结构全寿命的耐久性与安全性、适用性的关系.pdf

桥梁耐久性论坛，2009年3月29日-4月1日桥梁耐久性论坛，2009年3月29日-4月1日 广广广广州香港州香港 结构全寿命的耐久性与安全性、结构全寿命的耐久性与安全性、 适用性的关系适用性的关系适用性的关系适用性的关系 金金 伟伟 良良金金 伟伟 良良 20092009年年3 3月月2929日日20092009年年3 3月月2929日日 主要内容主要内容主要内容主要内容 1. 存在的问题存在的问题 2. 基本概念基本概念 3. 结构性能结构性能 4. 极限状态极限状态 5. 结构评估结构评估 6. 结论结论 2 1. 存在的问题存在的问题1. 存在的问题存在的问题 国家标准（GB50068-2001）对国家标准（GB50068-2001）对可靠性可靠性的定义的定义 完成完成 安全性安全性 完成完成 规定的时间规定的时间 预定的功能预定的功能 安全性安全性 适用性适用性 规定的条件规定的条件 预定的功能预定的功能 耐久性耐久性 安全性安全性适用性适用性耐久性三者构成了耐久性三者构成了结构可靠性基本内涵结构可靠性基本内涵安全性安全性、、适用性适用性、、耐久性三者构成了耐久性三者构成了结构可靠性基本内涵结构可靠性基本内涵 3 1. 存在的问题存在的问题1. 存在的问题存在的问题 极端荷载极端荷载 安全性安全性 适用性适用性 1、失效准则1、失效准则 承载能力极限状态承载能力极限状态 正常使用极限状态正常使用极限状态 工作荷载工作荷载 适用性适用性正常使用极限状态正常使用极限状态 2 2、、未考虑结构抗力的时变性未考虑结构抗力的时变性 工作荷载工作荷载 2 2、、未考虑结构抗力的时变性未考虑结构抗力的时变性 恒载和材料性能恒载和材料性能 随机变量随机变量 未考虑耐久性未考虑耐久性 对对安全性安全性和和适适 活载活载随机过程随机过程 对对安全性安全性和和适适 用性用性的影响的影响 3、从材料、构造、施工等考虑耐久性问题3、从材料、构造、施工等考虑耐久性问题 耐久性失效准则耐久性失效准则 无 4 是目前结构可靠性分析中的重要不足是目前结构可靠性分析中的重要不足 1. 存在的问题存在的问题 不同的观点不同的观点 1. 存在的问题存在的问题 在概念上在概念上耐久性耐久性与与安全性安全性、、适用性适用性之间并不是并列的关系，之间并不是并列的关系， 不同的观点不同的观点 对结构可靠性对结构可靠性最基本的分类仍然是安全性和适用性最基本的分类仍然是安全性和适用性，不能，不能 简单地认为结构可靠性是安全性、适用性、耐久性的总称。简单地认为结构可靠性是安全性、适用性、耐久性的总称。 结构耐久性是结构可靠性中涉及材料损伤的特殊内容结构耐久性是结构可靠性中涉及材料损伤的特殊内容结结结构耐久性是结构可靠性中涉及材料损伤的特殊内容结构耐久性是结构可靠性中涉及材料损伤的特殊内容。。结结 构的构的耐久性或者归属于安全性耐久性或者归属于安全性，或者，或者归属于适用性归属于适用性。关键。关键 在于其所考虑的极限状态是属于承载能力极限状态还是正在于其所考虑的极限状态是属于承载能力极限状态还是正 常使用极限状态常使用极限状态””常使用极限状态常使用极限状态””。。 安全性安全性适用性适用性耐久性耐久性概念混淆概念混淆 5 安全性安全性、、适用性适用性、、耐久性耐久性概念混淆概念混淆 2. 基本概念基本概念基本概念基本概念 安全性安全性（（f t ）） 在预在预定的使用期定的使用期间内间内，，应能应能承承受受正正常常施工、正施工、正常使常使 安全性安全性（（safety）） 定的使用期定的使用期，，应能受常应能受常常使常使 用情况下可能出现的用情况下可能出现的各种荷载各种荷载、、外加变形外加变形、、约束变约束变 形形等的作用。等的作用。 在偶然事件在偶然事件（如地震、爆炸）发生时和发生后，结（如地震、爆炸）发生时和发生后，结 构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏构应能保持整体稳定性，不应发生倒塌或连续破坏 而造成生命财产的严重损失。而造成生命财产的严重损失。 6 安全性表征了结构抵御各种作用的能力 安全性表征结构抵御各种作用的能力安全性表征结构抵御各种作用的能力 2. 基本概念基本概念 适用性适用性 Serviceability 基本概念基本概念 指结构在正常使用期间指结构在正常使用期间具有良好的工作性能具有良好的工作性能 适用性适用性 Serviceability 指结构在正常使用期间指结构在正常使用期间，，具有良好的工作性能具有良好的工作性能。。 如不发生影响正常使用的过大的如不发生影响正常使用的过大的变形变形（（挠度挠度侧侧如不发生影响正常使用的过大的如不发生影响正常使用的过大的变形变形（（挠度挠度、、侧侧 移移））、、振动振动（（频率频率、、振幅振幅），），或产生让使用者感或产生让使用者感移移））振动振动（（频率频率振幅振幅），），或产生让使用者感或产生让使用者感 到不安的过大的到不安的过大的裂缝宽度裂缝宽度。 以人为主观的适宜的工作性能以人为主观的适宜的工作性能 7 2. 基本概念基本概念 耐久性耐久性（（Durability）） 基本概念基本概念 是指结构在规定的是指结构在规定的工作环境中工作环境中在预定时期内在预定时期内 耐久性耐久性（（Durability）） 是指结构在规定的是指结构在规定的工作环境中工作环境中，，在预定时期内在预定时期内，， 其其材料材料性能的劣化不致导致结构出现不可接受性能的劣化不致导致结构出现不可接受其其材料材料性能的劣化不致导致结构出现不可接受性能的劣化不致导致结构出现不可接受 的失效概率；在正常维护条件下，结构能够正的失效概率；在正常维护条件下，结构能够正 常使用到规定的设计使用年限。常使用到规定的设计使用年限。 局限于环境因素局限于环境因素局限于环境因素局限于环境因素 8 2. 基本概念基本概念基本概念基本概念 表征结构抵御各种作用的能力表征结构抵御各种作用的能力 安全性安全性 设计荷载及其相应的结构抗力设计荷载及其相应的结构抗力 以人为主观的适宜的工作性能以人为主观的适宜的工作性能 指标参数指标参数 适用性适用性 指标参数指标参数 长期作用下（环境、循环、荷载等）长期作用下（环境、循环、荷载等） 结构抵御结构抵御性能劣化性能劣化的能力的能力 耐久性耐久性 结构抵御结构抵御性能劣化性能劣化的能力的能力 寿命指标寿命指标，，低于设计荷载的安全性低于设计荷载的安全性 耐久性耐久性 9 寿命指标寿命指标，，低于设计荷载的安全性低于设计荷载的安全性 3 结构性能结构性能3. 结构性能结构性能 荷载作用荷载作用 动动、、静态累积损伤静态累积损伤 结构抗力变化因素结构抗力变化因素 荷载作用荷载作用 环境作用环境作用 动动、、静态累积损伤静态累积损伤 碳化、氯离子侵蚀、碳化、氯离子侵蚀、 结构抗力变化因素结构抗力变化因素 环境作用环境作用 材料内部因素材料内部因素 冻融循环、硫酸盐腐蚀冻融循环、硫酸盐腐蚀 材料老化材料老化碱碱 骨料反应等骨料反应等材料内部因素材料内部因素材料老化材料老化、、碱碱- -骨料反应等骨料反应等 共共同同特点特点损伤损伤随时间不随时间不断断积累，是一积累，是一个个动态的渐动态的渐变变过程过程同同损伤断损伤断个变个变 （1）施工期 前期 （1）施工期 前期 结构性能变化过程结构性能变化过程（2）使用期（2）使用期 （（3 3））老化期老化期 中期中期 后期后期 （（3 3））老化期老化期 后期后期 10 耐久性对安全性和适用性的影响耐久性对安全性和适用性的影响 3 结构性能结构性能 基于多机制输运机理基于多机制输运机理，，成功的解释了氯离子在不同状态的混凝成功的解释了氯离子在不同状态的混凝 3. 结构性能结构性能 基于多机制输运机理基于多机制输运机理，，成功的解释了氯离子在不同状态的混凝成功的解释了氯离子在不同状态的混凝 土中沿土中沿高度高度和和深度深度的分布规律,和现场检测数据的的分布规律,和现场检测数据的相关性较好相关性较好 5 氯离 3.5 4 4.5 5 Altitude /m d3.5 mm d17.5 mm d31.5 mm d45.5 mm 离子含量 1.5 2 2.5 3 高度 深度 量 00.10.20.30.40.50.60.70.8 0 0.5 1 Chloride concentration ref. concrete weight / 氯离子三维分布规律公式曲线与试验点比较实际检测图 11 3 结构性能结构性能3. 结构性能结构性能 五个阶段五个阶段 1.施工期1.施工期 2.使用前期2.使用前期 3 3 使用中期使用中期3 3. .使用中期使用中期 4.4.使用后期使用后期使用后期使用后期 5.老化期老化期 12 3 结构性能结构性能 施工施工、、设计设计 3. 结构性能结构性能 （1）施工期（1）施工期 耐久性不影响耐久性不影响安全性安全性 施工施工、、设计设计 等缺陷及管等缺陷及管 理等理等 （（2 2））使用前期使用前期 理等理等 耐久性正常状态耐久性正常状态 耐久性不影响耐久性不影响 （（2 2））使用前期使用前期耐久性正常状态耐久性正常状态 适用性适用性和和安全性安全性 （3）使用中期（3）使用中期基本满足适用性要求基本满足适用性要求耐久性基本正常状态耐久性基本正常状态 （（4 4））使用后期使用后期影响到适用性要求影响到适用性要求正常使用耐久性极限状态正常使用耐久性极限状态（（ ））使用后期使用后期 （（5 5））老化期老化期 影响到适用性要求影响到适用性要求正常使用耐久性极限状态正常使用耐久性极限状态 影响到安全性要求影响到安全性要求承载能力耐久性极限状态承载能力耐久性极限状态 13 （（5 5））老化期老化期 影响到安全性要求影响到安全性要求承载能力耐久性极限状态承载能力耐久性极限状态 3 结构性能结构性能3. 结构性能结构性能 完整试件J0裂缝处Jcr开裂试件J 14 非扩散区 一维扩散区二维扩散区 3 结构性能结构性能3. 结构性能结构性能 初始阶段锈胀开裂裂缝扩展 钢筋锈蚀钢筋锈蚀 2 CO − Cl 初始阶段锈胀开裂裂缝扩展 承载力退化 裂缝宽度裂缝宽度 承载力承载力 T1T0T2T30 承载力退化 构件承载力限值 承载力承载力 退化退化 T1T0T2T30 钢筋脱钝保护层胀裂顺筋裂缝限值 构件承载力限值 工程评估 钢筋混凝土构件钢筋混凝土构件性能退化性能退化预测的预测的路径概率路径概率方法方法 15 3 结构性能结构性能3. 结构性能结构性能 安全性安全性适用性适用性安全性安全性适用性适用性 耐久性耐久性耐久性耐久性 交叉关系交叉关系 16 交叉关系交叉关系 4. 极限状态极限状态4. 极限状态极限状态 性能极状态性能极状态性能极性能极限限状态状态 经济与技术经济与技术包涵了安全性包涵了安全性根据用户根据用户 动态性动态性 的可行性的可行性适用性及其它性适用性及其它性的特殊要的特殊要 求来确定求来确定比较确定比较确定 能的关键点能的关键点 求来确定求来确定 17 4. 极限状态极限状态4. 极限状态极限状态 tion a concentra ervice life ride ion c edicted se Chlo Pre 0 1 2 3 4 5 10 20 30 40 18 Test time a 4. 极限状态极限状态 Field exposure 4. 极限状态极限状态 Field Reference site Field exposure test the study object Similar environmental condition y M E milarity t R C λ Similarity rate t O C ′ λ Similarity rate ation tft R C O C λλ ′ E T Time-sim C t R D λ C t O D ′ λ Valid tft R D O D λλ ′ T S T Amendment on material S The accelerated Laboratory the third site The accelerated Laboratory the study object 19 the third site the study object Same accelerated condition Relationship on material 5 结构评估结构评估5. 结构评估结构评估 20 5 结构评估结构评估5. 结构评估结构评估 基于基于时变可靠度时变可靠度的混凝土结构耐久性分析方法的混凝土结构耐久性分析方法 ][τiRf ][τiSf 初始抗力分布 时变抗力分布 区间内近 似非时变 {} iifi RSP Pr 时不变抗力 tS 时变荷载时变荷载 n tR 初始荷载分布初始荷载分布 时不变荷载时不变荷载 时变荷载分布 ∏ i fif PTP 1 时不变荷载时不变荷载 τττ τ τττ 21 ττττττ 不同时段构成串联系统 5 结构评估结构评估 沿海混凝土结构耐久 环境条件调查 外观损伤检测 沿海桥梁、 码头 5. 结构评估结构评估 沿海混凝土结构耐久 性现状调查 外观损伤检测 结构病害诊断 结构耐久性劣化规律 耐久性影响外部因素 （环境气候条件） 结构耐久性劣化规律 和影响因素分析 耐久性侵蚀/劣化机理 耐久性影响内部因素 材料特性、构造等 氯离子侵蚀碳化冻融耐久性侵蚀/劣化机理 耐久性评估数学方法 氯离子侵蚀、碳化、冻融 混凝土结构锈胀开裂 耐久性模糊综合评判方法 基于结构/构件性能退化 的剩余寿命预测方法 预测的路径概率模型 基于冻融损伤的抗冻 最优区间型隶属度函数 特征向量法确定权重 在役混凝土结构（桥梁、 码头）耐久性评估实例 性寿命预测模型 参数统计与周期性耐久寿命极限状态定义 模糊扩张算法及权重均 值技术 性能劣化的空间变异特性 码头）耐久性评估实例 维修成本预测模型 区分结构重要性、形式 与功能，对应不同的耐 检测，信息更新 再预测 22 维修成本预测模型 久性极限状态 6 结论结论6. 结论结论 （1）（1）结构耐久性的定义结构耐久性的定义 结构在可能引起其性能变化的结构在可能引起其性能变化的各种作用各种作用（荷载、（荷载、 环境、材料内部因素等）下，在预定的使用年限和环境、材料内部因素等）下，在预定的使用年限和 适当的维修条件下适当的维修条件下结构能够结构能够长期抵御性能劣化的长期抵御性能劣化的适当的维修条件下适当的维修条件下，，结构能够结构能够长期抵御性能劣化的长期抵御性能劣化的 能力能力能力能力。。 23 6 结论结论6. 结论结论 安全性安全性是结构抵御各种作用的能力；是结构抵御各种作用的能力； 适用性适用性是以人为主的适宜的作性能是以人为主的适宜的作性能适用性适用性是以人为主的适宜的是以人为主的适宜的工工作性能作性能；； 耐久性耐久性是结构抵御性能劣化的能力是结构抵御性能劣化的能力耐久性耐久性是结构抵御性能劣化的能力是结构抵御性能劣化的能力。。 安全性安全性、、适用性适用性、、耐久性构成了耐久性构成了结构可靠性结构可靠性的的三三安全性安全性、、适用性适用性、、耐久性构成了耐久性构成了结构可靠性结构可靠性的的三三 个基本方面，三者之间相互影响、相互制约个基本方面，三者之间相互影响、相互制约，呈，呈 交叉关系。交叉关系。 24 6 结论结论6. 结论结论 （2）结构的耐久性是一个动态的过程（2）结构的耐久性是一个动态的过程 结构的性能变化是一个结构的性能变化是一个与时间有关的与时间有关的渐进的过程，渐进的过程， 的的变化程度或耐久性状态变化程度或耐久性状态对结构的对结构的适性适性不同不同的的变化程度或耐久性状态变化程度或耐久性状态，，对结构的对结构的适适用用性性 和安全性和安全性产生不同的影响产生不同的影响同时同时其极限状态也其极限状态也和安全性和安全性产生不同的影响产生不同的影响。。同时同时，，其极限状态也其极限状态也 是是动态的性能状态动态的性能状态是是动态的性能状态动态的性能状态。。 25 6 结论结论6. 结论结论 耐久性失效准则耐久性失效准则 承载能力极限状态承载能力极限状态 安全性安全性 承载能力极限状态承载能力极限状态 安全性安全性 适用性适用性正常使用极限状态正常使用极限状态适用性适用性正常使用极限状态正常使用极限状态 性能极限状态性能极限状态耐久性耐久性 26 6 结论结论6. 结论结论 （3）结构的失效概率是时间的函数（3）结构的失效概率是时间的函数 随着使用年限的增加，结构的失效概率不断随着使用年限的增加，结构的失效概率不断 增大。增大。安全性和适用性安全性和适用性所对应的失效概率是所对应的失效概率是耐耐 久性失效函数的两个特征点久性失效函数的两个特征点。同一结构构件，。同一结构构件， 若采用不同的性能极限状态若采用不同的性能极限状态结构的失效概率结构的失效概率若采用不同的性能极限状态若采用不同的性能极限状态，，结构的失效概率结构的失效概率 或使用寿命会有较大的差别或使用寿命会有较大的差别或使用寿命会有较大的差别或使用寿命会有较大的差别。。 27 THANK YOU 28