基于相对信息多重环境时间相似理论及混凝土耐久性应用

摘要

耐久性是混凝土结构的基本性能，是结构可靠性的重要组成部分。如何确定和评价混凝土结构的寿命则是混凝土结构耐久性的重要问题。目前，混凝土结构的寿命评估主要是依据理论模型和耐久性试验来获得的，而由混凝土耐久性理论模型和试验所获得的信息尚不能完全反映真实环境下混凝土结构的所有信息。建立耐久性理论模型和试验与真实结构的相似关系是保障寿命评价的关键。本文拟在混凝土结构耐久性的多重环境时间相似理论（Multi-environmental time similaritytheory，METS）基础上，运用信息理论和相对信息概念，对混凝土结构耐久性寿命评估理论模型和试验的信息不完备性和结果的真实性进行了深入系统的研究，提出了基于相对信息多重环境时间相似理论（Multi-environmental time similaritytheory based on relative information，RI-METS），不仅完善了混凝土结构耐久性评估理论体系，而且丰富和发展了工程结构可靠性的不确定性分析方法。具体研究内容如下:
　　(1)为了将耐久性理论模型和试验的信息用于自然环境下混凝土结构中，在METS的基础上，建立基于相对信息多重环境时间相似理论。为扩展METS理论的应用范围，解决METS理论不能处理多信息源、多观察路径的问题，提出METS路径的概念，并将METS路径分为METS(1;1)型、METS(i;1)型、METS(1;j)型和METS(i;j)型4种类型。为了解决METS理论信息相对性的问题，采用相对信息熵来表征信息的相对性。语法信息熵和语义信息熵是观察者观察系统获得的相对信息熵的2个维度，分别采用Shannon信息熵和模糊熵来计算。采用闵氏观察角的双曲正切函数来表征观察者效应。采用各METS路径闵氏观察角来对各METS路径进行信息融合。为了使观察者可以从各条METS路径中选择最优路径做决策，采用效用度函数来评价METS路径的信息有效性。
　　(2)在没有实测数据或加速耐久性试验数据的情况下，结构工程师可依据已有的规范进行耐久性设计和寿命评估。为了全面的获取已有规范的信息，总结中国、欧洲和美国的相关规范，从指定设计法、避免劣化法、基于性能和可靠度的设计方法3方面构建和描述设计规范系统。为了统一不同规范所划分的环境，建立了中欧美规范关于自然环境对照表，将自然环境细分为5大类21种。
　　(3)为了在一般大气环境下建立耐久性理论模型和试验与真实结构的相似关系，建立一般大气环境下的RI-METS理论，给出一般大气环境下各变量的相似率、相似准数公式以及相对信息熵计算公式。选择混凝土碳化深度达到保护层厚度作为一般大气环境下的耐久性极限状态。考虑一般大气环境功能函数ZⅠ语义的模糊性，基于部分碳化区长度建立功能函数ZⅠ的隶属函数。给出RI-METS理论在一般大气环境下混凝土结构耐久性中的应用算例。
　　(4)为了在冻融环境下建立耐久性理论模型和试验与真实结构的相似关系，建立冻融环境下的RI-METS理论，给出冻融环境下各变量的相似率、相似准数公式以及相对信息熵计算公式。给出了冻融环境下的METS路径及相对信息熵计算公式。选择冻融疲劳损伤达到临界冻融疲劳损伤作为冻融环境下的耐久性极限状态。考虑冻融环境功能函数ZⅡ语义的模糊性，给出功能函数ZⅡ的隶属函数。给出RI-METS理论在冻融环境下混凝土结构耐久性中的应用算例。
　　(5)为了在海洋氯化物环境下建立耐久性理论模型和试验与真实结构的相似关系，建立了海洋氯化物环境下的RI-METS理论，给出了海洋氯化物环境下各变量的相似率、相似准数公式以及相对信息熵计算公式。选择钢筋表面氯离子浓度达到临界氯离子浓度作为海洋氯化物环境下的耐久性极限状态。考虑海洋氯化物环境功能函数ZⅡ语义的模糊性，并给出功能函数ZⅢ的隶属函数。给出RI-METS理论在海洋氯化物环境下混凝土结构耐久性中的应用算例。
　　本文得到科技部国际合作项目“沿海混凝土结构耐久性提升技术”(2010DFA24590)、国家自然科学基金“混凝土冻融损伤的水热力三场耦合研究”(51108413)、交通部西部交通建设科技项目“港口工程结构全寿命设计指标体系及方法研究”(20113288061110)、浙江省交通厅项目“跨海大桥耐久性评估及长期维护技术研究”(2012H22)等的支持。

目录

声明

致谢

摘要

图目录

表目录

符号对照表

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要研究工作

参考文献

第2章 基于相对信息多重环境时间相似理论

2．1 引言

2．2 METS理论

2．3 工程结构系统

2．4 试验系统

2．5 RI-METS理论

2．6 本章小结

参考文献

第3章 混凝土结构耐久性设计规范系统

3．1 引言

3．2 设计规范系统

3．3 指定设计法

3．4 避免劣化法

3．5 基于性能和可靠度的设计方法

3．6 本章小结

参考文献

第4章 一般大气环境混凝土结构耐久性RI-METS理论与应用

4．1 引言

4．2 劣化机理与过程

4．3 一般大气环境工程结构系统

4．4 一般大气环境耐久性极限状态

4．5 一般大气环境试验系统

4．6 一般大气环境RI-METS理论

4．7 一般大气环境RI-METS理论的应用

4．8 本章小结

参考文献

第5章 冻融环境混凝土结构耐久性RI-METS理论与应用

5．1 引言

5．2 劣化机理与过程

5．3 冻融环境工程结构系统

5．4 冻融环境耐久性极限状态

5．5 冻融环境试验系统

5．6 冻融环境RI-METS理论

5．7 冻融环境RI-METS理论的应用

5．8 本章小结

参考文献

第6章 海洋氯化物环境混凝土结构耐久性RI-METS理论与应用

6．1 引言

6．2 劣化机理与过程

6．3 海洋氯化物环境工程结构系统

6．4 海洋氯化物环境耐久性极限状态

6．5 海洋氯化物环境试验系统

6．6 海洋氯化物环境RI-METS理论

6．7 海洋氯化物环境RI-METS理论的应用

6．8 本章小结

参考文献

第7章 结论与展望

7．1 主要研究成果

7．2 主要创新点

7．3 研究展望

作者简历及在学期间取得的科研成果