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基于概率方法的西部地区混凝土结构材料服役寿命预测

朱彬荣  
【摘要】:中国西部地区拥有广袤的盐渍土区域,盐渍土以及当地严酷的环境对混凝土结构的耐久性及服役寿命造成严重的威胁。服役寿命是混凝土结构工程的一个重要指标,提高混凝土结构工程的服役寿命是最有效的节能减排,因此研究西部地区特定环境下的混凝土结构材料服役寿命预测具有十分重要的理论意义和实际应用价值。本文在国家自然科学基金“西部盐渍土地区基于硫酸盐腐蚀的混凝土耐久性寿命预测研究”的资助下,结合“氯盐与硫酸盐强腐蚀环境下兰州地铁结构混凝土耐久性设计研究”项目,以西部地区基础工程建设中的混凝土结构材料为研究对象,采用经过优化配合比的混凝土以及兰州地铁工程实际用钢筋混凝土,揭示混凝土结构材料在西部地区服役过程中的损伤过程。考虑在实际环境中的多退化因素及其不确定性,从无损检测入手,利用收集的试验数据,将多退化因素作为随机变量来处理,应用概率方法重点研究了混凝土结构材料的服役寿命预测问题,以期为西部地区新建混凝土结构工程耐久性设计提供指导及既有结构的寿命预估提供试验基础与科学判据。完成以下主要研究工作并取得相应成果:1、设计了室内模拟西宁地区气候环境进行的混凝土加速寿命试验的试验方案,该方案综合了多方因素,特别考虑了西宁地区强太阳辐射的气候因素。应用随机方法,威布尔分布和对数正态分布,分别给出了采用威布尔分布函数和对数正态分布函数得到的混凝土试件加速寿命可靠度函数和密度函数,并对二者预测模型的精确性做了比较。最后对混凝土结构材料进行了耐久性可靠性评估。2、设计了混凝土试件在西宁典型盐渍土地区的现场暴露试验的试验方案,选取质量损失和超声声速作为混凝土在现场环境下服役全过程中关键的退化因素。考虑各因素之间的退化相关关系,提出了一种基于Copula函数的多退化因素概率寿命预测方法。分析结果表明,利用该方法可以比较有效地描述混凝土多退化因素间的关系,从而提高寿命预测的精确性。3、设计了兰州地铁钢筋混凝土加速寿命试验的试验方案,针对兰州地铁自身工程情况,加速方式采用恒电流加速钢筋锈蚀,以喷洒有复合盐溶液的湿沙作为电解质。进行了加速寿命试验,应用电化学技术收集了一定量的加速寿命数据,得到了兰州地铁钢筋混凝土失效的临界腐蚀电流密度。分别采用线性模型及指数模型对每一时间点对应的数据平均值进行拟合,建立了基于Wiener随机过程的钢筋混凝土退化量(腐蚀电流密度)退化可靠性模型,对钢筋混凝土试件的加速寿命进行了预测,结果表明了该方法的有效性。4、设计了兰州地铁钢筋混凝土模拟工程现场环境的耐久性试验的试验方案,选取超声声速及腐蚀电流密度作为钢筋混凝土试件在服役过程中关键的退化因素。应用不同概率方法,确定了各单退化因素下钢筋混凝土服役寿命的边缘分布。然后,通过Copula函数建立了退化因素之间的相关关系,将得到的服役寿命的边缘分布进行融合,最终得到了钢筋混凝土服役寿命的联合分布函数。对钢筋混凝土试件服役寿命进行了预测,表明了该方法的有效性。


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