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现代预应力结构耐久性分析及数值试验研究

陆春华  
【摘要】:现代预应力混凝土结构以其优越的性能广泛地应用于土木、建筑、水利和交通工程等各个领域。与其它结构一样,预应力混凝土结构长期在侵蚀环境作用下也会出现耐久性失效。但是,目前国内外对预应力混凝土结构耐久性基础理论及其设计方法的研究不多,相关方面的计算机仿真数值试验研究则更是少见。为此,本文在国家自然科学基金以及江苏省自然科学基金的联合资助下,对预应力混凝土结构的耐久性及其数值试验方面进行了研究。 本文首先分析了预应力混凝土结构耐久性失效的特点,介绍了国内外关于混凝土结构耐久性研究的概况;随后阐述了开展预应力结构耐久性研究的重要性和意义,对混凝土结构耐久性的相关概念和规定进行了说明,并列出了本文的主要研究工作。 一般大气环境中,混凝土碳化是引起力筋脱钝和发生锈蚀的首要原因。在课题组已做应力状态下构件快速碳化试验的基础上,并结合最新研究成果,建立了一个用混凝土应力水平反映应力状态影响的碳化深度预测数学模型,该模型能较好符合实际工程情况。根据预应力结构耐久性失效的特点,文中提出了碳化作用下结构耐久性极限状态的标志,并借助结构可靠度理论进行了结构耐久性可靠度分析和耐久寿命预测。同时,考虑到碳化过程的复杂性,提出用人工神经网络对应力状态下的混凝土碳化深度进行仿真数值试验,分别建立了BP、RBF和GRNN网络模型,并用MATLAB神经网络工具箱进行了三种网络的训练、仿真和预测。分析结果表明,人工神经网络是一种切实可行的混凝土碳化深度预测分析方法。 对于海洋和近海环境以及除冰盐环境中的预应力结构而言,氯化物侵蚀是引起力筋锈蚀的主要原因。在课题组已做应力状态下盐雾侵蚀试验基础上,并结合最新研究成果,同样用混凝土应力水平反映应力状态的影响,建立了预应力混凝土中氯离子侵入预测数学模型。根据预应力结构主筋应力腐蚀和结构失效的特点,提出了氯盐侵蚀下预应力结构耐久性极限状态的标志,并借助结构可靠度理论进行了结构可靠性分析和耐久寿命预测。最后,考虑到构件表面氯离子浓度以及混凝土氯离子扩散速度随时间变化的特性,采用FEMLAB有限元软件中的Diffusion模块对氯离子扩散过程进行数值模拟,为分析近海和除冰盐环境下结构混凝土中氯离子浓度分布提出了一种新的预测方法。 预应力结构耐久性研究的最终目的是进行新建预应力结构的耐久性设计和服役结构的耐久性评估。结合现有研究成果,在明确环境作用等级以及结构构件设计使用年限的基础上,文中阐述了预应力结构耐久性设计的主要内容,并提出了一种以结构耐久性能和可靠度理论为基础的预应力结构耐久性设计方法,该方法与现行结构承载力设计的可靠度设计方法相似,采用分项系数(安全系数)来反映可靠指标。最后,介绍了提高预应力结构构件耐久性的措施和改善结构整体耐久性的主要途径。


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