氯鹽環境下混凝土結構耐久性定量設計理論研究.pdf

1、受氯鹽環境作用的影響，混凝土結構往往在遠少于設計使用年限時就發生鋼筋銹蝕、混凝土開裂等耐久性破壞。由于結構幾何尺寸、材料特性和環境條件等因素具有隨機性，加劇了混凝土結構耐久性分析和設計的復雜性。因此，本論文在Fick第二定律的基礎上采用集中濃度矩陣建立了常擴散和時變擴散系數下混凝土結構耐久性定量分析方法;進而考慮參數的隨機性，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構的耐久性控制區模型，通過控制區的計算分析模型定量確定混凝土結構耐久性設計的三參數;最后基于可靠度理論確定隨機變量的分項系數，據此結合耐久性設計三參數模型的概率極限狀態表達式確定耐久性參數的設計值。上述關于氯鹽環境下混凝土結構的耐久性定量分析與設計理論，對于提高混凝土結構抗氯鹽腐蝕能力并滿足預定服役壽命，具有重要的工程意義和學術研究價值。本文主要的研究工作和結論有:
　　(1)基于Fi

3、ck第二定律和集中濃度矩陣，建立了常擴散系數和時變擴散系數下混凝土結構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果振蕩、甚至出現負值等不合理現象，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，同時計算結果比較穩定。研究表明，忽略氯離子擴散系數的時變性，將使得混凝土結構的耐久性分析結果偏于保守。
　　(2)在大變異隨機系統中，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上，推導了隨

4、機擴散基向量，進而采用伽遼金加權余量法建立了氯鹽環境下混凝土結構耐久性概率分析的KSFEM，推導了KSFEM剛度方程對角元素和氯離子濃度響應量均值和協方差的顯性表達式。研究結果表明:所建立的氯離子隨機擴散KSFEM適用于混凝土結構耐久性的概率分析，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假定的局限性，減少了減縮基隨機有限元法多重循環導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，建立了混凝土結構的耐久性控制區分析模型，進而建立了混凝土結構耐久性定量設計的三參數模型，提出了氯鹽環境下混凝土結構耐久性定量設計方法。工程應用表明:混凝土結構耐久性控制區模型具有較高的計算精度和效率，能夠快捷、準確地分析混凝土結構中氯離子擴散過程和濃度分布規律;混凝土結構耐久性定量設計方法能夠通過定量分析確定混凝土結構的耐久性設計參數，有效克服了現行耐久性設計方法由于缺少定量設計模型導致的問題。
　

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