氯离子环境中钢筋混凝土结构耐久性与可靠性研究

论文摘要

在氯离子侵蚀环境中,钢筋腐蚀导致混凝土结构耐久性不足而失效破坏的现象极为普遍,而且后果严重。本文采用试验研究和数值计算相结合的方法改进和扩充了氯离子侵蚀环境中钢筋混凝土结构开始投入使用到钢筋开始发生腐蚀阶段的确定性预测模型,试验界定了钢筋开始发生腐蚀后各种耐久性极限状态,利用基于离散参数马尔可夫链的拟蒙特卡罗随机变量抽样方法,提出了一种高效计算混凝土结构不同耐久性极限状态时变可靠度的随机概率模型。本文利用二维有限元分析了钢筋存在对混凝土中氯离子扩散的阻滞影响作用。将考虑钢筋阻滞影响的有限元计算结果与相同条件下不考虑钢筋影响的Fick第二扩散定律解析解进行对比、拟合、改进了Fick第二扩散定律的解析解,使对混凝土中钢筋开始发生腐蚀耐久性寿命的预测准确、快捷、方便。利用区组完全设计试验方法,考虑水灰比和水泥用量两个变量对混凝土耐久性能和安全性能的影响,进而建立了混凝土耐久性指标——自由氯离子初始扩散系数D0以及安全性指标——抗压强度fcu的预测模型。该模型对于选择保证经济性、安全性和耐久性综合效果最佳的水泥用量起到一定参考作用。采用电解加速腐蚀方法,从试验手段界定了混凝土中钢筋开始发生腐蚀后混凝土结构的不同耐久性极限状态。以混凝土保护层锈胀裂缝宽度作为钢筋腐蚀程度（轻微腐蚀、中度腐蚀和严重腐蚀）判断依据,研究了混凝土强度等级、保护层厚度、钢筋净间距和钢筋所处位置等因素作用下的钢筋腐蚀率及保护层锈胀开裂形式。钢筋开始发生腐蚀后的各耐久性极限状态的界定,对确定性模型和随机概率模型进行预测分析时耐久性极限状态判定提供了试验依据。首次引入一种随机过程——离散参数的马尔可夫链,来描述刻画氯离子侵蚀导致混凝土中钢筋的腐蚀破坏失效过程,随机变量的抽样采用拟蒙特卡罗方法,提出了一种基于Q-MCMC法（基于马尔可夫链的拟蒙特卡罗随机模拟方法）的随机概率模型,可将耐久性极限状态扩展到混凝土中钢筋开始发生腐蚀以后各状态,且计算效率大大提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的工程背景和重要性
• 1.1.1 混凝土结构耐久性问题
• 1.1.2 混凝土结构的钢筋腐蚀问题
• 1.1.3 氯离子侵蚀导致混凝土结构的钢筋腐蚀问题
• 1.2 课题选定和研究目的
• 1.3 研究现状
• 1.3.1 氯离子在混凝土中的输移扩散
• 1.3.2 混凝土中钢筋腐蚀破坏过程
• 1.3.3 氯离子导致混凝土结构腐蚀破坏的随机概率模型
• 1.4 文献研究进展的部分不足之处
• 1.5 论文的工作范围和研究内容
• 第2章 钢筋对混凝土中氯离子扩散的阻滞影响分析
• 2.1 Fick 第二扩散定律及其解析解
• 2.2 有限元分析模型的建立
• 2.3 有限元计算方法验证
• 2.3.1 试验设计与试件制备
• 2.3.2 试验方法与对比结果
• 2.4 有限元计算结果与分析讨论
• 2.5 算例对比
• 2.5.1 算例1
• 2.5.2 算例2
• 2.5.3 算例3
• 2.6 本章小结
• -初始扩散系数'>第3章 考虑水泥用量的自由Cl^-初始扩散系数
• 3.1 试验目的和试验方案
• 3.2 原材料和混凝土配合比
• 3.2.1 原材料
• 3.2.2 混凝土配合比
• 3.3 试验测量方法
• 3.3.1 自由氯离子含量测量
• 3.3.2 抗压强度测量
• 3.4 试验结果
• 3.4.1 自由氯离子测量结果
• 3.4.2 抗压强度测量结果
• 3.5 结果分析
• 3.5.1 自由氯离子初始扩散系数分析
• 3.5.2 抗压强度结果分析
• 3.5.3 初始扩散系数与抗压强度相关分析
• 3.6 回归模型
• 3.6.1 自由氯离子初始扩散系数回归模型
• 3.6.2 混凝土抗压强度回归模型
• 3.7 模型验证
• 3.7.1 自由氯离子初始扩散系数回归模型验证
• 3.7.2 混凝土抗压强度回归模型验证
• 3.8 本章小结
• 第4章 钢筋腐蚀程度耐久性极限状态的试验界定
• 4.1 试验目的、原理及方案
• 4.1.1 试验目的
• 4.1.2 试验原理
• 4.1.3 试验方案
• 4.2 钢筋性能、混凝土配合比和试件制备
• 4.2.1 钢筋性能
• 4.2.2 混凝土配合比
• 4.2.3 试件制备
• 4.3 试验过程和测量方法
• 4.3.1 测量装置搭建和数据采集系统
• 4.3.2 钢筋腐蚀失重率的测量
• 4.4 试验结果
• 4.5 试验结果分析
• 4.5.1 电解加速腐蚀速度
• 4.5.2 钢筋腐蚀失重率
• 4.5.3 钢筋腐蚀导致混凝土开裂形式
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于Q-MCMC 方法计算可靠度的随机概率模型
• 5.1 耐久性极限状态划分
• 5.2 拟蒙特卡罗法
• 5.3 Q-TIMEMC 随机概率模型
• 5.4 混凝土中钢筋腐蚀破坏过程的Markov 链描述刻画
• 5.5 Q-MCMC 随机概率模型的提出
• 5.6 Q-TIMEMC 方法和Q-MCMC 方法计算比较
• 5.6.1 对比算例1
• 5.6.2 对比算例2
• 5.7 Q-MCMC 随机概率模型的应用
• 5.7.1 算例1
• 5.7.2 算例2
• 5.7.3 算例3
• 5.7.4 算例4
• 5.8 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 主要结论与研究成果
• 6.2 存在的问题和开展进一步工作的建议
• 参考文献
• 致谢
• 附录（A-1）考虑水泥用量影响的氯离子试验测量结果
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果