在我国城镇化和工业化逐步加深的今天,大规模基础设施建设所带来的结构长期服役性能问题和资源环境问题日益凸显,工程结构因累积损伤和长期性能退化而带来的养护、维修、加固等费用十分巨大,甚至超过其初始建设投资 ^[1]。从实现可持续发展的角度出发,为了获得更大的综合经济效益,人们对工程结构提出了安全适用、经久耐用的要求。

　　 在工程结构的建造以及服役过程中,结构将遭受各种荷载、环境和材料内部作用的影响,尤其是长期处于腐蚀环境和反复作用下的结构,将不可避免地产生损伤积累、抗力衰减和性能退化,当损伤累积到达一定程度时将影响结构的安全性能,甚至导致结构破坏、倒塌等事故的发生,严重威胁着人们的生命财产安全。尤其是近年来许多关乎国计民生的重大工程结构建成并投入使用,对结构在长期服役期内目标使用性能的保障提出了更迫切的需求。

　　 鉴于工程结构长期性能劣化问题的重要性与紧迫性,国内外学者在结构性能劣化领域开展了大量的科研工作 ^{[2,3,4,5,6,7,8,9]},其中混凝土结构耐久性研究已经形成了较为完整的设计规范与评定标准 ^{[10,11,12,13]}。《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009) ^[11]中全面介绍了材料试件的性能试验方法,包括抗冻、抗渗、抗有害介质侵蚀等耐久性能以及收缩、徐变、疲劳变形等长期性能,但该标准中并未明确定义混凝土结构的长期性能概念,仅仅从材料层面给出性能试验方法,对构件、结构层面上的性能劣化规律、设计方法都没有涉及。工程结构的长期性能是被学者们时常提及的概念,但长期性能的定义和内涵是什么?它包含哪些研究内容与研究方向?在设计中如何考虑长期性能的影响?这些问题都尚缺乏统一明确的回答。

　　 本文从结构“建造-运营-失效”的使用寿命过程出发,针对结构长期性能概念不清楚、研究内容不明确等基本问题,从其定义与影响因素入手,分析混凝土结构长期性能劣化全过程的时变规律,划分不同作用下的极限状态,并基于概率分析方法对长期性能的设计进行探讨,最终提出了混凝土结构长期性能的研究展望。

　　 导致混凝土结构劣化的外界作用可以分为长期作用和短期作用。长期作用是指由环境作用和荷载作用耦合导致结构长期性能劣化的作用,往往使混凝土结构出现裂缝发展、保护层剥落现象,构件的刚度、挠度和承载力随时间发生变化。而短期作用则是指自然灾害或人为极端事件造成的结构性能在短时间内急剧下降甚至结构倒塌的作用,如图1所示。

　　 结构在服役过程中受到的长期作用可分为长期荷载以及环境作用。长期荷载包括结构自重、人员和设备的荷载以及由运输、运送引起的荷载等;环境作用包括雪荷载、风荷载、室内外温差、水分、二氧化碳、腐蚀性离子等。混凝土结构的长期性能是指在结构服役期间长期的荷载与环境耦合作用下,结构表现出的具有时变性的功能或特性。结构长期性能反映了结构性能随时间的变化,是结构使用寿命期内的综合时变性能。

　　 目前实行的《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB 50068—2018) ^[14]中将混凝土结构的可靠性能划分为安全性、适用性和耐久性。安全性是结构抵御各种作用的能力,包含了由疲劳、断裂、过度变形等时变积累效应引起的构件或连接的破坏,以及对结构稳定性的要求。适用性是结构达到预定使用性能的能力,包括对不可接受变形、振动、外观或功能上局部损伤的限制。耐久性是指结构在环境作用下抵御性能劣化的能力,涉及结构的全寿命周期,材料劣化、裂缝、位移、缺口、局部损伤等都属于耐久性问题。环境中的碳化作用、冻融循环、氯盐侵蚀以及化学侵蚀作用首先导致混凝土材料的劣化。随着劣化程度的加深,材料层次的损伤逐步发展到对结构外观、正常使用功能,甚至结构承载力功能的影响,导致结构的适用性、安全性大大降低。因此耐久性的时变性使得它与适用性、安全性之间相互影响、相互制约 ^[15]。

　　 工程结构从开始建造到老化失效的性能变化过程包含施工期、诱导期和加速劣化期3个阶段(图2)。在施工期,结构通过施工建造达到设计性能水平。在诱导期,外部环境以及应力作用致使钢筋混凝土材料发生劣化,结构出现轻微损伤,但并不影响结构的使用功能,在这一阶段,研究重点往往聚焦于混凝土结构的耐久性能。在加速劣化期,裂缝的产生与发展为腐蚀介质提供了快速侵入混凝土保护层内部的通道,结构性能的劣化速率不断加快,较宽的裂缝以及局部材料剥落使得结构正常使用功能难以满足,结构的承载能力受到削弱,需要对结构的适用性和安全性进行分析。

　　 与耐久性的概念相比,结构长期性能的劣化不仅是由腐蚀环境引起的,还包括长期荷载以及两者耦合作用引起的性能退化。结构的长期性能存在于结构的整个生命周期,不仅涵盖了结构的耐久性,还包含了由于疲劳、徐变、蠕变等长期作用影响下的适用性与安全性,是结构在长期服役情况下综合性能的体现。

　　 影响结构长期性能的因素众多,主要包括材料性质、环境因素、设计因素、施工因素以及管养因素。对于材料而言,硅酸盐水泥的品种及用量、其中的碱含量、外加剂、水泥细度、骨料的体积稳定性和钢筋耐蚀性等都会对钢筋混凝土材料的长期性能产生巨大影响,尤其是混凝土的抗渗性、抗冻性、抗化学侵蚀性和耐磨性与结构抵御环境作用的能力息息相关。设计因素决定了混凝土结构的受力特点以及自身的使用性能,从而决定了构件的使用寿命。除了材料选用、构件尺寸的科学设计外,还应当注意环境影响因素,针对较为严重的腐蚀环境,可以额外设置抗侵蚀钢筋或电化学保护来提升结构的服役年限。施工质量水平对混凝土的长期性能起着关键性作用,人员素质、施工设备、材料质量、管理水平和后期养护任何环节出现差错都有可能导致一系列的工程质量问题,严重影响混凝土结构的长期性能。此外,管养因素,比如荷载管控、预防性养护、经常性养护和加固改造,能够有效地延缓劣化进程的发展,维持结构的正常运营状态。

　　 结构的长期性能指标是一个随时间变化的复杂变量,一般包括混凝土的收缩徐变、钢筋的蠕变、疲劳累积损伤、耐久性劣化、持续下挠、裂缝发展等指标,这些都属于结构长期作用下的时变过程。值得注意的是,长期作用不应包含地震、火灾、爆炸等偶然荷载,此外,每种长期作用对结构的影响并不总是向着性能劣化的方向发展,而是相互综合影响的结果,每种作用之间既可能是加速耦合也可以是减缓耦合的关系,比如结构建成初期,随着水泥的不断水化,结构的强度、刚度性能指标是上升的,而在混凝土结构的碳化阶段初期,混凝土保护层的密实度提升,抵抗外界侵蚀的能力也是增强的。

　　 为了全面分析各类长期作用对结构性能的影响,本文将环境作用效应和由长期荷载作用引起的疲劳、徐变这两个时变累积效应纳入考虑范畴,针对结构性能的退化规律进行分析,探索其异同点,这是合理进行设计、养护、维修和加固的最基础和最核心的科学问题 ^[1]。

　　 钢筋混凝土结构建成后,外部环境如空气、雨水、氯盐、硫酸盐等腐蚀因子通过一定的传递路径进入混凝土中,与混凝土及钢筋发生物理化学作用,导致混凝土碳化、钢筋锈蚀。随着钢筋锈蚀量的增大,内部径向裂缝逐渐向混凝土表面发展,导致混凝土保护层出现顺筋锈胀裂缝,混凝土保护层发生剥落。此时,由于钢筋的锈蚀,一方面钢筋受力有效截面显著减小,另一方面钢筋与混凝土的粘结作用基本被破坏,整个构件的受力特性发生了改变,结构的安全性、适用性大幅度降低,导致结构或构件失效。

　　 在导致钢筋混凝土结构抗力衰减的众多因素中,钢筋锈蚀引起的结构过早破坏是混凝土结构最为突出的病害,结构性能变化与混凝土中钢筋锈蚀发展过程有着密切关系 ^[16]。为了分析结构在环境侵蚀作用下性能劣化的时变过程,以钢筋锈蚀导致的结构性能变化为例,按照结构建成后的劣化顺序将钢筋混凝土结构的长期性能变化过程分为5个阶段:开始侵蚀、钢筋脱钝、锈胀开裂、裂缝宽度超限、承载力不足,如图3所示。

　　 反复作用下的土木工程结构会产生疲劳效应,疲劳效应对土木工程结构,特别是被广泛应用的钢结构和混凝土结构具有严重危害。

　　 混凝土在反复作用下,内部微裂缝的发展分为以下3个阶段:第一阶段为混凝土内部微裂缝形成时期,混凝土在内部初始缺陷和反复作用下,内部薄弱区迅速产生大量微观裂缝,且随着反复次数的进一步增加,新形成的裂缝数目逐渐减小直至稳定;第二阶段为已形成的微裂缝的稳定扩展时期,随着损伤累积增长,这些微裂缝相互连接、扩展,直至临界状态;第三阶段为形成主裂缝不稳定扩展时期,微裂缝相互连接、扩展,并与骨料及砂浆间的粘结裂缝相贯穿,使这些贯穿裂缝达到临界状态,从而导致裂缝的不稳定扩展。

　　 混凝土疲劳损伤演化存在典型的“3阶段”非线性发展过程,即快速发展阶段(约占疲劳寿命的10%)、稳定发展阶段(约占疲劳寿命的80%)和非稳定发展阶段(约占疲劳寿命的10%)。为了分析结构在疲劳荷载作用下其性能劣化对安全性和适用性的影响,按照结构的疲劳损伤过程将反复荷载作用下钢筋混凝土结构长期性能变化过程分为5个阶段,分别为:开始承受荷载、形成初始微裂缝、形成主裂缝、裂缝宽度超限、承载力不足,如图4所示。

　　 混凝土在持续作用下会产生混凝土的徐变和钢筋的蠕变。徐变对结构的影响主要表现在:导致预应力混凝土结构中的预应力发生松弛、降低结构的预先起拱度、使超高层建筑中连接核心筒与钢结构的构件产生较大应力、造成结构的不均匀沉降、引起拉应力从而导致结构混凝土开裂及钢筋锈蚀等。混凝土为一种由粗骨料、砂、水泥、水和添加剂组成的多相人工合成材料,结构自身的因素、外界的环境因素,以及结构所处的荷载作用均为其徐变的影响因素。混凝土的徐变机理非常复杂,而且具有很大的不定性。为了分析预应力混凝土结构在徐变过程中其性能劣化对安全性和适用性的影响,按照结构的徐变损伤过程将持续作用造成的预应力混凝土结构长期性能劣化过程分为5个阶段,分别为:开始产生塑性流动、混凝土出现拉应力,形成拉应力裂缝、挠度及裂缝宽度超限、承载力不足,如图5所示。

　　 由于混凝土结构失效的类型众多且机理复杂,如何界定结构劣化的临界状态是一个相当综合的问题。各国规范基本采用承载能力极限状态和正常使用极限状态这两类。而为了进一步满足混凝土结构的外观要求,尽可能减小结构由于性能劣化产生的经济损失,ISO 2394∶2015 ^[17]提出条件极限状态概念,这是对尚不能完好定义且难以计算的真实极限状态的近似,包括弹性极限状态、脱钝、外观局部损伤(开裂)等无直接功能损伤的状态。

　　 通过研究结构在环境侵蚀、反复作用、持续作用下性能劣化对安全性和适用性的影响,发现虽然不同结构在不同影响因素的作用下其长期性能退化曲线不同,但其退化过程仍然遵循着相似的规律。根据图3～5对结构性能劣化的阶段过程中各个极限状态总结得到表1。

　　 根据表1,结构的长期性能可分为3个时期:1)施工期(t₀):结构达到设计使用性能要求;2):诱导期(t₀～t₂):结构开始服役并开始受到环境侵蚀和应力作用,长期性能开始劣化但,在材料初始劣化阶段往往已经达到了脱钝、形成初始微裂缝、混凝土出现拉应力等现象,但不影响结构的正常使用。3)加速劣化期(t₂～t₄):加速劣化阶段的开始伴随着形成拉应力裂缝、疲劳主裂缝、锈蚀裂缝这些外观初始损伤极限状态。在结构加速劣化过程中,结构的性能不断劣化达到适用性极限从而产生适用性问题,进一步劣化达到安全性极限后产生安全问题,结构将不能安全正常使用。

　　 对于判断结构是否达到极限状态的具体指标,国内外结构规范 ^{[10,11,12,13,14,17,18,19,20]}中给出了一些规定。在环境侵蚀作用下的极限状态主要是根据腐蚀离子浓度、钢筋锈蚀程度、锈胀裂缝宽度和可靠度保证率进行划分,特别地,对于冻融作用从强度损失率、质量损失率、动弹性模量下降程度以及表面剥落物总质量进行判断 ^[11]。在反复荷载作用下,通常对承载能力极限状态进行疲劳验算,要求混凝土中应力小于疲劳强度设计值,受力纵筋的应力幅小于疲劳应力幅限值 ^[14],此外还可以通过疲劳损伤因子和疲劳循环次数进行限制 ^[19]。而对于长期荷载作用下的结构变形特性的限制则主要是从适用性角度考虑的正常使用极限状态,规定最大挠度限值和最大裂缝宽度限值。此外,CEB Design Guide ^[19]对混凝土中压应力过大可能导致纵向裂缝以及钢筋拉应力过大导致蠕变的情况进行考虑,给出应力限制的建议值。

　　 长期性能时变劣化规律的分析以及对极限状态的确定为分析结构的设计方法奠定了理论基础。

　　 自20世纪初至今,结构工程学科已经逐步形成了一套较为科学完整的理论与方法体系,就结构设计方面而言,先后经历了容许应力法、破损阶段法、极限状态设计法,并向着基于结构受力全过程分析、以精确概率为度量的结构整体可靠度设计方向发展 ^[21],全概率可靠度计算方法将成为未来结构设计领域的重要研究内容。

　　 目前,各国的现行钢筋混凝土结构设计规范主要采用基于概率理论的分项系数法,这种方法比容许应力法和破损阶段法更能保证结构的可靠性,但这种方法依旧存在着一定的缺陷,它是以满足结构承载能力与刚度条件为主要设计要求的方法,忽略了结构抗力的时变性,而且对环境作用的影响重视度不足,耐久性要求偏低。我国对混凝土结构耐久性的研究基本上已经形成一系列较为成熟的设计规范和评定标准 ^{[10,11,12,13]},通过控制混凝土材料的常规指标(混凝土强度等级、水泥用量、水灰比)和限定构造措施(保护层厚度)来满足设计要求,这种方法由于本身的局限性无法对于钢筋混凝土结构的真正使用寿命给予定量的预测与评价。相对于耐久性设计理论研究,结构的疲劳性能和徐变性能研究进展则较为缓慢。长期以来,疲劳破坏问题研究逐步形成了从试验研究到疲劳断裂力学分析,再到疲劳损伤力学分析的研究模式 ^[22],但由于混凝土和钢筋的疲劳性能因其材质差别、细观水平上的微小瑕疵、结构差异、荷载和环境影响而具有较大的离散型,损伤过程非常复杂,初始损伤难以表征,后期快速劣化过程难以把握,要建立精确的分析模型几乎不可能 ^[23]。此外,混凝土徐变性能劣化机理与模型的研究也具有很大的不确定性,已有的理论对徐变机理不能得出明确的结论 ^[24]。迄今为止,混凝土结构的疲劳和徐变劣化过程尚未形成普遍认可的损伤理论与损伤累积模型,距离形成一套完整的设计体系还有很长的路要走。

　　 基于概率的分项系数法是国际公认的结构可靠度设计方法,也是我国现行结构设计规范体系的重要基础。分项系数法的特点就是将极限状态方程中的环境作用和结构抗力分别用特征值代替,并且对这些参数的分项系数进行校核来保证结构可靠度达到目标可靠指标。

　　 对于滨海码头、大跨预应力桥梁、超高层建筑这类受到环境侵蚀以及反复荷载严重影响并对结构的强度、刚度有较高要求的建筑物,应当严格控制结构的疲劳损伤和变形程度,因此在设计中应当对长期性能进行综合考虑,设置长期性能分项系数。借鉴文献[25]中引入耐久性分项系数γ_D的思路,建立如下极限状态方程:

　　 $\frac{R{}_{\text{k}}}{\gamma {}_{\text{R}}f(\gamma {}_{\text{D}},\gamma {}_{\text{f}},\gamma {}_{\text{c}}\cdots )}=\gamma {}_0(\gamma {}_{\text{G}}G{}_{\text{k}}+\gamma {}_{\text{Q}}Q{}_{\text{k}})(1)$

　　 式中:γ₀为结构重要性系数;R_k为抗力标准值;G_k为恒荷载标准值效应;Q_k为活荷载标准值效应。γ_G,γ_Q,γ_R分别为恒载、活载和结构抗力的分项系数;γ_D为耐久性分项系数;γ_f为疲劳分项系数;γ_c为徐变分项系数;f(γ_D,γ_f,γ_c…)为考虑环境侵蚀、反复作用和持续作用等长期作用分项系数耦合关系的函数。

　　 长期作用对结构性能的削弱程度集中体现在长期性能分项系数的取值上,如何根据可靠度理论和工程实际确定合理的分项系数以及长期作用之间的耦合关系还有待进一步研究。

　　 分项系数法在分项系数的取值阶段就将结构性能的可靠度考虑在内,但直观上难以判断结构的可靠度大小,不能体现结构性能的时变性,并且无法应用于初始劣化极限状态这类不涉及受力分析的性能状态。全概率的设计思路可以较好地解决这些问题。全概率设计法是基于可靠度的精确概率设计方法,该方法对结构抗力、环境效应、几何尺寸等运用全概率的方法进行量化,这一点是与分项系数法的最大区别。基于极限状态表达式以及性能劣化模型建立的全概率设计公式能够考虑结构性能参数的时变性,并且根据目标失效概率的设定充分反映结构的可靠度大小。

　　 目前仅有欧洲规范fib Model Code 2010 ^[26]中给出了极限状态方程的全概率形式,包括由碳化、氯盐侵蚀引起的钢筋脱钝极限状态、混凝土锈蚀开裂、分层、剥落极限状态,以及有、无除冰盐条件下的冻融破坏极限状态。借鉴欧洲规范中的相关规定,长期性能的概率设计表达式可以写为:

　　 (1)概率形式:

　　 $p\{\}=p\{C{}_{\lim }-x(t<t{}_{\text{D}})<0\}\le {\rm P}{}_{\text{t}\text{a}\text{r}\text{g}\text{e}\text{t}}(2)$

　　 (2)使用寿命形式:

　　 $p(t{}_{\text{S}}<t{}_{\text{D}})\le {\rm P}{}_{\text{t}\text{a}\text{r}\text{g}\text{e}\text{t}}(3)$

　　 式中:p{ }为钢筋混凝土结构的失效概率;C_lim为设计对强度、变形、裂缝、腐蚀程度、腐蚀性离子浓度等规定的相应限值;t_D为设计使用寿命;P_target为目标失效概率;t_S为实际使用寿命;x(t<t_D)是对结构在使用寿命期t时刻的性能劣化程度的度量。

　　 全概率设计理论充分考虑了不确定性,将劣化模型中的全部参数看作是随时间变化的随机变量,通过其概率密度函数对结构的失效概率进行设计计算,精度更高、可靠度控制更方便,是理想的概率设计方法。但实际上,对每一个参数做到完全的概率度量是几乎不可能实现的,也不满足工程经济性要求。由于目前研究的深度不够,用于全概率分析的性能劣化时变机理与损伤模型未能统一,各项荷载、环境参数分布规律统计困难,极大阻碍了全概率设计方法在全国性统一规范中的应用。

　　 本文分析了混凝土结构长期性能的退化过程、极限状态和设计方法,认为在长期性能领域尚缺乏基础理论研究,以下4点研究方向是我国科研工作者的迫切任务:

　　 (1)结构性能退化理论与抗力衰减模型时变性研究:混凝土结构长期性能对时变性的强调要求各类长期作用影响下的性能衰退模型中体现时变参数,应当研究不同结构构件形式(梁、柱、板和结点)失效的演变过程和力学模型,归纳总结已有的多种性能退化模型,通过试验研究充分利用长期性能劣化过程中的相似性,寻找描述劣化过程的特征物理量,在此基础上建立相应的时变模型和计算公式。

　　 (2)多因素耦合作用下结构长期性能退化机制研究:在单一因素作用的性能退化研究的基础上,重点研究多因素的耦合作用机制、应力效应(长期效应和循环效应)对有害介质侵蚀过程的影响,以及钢筋锈蚀的不均匀性对疲劳损伤和构件徐变的影响。研究多因素作用下钢筋与混凝土界面裂缝发展机制和损伤规律,同时,混凝土构件横向裂缝与耐久性的关系也一直是学术界争论的问题,应进一步研究。

　　 (3)重大混凝土结构使用寿命期内性能失效极限状态研究:重大工程对长期服役过程中的挠度控制和裂缝控制有着严格规定,基于结构性能设计思想建立耐久性、延性、抗疲劳性能、抗连续倒塌性、舒适性以及可持续性等多指标综合设计体系。针对工程实际,应在结构寿命周期内设置不同的性能极限状态以满足不同结构的特殊要求。

　　 (4)基于精确概率理论的结构长期性能实用设计理论研究:实际工程中会遇到大量随机的、模糊的以及不完善的信息,应使用概率统计方法对材料、环境和荷载的随机性进行度量,建立精确概率(全概率)的极限状态表达式,根据目标可靠度指标校核设计参数,编制高效、便捷、实用的设计软件推动混凝土结构长期性能整体可靠度设计方法的普及。

　　 除了上述基础理论研究外,还有混凝土结构长期性能的动态评估、寿命预测、提升技术等关键问题亟待解决,这对于建立混凝土结构长期性能理论与应用体系具有重要意义。