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氯盐环境混凝土结构服役寿命及敏感性分析方法研究

蒋琼明  
【摘要】:混凝土结构的耐久性能是目前亟需解决的工程问题。其中受氯盐侵蚀造成钢筋腐蚀是导致混凝土结构产生耐久性问题的一个主要原因,建立合理的氯离子扩散模型研究氯离子在混凝土中的扩散规律是对氯盐环境下混凝土结构耐久性和服役寿命进行分析和预测的关键。受氯盐环境作用的混凝土结构往往在未达到设计使用年限之前就发生钢筋锈蚀、混凝土开裂等耐久性破坏。导致这一结果的原因之一是结构自身的材料特性和环境条件等因素具有随机性,使得混凝土结构耐久性分析和设计具有相当的复杂性。所以,本文通过建立格式更简单,具有更高计算效率的全时域初值推进的随机边界元法,考虑混凝土结构保护层厚度,边界条件和混凝土材料特性等因素的随机特性,通过可靠度方法对氯盐环境下混凝土的服役寿命进行分析预测。同时为了分析随机参数对可靠度及服役寿命的影响程度,建立了基于全微分的可靠度和服役寿命敏感系数,能够由敏感系数的值而直接计算多个随机参数变异性发生改变后的可靠指标值,避免了传统敏感性分析中重复的可靠度计算。本文主要的研究工作和结论有:(1)建立了混凝土中氯离子扩散分析的全时域初值推进边界元法,与分时段逐步推进边界元法相比,全时域初值推进边界元法可以消除氯离子扩散域内的积分项,避免域内离散,不仅简化了计算格式,而且提高了迭代过程的稳定性和计算结果的精度,减少了计算耗时。(2)考虑参数的随机性建立了氯盐侵蚀下混凝土结构中氯离子扩散分析的随机边界元法。并考虑到混凝土材料参数的空间变异性,建立了非线性随机边界元法,克服了传统随机边界元方法中对随机参数采用“先忽略后引入”造成的计算误差。(3)基于一次可靠度法的可靠指标定义,推导了氯盐侵蚀下混凝土结构服役寿命的解析表达式,进而基于验算点的简化确定原则,获得了混凝土结构服役寿命的实用计算表达式。(4)基于全微分建立了可靠度对参数均值和变异性的敏感系数,该敏感系数反映了随机变量均值和标准差的相对改变量对可靠指标相对改变量的影响,具有明确的物理意义,且是无量纲参数,克服了传统敏感系数由于量纲不统一而造成的难以对各参数敏感系数进行比较的不足。(5)建立了服役寿命对参数均值和变异性的敏感系数,首次建立了服役寿命与参数敏感性的直接联系,该敏感系数同时也克服了传统敏感系数不能将确定性参数与随机参数比较敏感性大小的缺陷。(6)基于线性极限状态方程建立了基于多随机变量的可靠度敏感系数。通过该敏感系数能直接计算得到多个随机变量的变异性发生改变后可靠度的值。


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