 物对应各评估等级中的隶属度信息通过该模糊向量 表示出来，体现评估的模糊性。为了与我国现行有关 规范和标准保持一致，对钢筋混凝土工业厂房的耐 久性进行评估时划分为4 个等级，即V { V 】，V 2 ， V 3 ，V 4 } 。 3 进行单因素评估，建立模糊关系矩阵尺。其 中_ ， ．i l ，2 ，3 ，4 为U 中的因素U f 对应中等级 V 的隶属关系，即从因素U i 着眼被评估对象时，被 评估对象能被评为E 的隶属关系，因而_ i J 1 ， 2 ，3 ，4 是第i 个因素U i 对该事物的单因素评估，它 构成了模糊综合评估的基础。r “的值可以由隶属函 数求得。 R 0 ≤～≤1 ；1 ≤i ≤扎；1 ≤j ≤4 4 确定评估因素权向量集A 。A 是U 中各因 素对被评估事物的隶属关系，它取决于进行模糊综 合评估的着眼点，即评估时着重于哪些因素。A { a l ，a 2 ，a 3 ，⋯，a n } 。 5 选择模糊合成算子。将A 与R 合成得到评 估结果B 。模糊综合评估的基本模型为B A 豫即 B 【b l b z ⋯b 。] r l lr 1 2 F 2 11 “ 2 2 r i l T i 2 r l m r 2 ”l ● r 加 ● 上式表示，评估因素与被评估事物间的模糊关 系通过模糊关系矩阵R 形成了被评估事物与评估 等级间的模糊关系B 。式中“”’代表模糊合成算子， 也可表示为b i 口1 r l f V 口2 r 2 j V ⋯V a 。 ，- 。i ，其中“ ”为广义模糊“与”运算，“V ”为 广义模糊“或”运算。广义模糊“与”运算是在全面考 虑各种因素时，对原来的单因素评估的％进行修 正，广义模糊“或”运算则是对修正后的隶属度进行 合成处理，以求得到一个综合评估向量。 6 对模糊综合评估结果B 进行分析处理0 该 步骤可使评估结果的信息得以清晰化，从而最终确 定被评估对象的等级归属。模糊综合评估结果B 为 一个模糊子集，是与评估等级集对应的一组隶属度 数值，它反映了工业厂房耐久性在评估等级集y 中 所处的等级情况，它并不严格地属于哪一个级别，而 是在各个级别中都有分值分布，各分值表明该工业 厂房耐久性隶属于各个级别的程度大小。 利用模糊综合评估结果B 确定评估结果时，可 采用最大隶属度法或贴近度法对模糊综合评估结果 B 进行分析，从而确定被评估对象的等级归属。 2评估实例 2 ．1 工程概况 莱钢集团炼铁厂4 号厂房为单层单跨装配式钢 筋混凝土结构，围护墙采用2 4 0 m m 厚双面清水墙， 于1 9 7 8 年建成投产。该厂房建成投入使用后，由于 工作环境较为恶劣，厂房局部破损严重，工作技术状 况及其安全度明显降低。为确切了解该厂房的质量 状况和耐久性情况，为厂房的维修和养护提供依据， 特对该厂房进行全面的质量检测。 万方数据 第2 期任锋等钢筋混凝土工业厂房耐久性评估研究1 1 5 2 ．2 检测结果 选取具有代表性的③轴排架，对钢筋锈蚀情况、 混凝土碳化深度及保护层厚度、混凝土含氯离子情 况、混凝土开裂缺损状况、混凝土质量和强度进行了 检测。 1 钢筋锈蚀情况。利用G X Y 一1 型钢筋锈蚀 测量仪 以铜／硫酸铜作为参照电极 ，采用半电池电 位法测得梁柱内钢筋电位水平的平均值为～ 2 2 8 m V 。 2 混凝土碳化深度及保护层厚度。首先采用 G B Y 一1 型钢筋保护层测试仪测定梁柱钢筋保护层 厚度，检测表明，保护层厚度的平均值为2 ．2 4 c m ，小 于3 ．5 c m 的原设计值。进行碳化深度检测时，用 3 ％的酚酞酒精溶液喷洒在新鲜的混凝土表面上进 行碳化试验，结果表明，梁柱表面均存在不同程度的 混凝土碳化现象，最大碳化深度为1 ．7 8 c m ，平均碳 化深度为1 ．3 6 c m ，故相对碳化深度U 0 ．6 1 。 3 氯离子含量。采用中2 0 m m 螺旋钻头现场收 集混凝土粉末，利用R C T 氯化物含量测定仪在实验 室进行混凝土氯化物含量的测定，结果表明，氯离子 含量 占水泥质量 在0 ．1 7 ％左右。 4 裂缝。裂缝的详细检查采用钢尺和刻度放 大镜进行，裂缝多为活动性结构受力裂缝和混凝土 胀裂裂缝。裂缝宽度一般在0 ．2 m m 左右，最大锈胀 裂缝宽度达到0 ．3 5 r a m 。由于胀裂的影响，导致局 部混凝土破碎、剥落和酥松。 5 混凝土损伤。检查中未发现碱一骨料反应 迹象，由于蜂窝、麻面和胀裂破坏造成的柱横截面面 积损伤率达5 ％。 6 混凝土质量。采用C T S 一3 5 非金属超声波 测试仪和H T 一2 2 5 A 回弹仪进行超声回弹综合法 测定混凝土强度，按．厂c 。 0 ．0 8 v 1 ’7 2 R 1 ‘5 7 式中v 参考文献 为测区超声值，R 为测区回弹值 推算所得混凝土 立方体抗压强度为正。测 2 4 ．8 M P a ，所以厂c 测 0 ．6 7 工。测 1 6 ．6 2 M P a ，略高于主梁所采用的C 3 0 混 凝土的正设 1 5 M P a ，故丘测值设 1 ．1 1 。 2 ．3 耐久性评估 根据以上的检测结果，通过查取相应的隶属函 数1 7J ，建立模糊关系矩阵R 。 R 0 0 0 0 0 ．1 5 0 O 0 ．4 O 0 ．3 5 0 ．8 5 O 0 ．4 5 O ．6 0 ．8 0 ．6 5 0 1 O ．5 5 0 0 ．2 0 0 0 由于钢筋混凝土工业厂房耐久性评估中各影响 因素的权向量A { 钢筋锈蚀，混凝土碳化，氯离子 侵蚀，裂缝，混凝土损伤，混凝土质量} { 0 ．3 1 ， 0 ．2 1 ，0 ．2 1 ，0 ．1 4 ，0 ．0 8 ，0 ．0 5 } 。故该厂房③轴排架 的耐久性模糊综合评估结果为B A 。R { 0 ．0 1 ， 0 ．2 0 ，0 ．5 7 ，0 ．2 2 } 。 根据最大隶属度法，得出评估结论为Ⅲ级，表明 该厂房耐久性状况较差，需进行维护加固。由此可 见，使用模糊综合评估方法所得结果与钢筋混凝土 工业厂房耐久性的实际状况比较吻合。 3结论 针对钢筋混凝土工业厂房的耐久性评估，综合 运用模糊数学与传统的专家经验法评估钢筋混凝土 工业厂房的耐久性等级，可以获得较符合实际的评 估结果。通过对实际厂房的检测和模糊综合评估， 证明了在钢筋混凝土工业厂房耐久性评估中引入模 糊评估理论是可行的，可以对其耐久性进行定量评 估，具有较好的工程实用性。 [ 1 ] 邸小坛，周燕．旧建筑物的检测加固与维护[ M ] ．北京地震出版社，1 9 9 2 5 1 3 ． [ 2 ] M e h t aPK ，B u r r o w sRW ．B u i l d i n gd u r a b l ec o n c r e t ei nt h e2 1 s tc e n t u r y [ J ] ．C o n c r e t eI n t e r n a t i o n a l ，2 0 0 1 ，2 3 3 5 7 6 3 ． [ 3 ] 陈肇元．土建结构工程的安全性与耐久性[ M ] ．北京中国建筑工业出版社，2 0 0 3 1 0 2 8 ． [ 4 ] 金伟良，赵羽习．混凝土结构耐久性研究的回顾与展望[ J ] ．浙江大学学报工学版，2 0 0 2 ，3 6 4 3 7 1 3 8 0 ． [ 5 ] Z a d e hLA ．F u z z yS e t s [ J ] ．I n f o r m a t i o na n dC o n t r o l ，1 9 6 5 ，8 3 3 3 8 3 5 3 ． [ 6 ] 李志勇．工程模糊数学及应用[ M ] ．哈尔滨哈尔滨工业大学出版社，2 0 0 4 1 7 2 0 ，9 5 1 0 6 ． [ 7 ] 济南大学．莱钢集团炼铁厂厂房耐久性评估课题研究报告[ R ] ．济南济南大学，2 0 0 6 2 4 3 9 ． 下转第1 2 4 页，C o n t i n u e dO D - P ．1 2 4 万方数据 1 2 4 有色金属 第5 9 卷 A n a l y s i so fT r a c eP b ，C da n dC ri nP r i n t e dC i r c u i tB o a r d sS c r a p Z H O N GF e l 一* w e n ，L ID e n g - x i n ，Y A N GT a o ，Z H A OQ i n g 1 ．C o l l e g eo fE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，D o n gH u aU n i v e r s i t y ，S h a n g h a i2 0 0 0 5 1 ，C h i n a ； 2 ．F e i d aD e s “l p h u r i z a t i o nE n g i n e e r i n gC o m p a n yo fZ h e j i a n g ，H a n g z h o u31 0 0 0 9 ，C h i n a A b s t r a c t T h ed e t e r m i n a t i o no fP b ， Ⅺa n dC rc o n t e n ti np r i n t e dc i r c u i tb o a r d ss c r a pb yf l a m ea t o m i ca b s o r p t i o ns p e c t r o m e t r Yi si n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o di sd e l i c a c y ，r a p i d ，a c c u r a t e ，e a s yt oo p e r a t ea n d D r a c t i c a b l e ．T h er e ∞v e r i e sf o rt h et h r e ee l e m e n t sa r ei nt h er a n g eo f9 8 ．9 ％～1 0 3 ．6 ％a n dr e l a t i v es t a n d a r dd e ’ v i a t i o n 1 ．4 5 ％i Sa c h i e v e d ． K e y w o r d s a n a l y t i c a lc h e m i s t r y ；p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ss c r a p ；f l a m ea t o m i ca b s o r p t i o ns p e c t r o m e t r y ；l e a d ； c a d m i u m c h r o m i u m 上接第1 1 5 页，C o n t i n u e df r o mP ．1 1 5 D u r a b i l i t yA s s e s s m e n to fR e i n f o r c e dC o n c r e t eF a c t o r yB u i l d i n g R E NF e n 9 1 - ．。L I UJ u n - y a n 2 ，P E fX i a n y o n 9 2 1 ．B e l j i n gC a m p u s ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n ga n dT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．c D Z 姆o fC i v i lE n g i n e e r i n g ，J i n a nU n i v e r s i t y ，J i n a n2 5 0 0 2 2 ，C h i n a A b s t r a c t B yu s i n gf u z z ym a t h e m a t i c a lm e t h o d ，t h ea s s e s s m e n tm o d e lf o rd u r a b i l i t y o fr e i n f o r c e dc o n c r e t ef a c t o r y b u i l d i n gi se s t a b l i s h e d ，a n dap r a c t i c a lm e t h o do nf u z z ys y n t h e t i ca s s e s s m e n to fd u r a b i l i t y “ f o rr e i n f o r c e d c o n c r e t e f a c t o r yb u i l d i n gi sp r o p o s e d ，a n dt h ep r a c t i c a b i l i t yo ft h i sm e t h o di sv e r i f i e di nt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gp r o j e c t s K 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