氯盐环境下混凝土结构耐久性定量设计理论研究

摘要

受氯盐环境作用的影响，混凝土结构往往在远少于设计使用年限时就发生钢筋锈蚀、混凝土开裂等耐久性破坏。由于结构几何尺寸、材料特性和环境条件等因素具有随机性，加剧了混凝土结构耐久性分析和设计的复杂性。因此，本论文在Fick第二定律的基础上采用集中浓度矩阵建立了常扩散和时变扩散系数下混凝土结构耐久性定量分析方法;进而考虑参数的随机性，引入基于齐次基向量展开的Krylov随机有限元法，建立大变异系统的Krylov随机扩散有限元分析方法(简称KSFEM);基于氯离子扩散场补偿理论建立了混凝土结构的耐久性控制区模型，通过控制区的计算分析模型定量确定混凝土结构耐久性设计的三参数;最后基于可靠度理论确定随机变量的分项系数，据此结合耐久性设计三参数模型的概率极限状态表达式确定耐久性参数的设计值。上述关于氯盐环境下混凝土结构的耐久性定量分析与设计理论，对于提高混凝土结构抗氯盐腐蚀能力并满足预定服役寿命，具有重要的工程意义和学术研究价值。本文主要的研究工作和结论有:
　　(1)基于Fick第二定律和集中浓度矩阵，建立了常扩散系数和时变扩散系数下混凝土结构耐久性确定性分析方法，克服了一致浓度矩阵造成的计算结果振荡、甚至出现负值等不合理现象，通过算例分析验证了本文方法具有较高的计算精度和计算效率，同时计算结果比较稳定。研究表明，忽略氯离子扩散系数的时变性，将使得混凝土结构的耐久性分析结果偏于保守。
　　(2)在大变异随机系统中，引入基于齐次基向量展开的Krylov随机有限元法，在零均值随机扩散方程的基础上，推导了随机扩散基向量，进而采用伽辽金加权余量法建立了氯盐环境下混凝土结构耐久性概率分析的KSFEM，推导了KSFEM刚度方程对角元素和氯离子浓度响应量均值和协方差的显性表达式。研究结果表明:所建立的氯离子随机扩散KSFEM适用于混凝土结构耐久性的概率分析，具有较高的计算精度;避免了谱随机有限元法的扩阶问题和摄动随机有限元法小变异系数假定的局限性，减少了减缩基随机有限元法多重循环导致的计算效率低等问题，能够取得更高的收敛速度。
　　(3)基于混凝土的氯离子扩散场补偿理论，建立了混凝土结构的耐久性控制区分析模型，进而建立了混凝土结构耐久性定量设计的三参数模型，提出了氯盐环境下混凝土结构耐久性定量设计方法。工程应用表明:混凝土结构耐久性控制区模型具有较高的计算精度和效率，能够快捷、准确地分析混凝土结构中氯离子扩散过程和浓度分布规律;混凝土结构耐久性定量设计方法能够通过定量分析确定混凝土结构的耐久性设计参数，有效克服了现行耐久性设计方法由于缺少定量设计模型导致的问题。
　　(4)基于混凝土结构的可靠度及敏感性分析理论，通过目标可靠指标确定了随机变量的分项系数，结合耐久性定量设计的三参数模型，建立了氯盐环境下混凝土结构概率耐久性定量设计计算模型和设计方法。研究结果表明:忽视参数的随机性，将高估混凝土结构的服役寿命;本文所建立的混凝土结构概率耐久性定量设计方法，较好地反映了混凝土结构的几何外形、环境作用等级、材料参数等因素的随机性对混凝土结构耐久性和服役寿命的影响，相比传统的耐久性设计方法具有较好的优越性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 氯盐环境下混凝土结构的耐久性分析研究现状

1．2．1 混凝土结构的确定性耐久性分析

1．2．2 混凝土结构的概率耐久性分析

1．3 氯盐环境下混凝土结构的耐久性设计研究现状

1．3．1 混凝土结构的确定性耐久性设计

1．3．2 混凝土结构的概率耐久性设计

1．4 选题意义及主要研究内容

1．4．1 课题来源

1．4．2 研究意义

1．4．3 技术路线及主要研究内容

1．4．4 拟解决的关键问题和主要创新点

参考文献

第二章 氯盐环境下混凝土结构耐久性分析

2．1 概述

2．2 混凝土中氯离子扩散模型

2．2．1 氯离子扩散的Fick第二定律

2．2．2 混凝土的氯离子扩散系数

2．2．3 龄期衰减系数

2．3 混凝土结构耐久性分析

2．3．1 解析分析

2．3．2 基于集中浓度矩阵的直接积分法分析

2．3．3 集中浓度矩阵的精细积分有限元法分析

2．3．4 算例分析

2．4 扩散系数时变性对混凝土结构耐久性的影响

2．4．1 氯离子时变扩散和浓度分布的解析分析

2．4．2 氯离子时变扩散和浓度分布的有限元法分析

2．4．3 算例分析

2．5 小结

参考文献

第三章 氯盐环境下混凝土结构耐久性的概率分析

3．1 概述

3．2 小变异情况下混凝土结构的概率耐久性分析

3．2．1 基于局部平均离散的PSFEM

3．2．2 基于K-L级数离散的PSFEM

3．2．3 算例分析

3．3 大变异系统的Krylov随机有限元法

3．3．1 齐次基向量

3．3．2 随机变分原理与随机有限元法

3．3．3 对角元素的显性表达式

3．3．4 响应量的均值和协方差

3．3．5 算例分析

3．4 大变异情况下混凝土结构的概率耐久性分析

3．4．1 浓度向量的基向量展开与表出

3．4．2 氯离子扩散的Krolv随机有限元法

3．4．3 Krolv随机刚度方程元素的显性表达式

3．4．4 节点浓度均值和协方差的显式表达

3．4．5 算例分析

3．5 小结

参考文献

第四章 氯盐环境下混凝土结构耐久性的确定性定量设计

4．1 概述

4．2 混凝土结构的耐久性控制区

4．2．1 混凝土的氯离子扩散场补偿理论

4．2．2 混凝土结构的耐久性控制区

4．2．3 算例分析

4．3 混凝土结构的耐久性定量设计方法

4．3．1 环境作用等级

4．3．2 耐久性计算模型

4．3．3 耐久性定量设计的三参数模型

4．3．4 带裂缝混凝土结构的耐久性定量设计

4．3．5 算例分析

4．4 地铁工程应用

1 工程概况

2 基本参数取值

3 耐久性控制区

4 耐久性设计参数

5 有效性验证

4．5 小结

参考文献

第五章 氯盐环境下混凝土结构耐久性的概率定量设计

5．1 概述

5．2 氯盐环境下混凝土结构的可靠度及敏感性分析

5．2．1 基于随机抽样技术的混凝土结构可靠度分析

5．2．2 混凝土结构耐久性的一次可靠度分析

5．2．3 基于随机有限元的混凝土结构可靠度分析

5．2．4 氯盐环境下混凝土结构可靠度的敏感性分析

5．2．5 算例分析

5．3 基于可靠度理论的混凝土结构耐久性概率定量设计

5．3．1 基于可靠度的耐久性定量设计基本原理

5．3．2 概率耐久性设计的目标可靠指标

5．3．3 耐久性设计参数的标准值与分项系数

5．3．4 混凝土结构的概率耐久性设计

5．4 港口工程应用

1 工程概况

2 极限状态及功能函数

3 基本参数特征值

4 耐久性控制区计算模型

5 结构概率耐久性设计参数

6 与现行耐久性设计规范的对比分析

5．5 小结

参考文献

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 研究展望

致谢

附录

攻读学位期间论文发表情况

攻读学位期间发明专利和软件申请情况

攻读学位期间参与的科研项目