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混凝土结构耐久性检测、评定及优化设计方法

张苑竹  
【摘要】: 钢筋混凝土结构是土木工程中应用最为广泛的一种结构形式。近年来钢筋混凝土结构的耐久性失效已逐渐成为困扰土建工程界的一个世界性问题。本文按照对旧有建筑物进行现场检测→承载力分析→可靠性鉴定→剩余寿命评估,以及对新建建筑物进行耐久性优化设计的思路,研究了钢筋混凝土结构耐久性的若干问题。主要完成了以下的工作: (1)通过对浙东沿海地区高桩码头使用情况的现场调查,分析了码头的破损类型、原因和特点,提出提高码头耐久性的方法和措施。为今后的改进设计、维修和加固提供了科学依据。 (2)为了充分利用钻芯法和回弹法这两种常用混凝土测强方法的特点,建立模糊神经网络来综合评定结构的混凝土强度。模糊神经网络具有很强的自学习、泛化和模糊逻辑推理功能,可以有效地映射出训练数据之间复杂的非线性关系。通过对已有的钻芯、回弹试验数据的对比计算,其强度预测精度高于常规的综合方法。 (3)基于Fick第一、第二扩散定律,提出了一种简单而可靠的推算氯离子含量的方法。该方法考虑了混凝土对氯离子的线性固化,以及氯离子扩散系数在服役期间的时变性。通过对自然环境中混凝土试件的现场氯离子浓度试验的算例分析发现,混凝土中的氯离子浓度随服役时间增加而增加,随扩散深度的增加而减少。氯离子扩散系数是一个随时间、扩散深度和氯离子浓度变化的变量。 (4)建立了考虑锈蚀钢筋截面面积减小、力学性能下降以及混凝土与钢筋之间粘结性能退化的非线性模型。采用有限元方法分析了锈蚀钢筋混凝土梁承载能力和破坏类型的变化规律。研究表明,锈蚀受弯梁的强度、刚度和延性随着锈蚀率的增加而减少。对配箍率较小的锈蚀梁,其破坏形态可能从受弯破坏转变为受剪破坏。 (5)分别采用不考虑混凝土与锈蚀钢筋之间粘结力减弱的简化方法和利用非线性分析结果的响应面方法计算锈蚀钢筋混凝土结构的时变可靠度,研究了氯离子侵蚀速率、钢筋锈蚀率对结构可靠度的影响,并分析比较了这两种可靠度计算方法的适用范围和计算差异,为混凝土结构基于可靠度的耐久性鉴定提供了实用判别方法。对尚能继续服役使用的结构,采用模糊神经网络方法预测结构抗力的变化规律,并对结构进行了剩余使用寿命评估。 (6)对允许钢筋少量锈蚀的混凝土梁构件,根据结构安全、适用、耐久三方面的要求,建立了基于可靠度的耐久性优化模型,并利用遗传算法对其进行优化计算。研究了结构耐久性与气候、使用环境、养护时间的关系,以及估算失效费用对结构成本的影响。


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