氯鹽環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性定量設(shè)計理論研究.pdf

1、受氯鹽環(huán)境作用的影響，混凝土結(jié)構(gòu)往往在遠少于設(shè)計使用年限時就發(fā)生鋼筋銹蝕、混凝土開裂等耐久性破壞。由于結(jié)構(gòu)幾何尺寸、材料特性和環(huán)境條件等因素具有隨機性，加劇了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性分析和設(shè)計的復(fù)雜性。因此，本論文在Fick第二定律的基礎(chǔ)上采用集中濃度矩陣建立了常擴散和時變擴散系數(shù)下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性定量分析方法;進而考慮參數(shù)的隨機性，引入基于齊次基向量展開的Krylov隨機有限元法，建立大變異系統(tǒng)的Krylov隨機擴散有限元分析方法(簡稱KSF

2、EM);基于氯離子擴散場補償理論建立了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性控制區(qū)模型，通過控制區(qū)的計算分析模型定量確定混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的三參數(shù);最后基于可靠度理論確定隨機變量的分項系數(shù)，據(jù)此結(jié)合耐久性設(shè)計三參數(shù)模型的概率極限狀態(tài)表達式確定耐久性參數(shù)的設(shè)計值。上述關(guān)于氯鹽環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性定量分析與設(shè)計理論，對于提高混凝土結(jié)構(gòu)抗氯鹽腐蝕能力并滿足預(yù)定服役壽命，具有重要的工程意義和學(xué)術(shù)研究價值。本文主要的研究工作和結(jié)論有:
　　(1)基于Fi

3、ck第二定律和集中濃度矩陣，建立了常擴散系數(shù)和時變擴散系數(shù)下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性確定性分析方法，克服了一致濃度矩陣造成的計算結(jié)果振蕩、甚至出現(xiàn)負(fù)值等不合理現(xiàn)象，通過算例分析驗證了本文方法具有較高的計算精度和計算效率，同時計算結(jié)果比較穩(wěn)定。研究表明，忽略氯離子擴散系數(shù)的時變性，將使得混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性分析結(jié)果偏于保守。
　　(2)在大變異隨機系統(tǒng)中，引入基于齊次基向量展開的Krylov隨機有限元法，在零均值隨機擴散方程的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了隨

4、機擴散基向量，進而采用伽遼金加權(quán)余量法建立了氯鹽環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概率分析的KSFEM，推導(dǎo)了KSFEM剛度方程對角元素和氯離子濃度響應(yīng)量均值和協(xié)方差的顯性表達式。研究結(jié)果表明:所建立的氯離子隨機擴散KSFEM適用于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的概率分析，具有較高的計算精度;避免了譜隨機有限元法的擴階問題和攝動隨機有限元法小變異系數(shù)假定的局限性，減少了減縮基隨機有限元法多重循環(huán)導(dǎo)致的計算效率低等問題，能夠取得更高的收斂速度。
　　(3)基

5、于混凝土的氯離子擴散場補償理論，建立了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性控制區(qū)分析模型，進而建立了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性定量設(shè)計的三參數(shù)模型，提出了氯鹽環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性定量設(shè)計方法。工程應(yīng)用表明:混凝土結(jié)構(gòu)耐久性控制區(qū)模型具有較高的計算精度和效率，能夠快捷、準(zhǔn)確地分析混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子擴散過程和濃度分布規(guī)律;混凝土結(jié)構(gòu)耐久性定量設(shè)計方法能夠通過定量分析確定混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計參數(shù)，有效克服了現(xiàn)行耐久性設(shè)計方法由于缺少定量設(shè)計模型導(dǎo)致的問題。
　

6、　(4)基于混凝土結(jié)構(gòu)的可靠度及敏感性分析理論，通過目標(biāo)可靠指標(biāo)確定了隨機變量的分項系數(shù)，結(jié)合耐久性定量設(shè)計的三參數(shù)模型，建立了氯鹽環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)概率耐久性定量設(shè)計計算模型和設(shè)計方法。研究結(jié)果表明:忽視參數(shù)的隨機性，將高估混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命;本文所建立的混凝土結(jié)構(gòu)概率耐久性定量設(shè)計方法，較好地反映了混凝土結(jié)構(gòu)的幾何外形、環(huán)境作用等級、材料參數(shù)等因素的隨機性對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和服役壽命的影響，相比傳統(tǒng)的耐久性設(shè)計方法具有較好的優(yōu)越性。