硫酸盐侵蚀下混凝土应力效应数值分析

摘要

环境因素所引起的化学作用是导致混凝土材料耐久性退化、混凝土结构提前失效和工程结构服役寿命缩短的重要原因之一。硫酸盐侵蚀是引起混凝土耐久性损伤的环境因素之一，它所引起的混凝土损伤破坏机理是环境硫酸根离子渗入混凝土内部与其组分发生化学反应生成具有膨胀性的侵蚀晶体，从而在混凝土内产生体积膨胀而形成应力效应。建立硫酸盐侵蚀下混凝土应力效应的计算方法对于分析混凝土材料性能退化规律及开展工程结构耐久性设计是十分必要的。本文围绕硫酸盐侵蚀下的混凝土耐久性力学问题，通过理论建模、数值模拟，分析硫酸盐侵蚀引起的混凝土应力效应变化规律。主要内容及结论如下:
　　(1)根据硫酸根离子在混凝土中的扩散反应规律，基于Fick定律和反应动力学方程，膨胀产物以钙矾石为例，建立在硫酸盐侵蚀下混凝土内体积膨胀应变的计算公式。
　　(2)基于弹性力学变分原理及有限元方法中的Galerkin法，根据硫酸盐侵蚀过程中钙矾石引起的混凝土体积膨胀特征，建立了硫酸盐侵蚀下混凝土应力效应分析的平面问题基本方程及其弱形式，并在此基础上获得了硫酸盐侵蚀下混凝土应力效应分析的有限元基本方程。
　　(3)应用无网格径向基插值方法，建立了混凝土受硫酸盐侵蚀作用下应力应变分析有限元基本方程的求解方法，给出了相应的无网格方法求解格式，并在此基础上，利用Matlab语言编制了一套二维静力无网格方法的计算分析程序，该程序可用以分析硫酸盐侵蚀下混凝土受膨胀体积应变作用的宏观应力效应。
　　(4)利用所编制的计算机程序，分析了浸泡在硫酸钠溶液中至某一时刻后的混凝土构件截面应力效应，结果表明，混凝土受到硫酸盐侵蚀产生的应变在混凝土构件截面边缘较大，在离截面边缘较远区较小;混凝土受到硫酸盐侵蚀产生的应力在混凝土截面角点附近受拉，在截面边缘及内部受压，且内部压应力大于边缘附近压应力。该计算结果对评价膨胀性产物生成所导致的混凝土构件损伤失效分析具有重要参考价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及研究意义

1．2 硫酸盐侵蚀混凝土的研究现状

1．2．1 硫酸盐侵蚀机理

1．2．2 混凝土在硫酸盐侵蚀下空隙的结晶应力研究

1．2．3 硫酸盐侵蚀下混凝土力学性能研究

1．3 无网格方法研究现状

1．4 本文的主要研究内容

2 基于扩散反应的混凝土内膨胀应变计算

2．1 引言

2．2 模型描述

2．2．1 扩散反应方程

2．2．2 混凝土中硫酸根离子的扩散系数

2．2．3 孔隙率

2．2．4 曲折度

2．2．5 混凝土硫酸盐侵蚀化学反应

2．2．6 化学反应动力学方程

2．2．7 混凝土膨胀体积应变

2．3 本章小结

3 硫酸盐侵蚀下混凝土应力分析的基本方程

3．1 引言

3．2 硫酸盐侵蚀下混凝土应力分析基本方程

3．3 硫酸盐侵蚀下混凝土应力有限元分析模型

3．3．1 加权余量法

3．3．2 基于Galerkin法的有限元基本方程

3．4 本章小结

4 基于无网格方法的基本方程求解

4．1 引言

4．2 基于全局弱式的无网格径向基插值方法

4．2．1 径向基点插值法(RPIM)形函数

4．2．2 无网格径向基插值法的实现

4．2．3 位移边界条件的施加

4．3 设计无网格径向基插值法程序

4．4 本章小结

5 硫酸盐侵蚀下混凝土应力效应数值分析算例

5．1 引言

5．2 数值分析

5．2．1 模型及边界条件

5．2．2 程序计算参数的选取

5．2．3 计算结果分析

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 工作展望

致谢

附录

A．基于无网格法混凝土应力效应计算部分程序

参考文献