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可靠度随机有限元法研究氯盐环境中混凝土结构的服役寿命

胡春燕  
【摘要】:在氯盐环境中,氯离子侵入是造成钢筋锈蚀引起混凝土保护层剥落最终导致混凝土结构破坏的主要原因之一,考虑混凝土结构材料参数以及环境参数的随机性,建立预测氯盐环境下混凝土结构耐久性服役寿命的概率分析方法可以更准确地评估实际工程中混凝土结构的服役寿命。本文研究建立了基于氯离子扩散系数及表面氯离子浓度的时变特性的摄动随机有限元法,同时基于可靠度理论,建立了混凝土结构服役寿命预测的可靠度分析方法。 本文主要的研究工作及结论有: 1.基于非均匀介质的氯离子扩散方程,用局部平均法离散随机场,建立了基于摄动随机变分原理的摄动随机有限元法。并对二维扩散情况下混凝土中氯离子浓度的分布规律,以及扩散过程中的相关参数的敏感性进行了分析,结果表明,氯离子二维随机扩散的摄动随机有限元法对随机场的相关结构及时间步长不敏感的特性,以及随着随机场变异系数的增大,氯离子浓度的均值几乎不变,而变异系数逐渐增大。 2.引入氯离子扩散系数及表面氯离子浓度的时变特性,通过正态分布随机场描述混凝土中氯离子扩散系数的随机特性,建立了基于时变扩散系数和边界条件的摄动随机有限元法,并推导了氯离子浓度的均值和标准差的计算表达式。通过与试验值及Monte Calo法的比较,验证了本文建立的数值模型具有较高的计算精度和效率。分析表明,氯离子扩散系数的随机变异性对混凝土中氯离子浓度的变异性有着显著的影响,考虑氯离子扩散系数的时变特性能够更准确地反映混凝土抗氯离子侵入和扩散的能力,且氯离子的二维扩散过程更能反映工程实际情况,而对于长期服役的混凝土结构,可以忽略其表面氯离子浓度时变性的影响。 3.基于可靠度理论,在考虑了氯离子扩散系数的随机时变特性的基础上,建立了氯盐环境中混凝土结构服役寿命评估的可靠度随机有限元法。表明不考虑氯离子扩散系数的随机性将高估混凝土结构的耐久性能;而不考虑氯离子扩散系数的时变性会低估混凝土结构的服役寿命。 4.对氯离子扩散的解析模型中的反误差函数进行拟合,建立了直接预测混凝土结构服役寿命的解析拟合模型;通过有限元数值模型计算暴露早期混凝土结构中保护层厚度处的氯离子浓度,引入生命生长“S”形曲线,拟合建立氯离子浓度—时间计算模型,提出有别于试算氯离子达到阀值浓度判别方式的混凝土结构服役寿命快速预测方法,能较准确地估算出混凝土结构的服役寿命。


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