天津津港基础设施养护运营工程管理有限公司 天津滨海新区 300450
摘要：本文以14#、15#高桩码头为研究对象，开展基于安全性和耐久性的在役高桩码头剩余使用寿命的试验研究，建立预测方法、剩余使用寿命计算为核心的在役码头寿命预测方法体系。
关键词： 安全性；耐久性；在役码头；使用寿命
1 引 言
国内外工程调研表明，由于受气候、环境、使用状况等因素的影响，我国89%的港口码头在使用7~25年后，出现不同程度的耐久性破坏。这些码头在长期使用过程中，必然发生材质老化、结构损伤积累，造成结构性能退化，影响码头的安全使用。
2. 14#、15#泊位寿命预测方法建立
实现混凝土结构剩余使用寿命预测，首先应确定各类混凝土结构寿命预测特征参数：混凝土碳化深度；钢筋锈蚀率；冻融循环次数。
2.1 基于混凝土碳化深度的寿命预测
混凝土碳化在混凝土结构中最主要影响为容易引起钢筋脱钝锈蚀。因此，混凝土碳化作为混凝土结构失效准则，用以预测混凝土结构寿命。
2.1.1 基于碳化深度的寿命预测模型
混凝土碳化深度并不能作为钢筋表面开始锈蚀的标准。因此，以下分两方面预测混凝土碳化寿命：
（1）钢筋脱钝锈蚀时对应的碳化深度
.png)
：
.png)
式中，
.png)
— 钢筋脱钝锈蚀时的混凝土碳化深度（
.png)
）；
.png)
— 钢筋锈蚀速度稳定时的混凝土碳化深度（
.png)
）；
.png)
—钢筋锈蚀速度稳定时的混凝土部分碳化区深度（
.png)
）。
（2）钢筋脱钝锈蚀时间
.png)
：
大量试验结果表明，混凝土碳化深度与碳化时间的平方根成正比。因此，得到由于混凝土碳化导致的钢筋开始锈蚀时间为，
.png)
式中，
.png)
—混凝土碳化影响系数，需经试验获得。
2.2. 基于钢筋锈蚀程度的寿命预测
2.2.1.失效的4个阶段
钢筋表面钝化膜失效是钢筋发生锈蚀的前提，而引起其原因主要包括混凝土碳化和氯离子侵蚀。氯离子引起的钢筋锈蚀导致混凝土结构或构件破坏一般分为诱导期、发展期、劣化期和失效期这4个阶段。
2.2.2.基于钢筋锈蚀的寿命预测模型
钢筋锈蚀劣化进程应分为钢筋开始锈蚀、保护层开裂、保护层开裂达到裂缝限值和承载力显著下降四阶段，各阶段时间的确定如下
（1）钢筋开始锈蚀时间
钢筋开始锈蚀阶段所经历的时间可计算
.png)
式中：
.png)
—从混凝土浇筑到钢筋开始锈蚀所经历的时间（
.png)
）；
.png)
—钢筋脱钝锈蚀时氯离子侵蚀深度（
.png)
）；
.png)
—氯离子侵蚀系数（
.png)
）；
.png)
—混凝土有效扩散系数（
.png)
）；
.png)
—误差函数；
.png)
—引起混凝土中钢筋发生腐蚀的氯离子含量临界值（%），以占胶凝材料质量百分率计，需试验获得；
.png)
—混凝土表面氯离子含量（%），以占胶凝材料质量百分率计；
.png)
—氯离子双向渗透系数，角部区取1.2，非角部区取1.0。
（2）保护层开裂时间
保护层锈胀开裂阶段所经历的时间：
.png)
式中：
.png)
—自钢筋开始锈蚀至保护层开裂所经历的时间（
.png)
）；
.png)
—保护层开裂时钢筋锈蚀深度（
.png)
）；
.png)
—保护层开裂前钢筋平均锈蚀速度（
.png)
）。
（3）保护层开裂达到裂缝限值时间
① 锈胀裂缝限值
保护层锈胀开裂后，钢筋锈蚀速度会明显加快，钢筋与混凝土之间的粘结性能退化较大，导致结构的承载力降低，对结构的耐久性和安全性造成较大影响。
② 保护层锈胀开裂至达到裂缝限值所经历的时间：
.png)
式中：
.png)
—自保护层开裂至裂缝发展至限值所经历的时间（
.png)
）；
.png)
—锈胀裂缝限值时的钢筋锈蚀深度（
.png)
）；
.png)
—保护层开裂后至发展到裂缝限值钢筋平均锈蚀速度（
.png)
）。
（4）承载力显著下降时间
.png)
式中：
.png)
—自保护层开裂到钢筋截面面积减小至原截面90%所经历的时间（
.png)
）；
.png)
—钢筋原始直径（
.png)
）；
.png)
—保护层开裂后钢筋平均腐蚀深度（
.png)
），需试验获得。
2.3基于混凝土冻融循环次数的寿命预测模型
.png)
式中：k —冻融试验系数，即室内1次快速冻融循环相当于室外自然冻融次数的比例；
t— 混凝土结构的使用寿命（a）；
M —混凝土结构在实际环境Ⅰa中可能经受的自然冻融循环次数（次/a）；N —混凝土抗冻等级（标号）。
3锈蚀钢筋混凝土构件承载力计算
3.1锈蚀钢筋抗力计算
根据《港口水工建筑物检测与评估技术规范》（JTJ 302-2006）的规定，锈蚀钢筋的抗力可按下式计算：
.png)
式中：
.png)
—锈蚀钢筋的抗力（
.png)
）；
.png)
—锈蚀钢筋强度利用系数；
.png)
—锈蚀钢筋强度设计值（
.png)
）；
.png)
—锈蚀钢筋截面面积（
.png)
）。
3.2.锈蚀受压构件承载力计算模型
按现行业标准《水运工程混凝土结构设计规范》（JTS151-2011）的规定，同时考虑钢筋锈蚀导致的截面损失、力学性能降低和与混凝土的粘结性能下降三方面的因素，得锈蚀混凝土受压构件承载力计算模型：
.png)
式中：
.png)
—受压承载力（N）；
e— 轴向压力作用点至纵向普通受拉钢筋合力点的距离（
.png)
）；
.png)
—轴向压力对截面重心的偏心距（
.png)
）；
.png)
—附加偏心距（
.png)
），取20mm和偏心方向截面最大尺寸的
.png)
两者中的较大者。
4 14#和15#泊位剩余使用寿命预测
4.1使用碳化寿命准则
取混凝土碳化导致的钢筋锈蚀速度达到稳定时的混凝土碳化深度，本文取pH值在9以下的混凝土保护层厚度。
a．钢筋锈蚀速度稳定时碳化深度
.png)
：
.png)
b．钢筋脱钝时间
.png)
：
.png)
c．码头剩余使用寿命
.png)
：
.png)
式中：
.png)
—混凝土结构剩余使用寿命（
.png)
）；
.png)
—混凝土结构自建成至检测时已使用时间（
.png)
）。
4.2锈胀开裂寿命准则：
本文建议取钢筋锈胀导致保护层胀裂出现小于等于0.02mm宽度锈胀裂缝。
a．保护层开裂时钢筋锈蚀深度
.png)
：
.png)
b．保护层开裂前钢筋平均锈蚀速度
.png)
：
.png)
c．保护层锈胀开裂时间
.png)
：
.png)
d．码头剩余使用寿命
.png)
：
.png)
4.3裂缝宽度限值寿命准则：
本文建议取锈胀裂宽在0.02mm~（0.3~0.5）mm范围内。
a．保护层锈胀开裂达到限值时间
.png)
：
.png)
b．码头剩余使用寿命
.png)
：
.png)
4.4承载力寿命准则：
依据《港口水工建筑物检测与评估技术规范》（JTJ302-2006）取钢筋截面面积减小至原截面90%。
a．承载力显著下降时间
.png)
：
.png)
b．码头剩余使用寿命
.png)
：
.png)
4.5承载力折减系数：
a．锈蚀受压构件承载力计算模型：
.png)
b．钢筋脱钝锈蚀时刻承载力折减系数：
.png)
式中：
.png)
—混凝土受压构件承载力，取现行设计规范公式。
c．保护层开裂时刻承载力折减系数：
.png)
d．保护层开裂至0.3mm时刻承载力折减系数：
.png)
e．钢筋截面面积减小至原截面90%承载力折减系数：
.png)
4.6 Π形板腹板、横梁剩余使用寿命
以锈胀裂缝宽度限值为预测寿命准则，其需经历钢筋脱钝锈蚀、保护层锈胀开裂和锈胀裂缝宽度达0.3mm三阶段，根据14#和15#泊位码头竣工至今已52年，取
.png)
，带入使用寿命
.png)
公式：以
.png)
1961码头竣工为预测起点，得到Π形板腹板、横梁剩余使用寿命为7年。
4.7桩剩余使用寿命
以混凝土锈胀开裂为预测寿命准则，其需经历钢筋脱钝锈蚀、保护层锈胀开裂两阶段，根据码头自竣工至今已52年，取
.png)
。以1961码头竣工为预测起点带入剩余使用寿命公式:
.png)
得到桩剩余使用寿命为11年。
5 结论
本文主要根据14#和15#码头的现场检测数据为依据，建立预测方法和剩余使用寿命计算为核心的在役码头寿命预测方法体系。虽然其样本相对较少，但本文中建立的方法体系仍然适用。且对我国大量存在的服役五、六十年甚至更长时间的在役码头寿命预测提供有效手段。
参考文献
[1] Clifton J R. Predicting the sevice life of concrete[J]. ACI Materials Journal, 1993, 90(6).
[2] 王新友，李宗津. 混凝土使用寿命预测的研究进展[J]. 建筑材料学报, 2(3):249-256.
[3] 惠云玲，李荣，林志伸，全明研. 混凝土基本构件钢筋锈蚀前后性能试验研究. 工业建筑，1997(6):14~18
[4] 黄振国，李健美，郭乐工，范颖芳. 受腐蚀钢筋混凝土材料基本性能与受弯构件的试验研究. 建筑结构，1998(12):18~20
[5] 王庆霖，池永亮，牛荻涛. 锈后无粘结钢筋混凝土梁的模拟试验与分析. 建筑结构，2001(4):51~53
[6]李清富，赵国藩. 结构概率寿命估计. 工业建筑，1995(8): 8~10
[7] 高丹盈，张保和. 混凝土碳化速度系数概率模型的研究. 工业建筑，1992(5): 35~38