基于ANSYS的混凝土结构碳化过程数值模拟分析

【摘要】：碳化能引起混凝土结构中的钢筋锈蚀,混凝土保护层开裂甚至剥落,对结构安全带来严重的隐患。碳化对结构的影响始终是混凝土结构耐久性研究的重点问题之一 混凝土碳化过程包括CO2在混凝土的扩散过程,CO2与混凝土中可碳化物质的反应过程,再加上混凝土本身条件和外部环境等众多影响因素对碳化的影响,使混凝土碳化过程变的非常复杂。 本文基于混凝土结构碳化机理,根据质量守恒定律,推导出了混凝土结构碳化过程的控制方程,并基于有限元原理,应用变分法对碳化过程控制方程进行了数值求解分析,得到了CO2扩散系数矩阵、形函数矩阵和碳化反应矩阵,确定了有限元数值求解的基本过程。CO2扩散系数和碳化反应速率是混凝土碳化过程的两个重要影响因素。本文基于碳化过程的偏微分方程,对影响CO2扩散系数和碳化反应速率的外部环境温度,湿度,及CO2浓度等因素进行了讨论,形成了确定CO2扩散系数和碳化反应速率的计算公式。 本文在分析了混凝土结构碳化过程和热传导过程相似性的基础上,通过参数转化,APDL编程,采用ANSYS的热分析模块对碳化过程进行了计算机模拟仿真,并基于试验结果进行了模型校准。根据所建立的计算模型,对混凝土碳化过程各影响因素进行了参数敏感性分析。从分析结果可以看出,温度、湿度和CO2浓度对混凝土的碳化有明显影响,而湿度、浓度对混凝土碳化的影响最为敏感。 根据本文所形成的数值分析计算体系,作者以混凝土T型截面梁为例,对处于不同地区环境中的混凝土结构碳化过程进行了分析,获得了与实际情况较为符合的碳化发展规律；对处于碳化环境中的不同的T型截面角部构造进行了数值分析,获得了圆形角部构造较为对抵抗碳化有利的结果。 本文工作表明,基于混凝土结构碳化过程的控制方程,通过深入研究CO2扩散系数和碳化反应速率的变化规律,能够实现混凝土结构碳化过程的计算机数值仿真,由此为混凝土结构耐久性研究提供研究手段。