（水利水电工程专业论文）渡槽结构时变可靠度研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑主垦盔些盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：诘可考 签字r 期： 2 0 1 年6 月q 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑皇堡垒些盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权塑i 垦盔些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：嘈哺 翩签名：花脒 签字日期：加1 1 年6 月c 7 e t 签字同期： 矽f 年6 月罗e 1 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 摘要 舢 y18 9i i i i l 3 l l l l l1 4 l l l l | 5 r l i l l 渡槽结构作为输水工程中重要的组成部分，其安全性至关重要。其结构在运行一 段时i b j 后会伴随着各种结构的损伤，性能不断劣化，导致结构的承载能力下降，其可 靠度水平不断降低。因此，在此基础上对其可靠度水平随时间的变化进行定量分析就 变得至关重要。渡槽时交可靠度的研究不仅是工程结构设计及维修管理优化的基础， 而且对工程进行耐久性的评定和剩余寿命预测提供了有效的途径。其中，混凝土劣化 预测及抗力衰减模型的建立是渡槽结构时变可靠度研究的基础。本文针对现有的某渡 槽结构考虑因钢筋锈蚀导致的结构损伤，为此建立以时间为因素的抗力衰减模型，通 过对渡槽结构各部位失效模式的分析建立其极限状态方程( 即对具体的失效模式构建 各时刻的抗力和荷载效应的具体表达式) ，进而计算可靠度随时间的变化。在此基础 上，本文主要做了以下方面研究： ( 1 ) 混凝土劣化各种原因分析及劣化预测模型的研究。 ( 2 ) 建立了基于微粒群算法( p s o ) 优化支持向量机( s v m ) 参数的混凝土结构劣化预 测模型。 ( 3 ) 研究了常用可靠度及系统可靠度计算的一些基本方法，并对各种方法进行了 分析比较。将蒙特卡罗模拟方法用于时变可靠度的分析。 ( 4 ) 建立了基于钢筋锈蚀引起的结构抗力衰减模型，在此基础上进行了某渡槽构 件时变可靠度的计算。最终考虑其各构件的主要失效模式，得到了系统的时变可靠度。 关键词：混凝土劣化；钢筋锈蚀；微粒群算法；支持向量机；时变可靠度 t h es t u d yo nt i m e - d e p e n d e n tr e l i a b i l i t yo fa q u e d u c tb r i d g e s t r u c t u r e a u t h o r ：c a ok e q i n g s u p e r v i s o r ：w ux i n m i a o m a j o r ：w a t e r r e s o u r c e sa n dh y d r o e l e c t r i ce n g i n e e r i n g a b s t r a c t a q u e d u c ts t r u c t u r ei sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n to f w a t e rc o n v e y a n c ep r o j e c t a n dt h e s e c u r i t yi sa l s ov e r yi m p o r t a n t t h es t r u c t u r ep e r f o r m a n c e h a sd e g r a d a t i o na f t e rap e r i o do f t i m ea s s o c i a t e dw i t hv a r i o u ss t r u c t u r ed a m a g e s t h eb e a r i n gc a p a c i t y o ft h es t r u c t u r e d e c r e a s e s a tt h es 锄et i m e ，r e l i a b i l i t yl e v e lw i l lb er e d u c e dt o o t h e r e f o r e ，i tb e c o m e s v e r yi m p o a a n t t o q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s r e l i a b i l i t y l e v e l c h a n g i n g w i t ht i m e t i m e d 印e n d e n tr e l i a b i l i t yr e s e a r c ho fa q u e d u c ts t r u c t u r e si s n o to n l yt h ef o u n d a t i o no f e n g i n e e r i n gs t r u c t u r ed e s i g na n dm a i n t e n a n c em a n a g e m e n to p t i m i z a t i o n b u t a l s op r o v l d e s a ne 骶c t i v ew a yt oa s s e s st h ed u r a b i l i t yo fe n g i n e e r i n ga n dr e m a i n i n g l i f ep r e d i c t i o n t i m e d e p e n d e n tr e l i a b i l i t y r e s e a r c ho fa q u e d u c t s t r u c t u r e si sb a s e d o nc o n c r e t e d e g r a d a t i o np r e d i c t i o na n da t t e n u a t i o nm o d e lo f r e s i s t a n c e c o n s i d e r i n gs t r u c t u r a ld a m a g e c a u s e db vr e l ) a rc o n o s i o n ， r e s i s t a n c ea t t e n u a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d t h r o u g h t h e a n a l y s i so ft h es t r u c t u r eo fe a c hp l a c ea q u e d u c tf a i l u r em o d e ，l i m i t s t a t ee q u a t i o n sa r c e s t a b l i s h e d t 1 1 e 1 1r e l i a b i l i t yc h a n g i n gw i t ht h et i m ei sc a l c u l a t e d b a s i n go nt h i s ，t h em a i n c o n t e n to ft h i sp a p e ri ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) a n a l y s i sa n dp r e d i c t i o nm o d e lr e s e a r c ho f c o n c r e t ed e g r a d a t i o n f 2 ) t h es u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) f o r e c a s t i n g m o d e lo fc o n c r e t ed e g r a d a t i o n1 s e s t a b l i s h e db a s i n go np a r a m e t e r so p t i m i z a t i o no f p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ( p s o ) ( 3 ) s o m eb a s i cc a l c u l a t i o nm e t h o d so fr e l i a b i l i t ya n ds y s t e mr e l i a b i l i t ya r es t u d i e d ， a n dv 撕o u sm e t h o d sa r ec o m p a r e d m o n t ec a r l os i m u l a t i o nm e t h o d i su s e df o rt h ea n a l y s i s o ft i m e - d e p e n d e n tr e l i a b i l i t y f 4 ) b a s i n g o nt h er e s i s t a n c ea t t e n u a t i o n m o d e lc a u s e db yr e b a rc o l t o s l o n ， t i m e d 印e n d e n tr e l i a b i l i t yo fa q u e d u c tc o m p o n e n ts t r u c t u r e s i sc a l c u l a t e d e v e n t u a l l y c o n s i d e r i i l gt h em a i nf a i l u r em o d e so fc o m p o n e n t s ，t h es y s t e mt i m e - d e p e n d e n tr e l i a b i l i t y w i l l b e g e t ( 5 ) t h ew h o l er e s e a r c hi ss u m m a r i z e da n dt h ep r o s p e c t s t ot h ef u r t h e rr e s e a r c ha r ep u t f o r w a r d k e y w o r d s ：c o n c r e t ed e g r a d a t i o n ；r e b a rc o r r o s i o n ；p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ；s u p p o r t v e c t o rm a c h i n e ；t i m e - d e p e n d e n tr e l i a b i l i t y 目录 li ；l 言1 1 1 问题的提出1 1 2 波槽结构时变可靠度研究的国内外现状及研究意义一l 1 2 1 国内外研究现状1 1 2 2 研究目的和意义3 1 3 本论文研究的主要内容及研究方法3 2 混凝十渡梢结构劣化预测模删4 2 1 影响抗力衰减的因素4 2 2 混凝十碳化5 2 2 1 混凝十碳化的影响因素5 2 2 2 混凝士碳化深度预测模型5 2 3 钢筋锈蚀损伤机理6 2 3 1 钢筋锈蚀原理7 2 3 2 钢筋锈蚀的影响冈素7 2 3 3 钢筋锈蚀过程一8 2 3 4 钢筋锈蚀预测模型9 2 4 钢筋锈蚀量在保护层开裂前后的应削模型l l 2 5 小结13 3 基于微粒群算法( p s o ) 参数优化的支持向量机( s v m ) 预测模型1 4 3 1 支持向量机( s v m ) 预测模型1 4 3 1 1s v m 基本原理1 4 3 1 2s v m 核函数及其参数选择l7 3 2 微粒群算法( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n p s o ) l7 3 2 1p s o 原理l7 3 2 2p s o 算法优缺点19 3 2 3p s o 参数设置与分析2 0 3 3 基t - p s o 参数优化s 以预测模犁的具体实现2 0 3 4 实例分析2l 3 5 小结2 4 4 结构可靠度基本理论及方法2 5 4 1 结构可靠性基本概念2 5 4 1 1 结构极限状态2 5 4 1 2 结构可靠度和可靠度指标一2 6 4 2 结构可靠度基本计算方法2 7 4 2 1 中心点法2 8 4 2 2 验算点法( j c 法) 2 9 4 2 3 蒙特卡罗模拟法( m o n t ec a r l o ) 3 0 4 2 4 响应面法( r e s p o n s es u r f a c em e t h o d r s m ) 3 2 4 3 系统可靠度基本分析方法3 2 4 3 1 一般界限法3 3 4 3 2 窄界限法3 3 4 3 3p n e t 法( 概率网络估算法) 3 4 4 4 ，j 、结3 4 5 基丁钢筋锈蚀预测的混凝十时变可靠度分析计算3 5 5 1i ：稗实例3 5 5 2 功能函数( 极限状态方程) 的建立3 6 5 2 1 侧板极限状态方程3 6 5 2 2 底板极限状态方程3 6 5 3 侧墙结构时变可靠性分析3 7 5 3 1 抗力及效应作川的计算3 7 5 3 2 钢筋锈蚀预测的时变模型。3 8 5 3 3 可靠度随时间的变化曲线3 9 5 4 底板结构时变可靠度分析一4 1 5 4 1 抗力及效应作用的计算4 l 5 4 2 可靠度随时间变化曲线。4 2 5 5 渡槽系统时变可靠度分析4 3 5 6 ，j 、结4 4 6 结论与展望。4 5 参考文献4 6 在读期间发表的学术论文4 9 作者简介5 0 致谢5l 渡槽结构时变可靠度研究 1 1 问题的提出 1 引言 渡槽是跨越河流、道路、山谷等的架空输水交义建筑物，是渠系建筑物中应川最j 泛的交义 建筑物之一。由槽身、支撑结构、基础及进出口建筑物等部分组成。南水北调中线i ：稃是为解决 我国水资源分布不均，实现水资源重新分配而兴建的一项特人型的跨省市、跨流域凋水i ：程，在 新世纪的水利建设和国民经济发展中具有重要的战略性意义。而渡槽结构作为其输水1 ：程中的重 要组成部分被广泛应用。在南水北调中线工程总干渠中，人型渡槽交义建筑物就有数十座。渡槽 建成运行后相当长的时间都受到施加丁结构的各种集中力、分布力( 如自重、水压力等) 的作用， 还可能受到引起结构外加变形或约束变形的其它作用( 如温度变化) ，建筑物的安全与否，不但 影响工农业的生产，而且对整个中线t 程的安全和经济运行有着至关重要的影响。因此，其安全 可靠性是一个非常重要且值得深入研究的问题。 1 2 渡槽结构时变可靠度研究的国内外现状及研究意义 1 2 1 国内外研究现状 可靠度的研究早在二十世纪三十年代开始。美国的弗罗伊詹特( a m f r e u d e n t h a l ) 于1 9 4 6 年开始讨论可靠度在结构设计中的应用，并发表题为结构的安全度的文章。苏联的尔然尼钦 在此基础上提出了一次二阶矩理论的基本概念和结构失效概率计算的方法及对应的可靠度指标 求解的公式。1 9 6 9 年，美国的康乃尔( c a c o r n e l l ) 1 2 】提出了与结构火效概率相联系的可靠度 指标b 作为衡量结构安全度的一种统一数量指标，同时建立了结构安全度的二阶矩模式。加拿人 的林德( n c l i n d ) p 】于1 9 7 1 年应用分离函数的方式，将可靠指标表达成设计人员习惯采用的 分项系数形式，这些t 作都加速了结构可靠度的实用化进程。之后，美国洪华生( a l f r e d oh s a n d ) 在对各种结构的不确定性分析的基础上，提出了广义可靠度的概率法。 可靠度理论自二十世纪三十年代提出，四十年代开始在结构设计上开展应用研究以来，已经 得到广泛的发展和应用。我国也j “泛地开展了结构可靠性的研究。人连理工大学赵国藩等学者提 出了可靠度实用分析法【4 j j ，该方法与j c 法相近，但可直接求解结构设计中常用的线性极限状态 方程，比j c 法精确简单。同时基于非线性程度较高的实际工程问题，提出了基丁拉普拉斯逼近 原理的渐进可靠度分析方法和基于最大嫡原理的二次四阶矩法 6 1 。同时考虑随机变量的相关性， 又提出了广义随机空间内考虑随机变量相关性的结构可靠度实用分析方法。蒙特卡罗模拟法 ( m o n t ec a r l o ) 是结构可靠度计算的重要方法之一。9 0 年代以来，我国学者研究了应用改进的重要 抽样法和v 空间的重要抽样法来减少蒙特卡罗法的抽样模拟数目，从而提高了蒙特卡罗法在结构 可靠度分析和工程实际中的应用。1 9 9 4 年，国内对于系统可靠度的研究，是在围绕着寻找结构的 主要失效模式和结构体系失效概率两个方面展开的。赵国藩等提出了一种寻找结构其主要失效模 式的有效算法，在点估计方面提出了泰勒级数展开法和多个极限状态方程两两逐步线形化的方 河北农业人学硕十学位( 毕业) 论文 法。董聪提出了阶段全局分支一约界法。近_ 二十年，我国水i ：结构可靠度理论研究和应刚也获得 了较快的发展。8 0 年代中期，河海人学的吴世伟等提出了“变鼙分布截尾卜的可靠度计算的j c 法并运h j 验证荷载法校核了重力坝的可靠度，对拱坝重力墩抗滑稳定可靠度也进行了研列7 引。同 时，武清玺也基丁有限元理论对重力蜘 进行了可靠度分析。1 9 9 2 年，水利部门会同房尾建筑、铁 路、公路、水运等部i j 联合编制了属第一层次的jr ：程结构可靠度设计统一标准( g b 5 0 1 5 3 9 2 ) p j 。 在此基础上，义于1 9 9 4 年编制了属第_ 二层次的水利水电i ：程结构可靠度设计统一标准 ( g b 5 0 1 9 9 9 4 ) ( 以下简称水i ：统标) 【l o 】。闱绕着水【统标的编制，水利高等院校和水利 程界对混凝土重力坝坝趾应力条什的可靠度、重力坝在校核水位卜的目标可靠指标和偶然状况系 数的确定、重力坝抗震可靠度、拱坝坝体可靠度、士坝的可靠度以及水闸结构的可靠度都进行了 深入的研究：对水j 结构中常遇剑的水压力、扬压力、水电厂吊车轮压等荷载也进行了大量的调 查研究分析。1 9 9 5 年以来，根据水1 2 统标的原则和要求，属第三层次的水1 2 钢筋混凝土结 构设计规范( s 1 3 t 1 9 1 9 6 ) 、水1 ：建筑物抗震设计规范( s l 2 0 2 9 7 ) 等有关设计规范相继修订 出版，分项系数极限状态设计方法在水利j ：程设计中正在逐渐得到采纳和应用。预计在加深研究、 积累经验的基础上，结构可靠度分析必将逐步得剑应用。 与时不变可靠度理论相比，时变可靠度理论的起步相对较晚。关于时变可靠度在实际应片j 中 主要有两种：一是基于随机过程穿阀率理论的可靠度问题称为时变可靠度问题( 大都是针对动力 问题而言的，在结构荷载组合的问题中的应用也非常普遍：二是考虑结构抗力随时间变化( 由环 境因素引起，如腐蚀、老化、碳化等) 的可靠度称为时变可靠度。上述两者之间没有严格的界限， 它们都以随机过程为共同的理论基础，共同促进了时变可靠度理论的发展。当前，我国的结构时变 可靠度理论已经走在了世界的前列，儿乎应用到结构：l ：程的各个领域，如对现有结构的可靠性评 估、工程全寿命预测、计算施一l ：期结构可靠度以及结构设计优化和维护费h j 预测等。文献j 在将 可靠性的r ( t ) s ( t ) 模型转化为r m i n s m i n 模型的基础上提出了一种现有结构可靠性分析的简化方 法，文献【1 2 1 提出了从寿命出发的概率分析方法，文献【1 3 研究了人气环境卜锈蚀对钢筋混凝十结构 可靠度的影响，文酬1 4 】提出了钢闸fj 结构刚度可靠性分析的三种计算模式，对影响结构构件刚度 衰减的主要因素钢筋锈蚀进行了统计分析，得剑钢闸门锈蚀规律，并进一步分析得到了构件刚度 的衰减模型，应用j c 法对其刚度可靠度进行了分析计算，初步确定了现行水一i ：钢闸门设计规范 下正常使用极限状态的刚度可靠指标，文献【l5 】利用有限样本数据建立b p 神经网络，得到混凝十 结构抗力的时变规律，并应用丁混凝十结构时变可靠度的评估。 基于渡槽结构可靠度的研究，李正农【6 】等在有限元动力分析的基础上，对南水北调中线- 1 程 河北段铭河渡槽进行了抗震可靠度分析，得到了一些初步成果。贾超，刘宁【1 7 】等对南水北调中线 工程渡槽结构进行了风险分析。雷杰【1 8 】等利用响应面法对南水北调中线 程某预应力排水渡槽结 构进行了可靠度分析。而渡槽结构的特点是抗力随时间不断降低，现有的可靠度分析方法都假定 设计基准期内结构抗力不随时间发生变化，因此水渡槽可靠度分析的一个重要方面就是研究抗力 随时间变化的时变可靠度。考虑抗力随时间变化的可靠度分析是一个十分复杂的问题，但是鉴于 其重要性许多人都对此作过研究。h i r o y u k ik a m e d a 和t a k e s h ik o i k e 于1 9 7 5 年分析了累积损伤下 结构的可靠度1 1 9 1 。1 9 8 7 年文献【2 0 l 根据结构抗力和荷载效应均随时间变化的特点，研究了结构可 靠度分析方法。1 9 9 0 年王光远【2 l 】考虑结构抗力和荷载效应随时间而的变化提出了动态可靠度的 概念。1 9 9 3 年文献 2 2 1 用蒙特卡罗重要抽样法分析了时变结构的系统可靠度。1 9 9 5 年赵国藩提出 2 渡槽结构时变可靠度研究 在结构设计中考虑抗力时变的因素。1 9 9 9 年文献2 3 1 对钢筋混凝十矩形渡槽的断裂强度及寿命进 行了分析研究，并对裂纹扩展的原冈及渡槽寿命问题进行了初步分析。为此在此基础上开展渡槽 结构时变可靠度的研究。 1 2 2 研究目的和意义 本文以某l ：程中的渡槽结构为背景。渡槽结构作为水i ：结构i ：样中重要的组成部分，其安全 性至关重要。由丁目前渡槽的设计，包括南水北调中人型输水波槽仍采川单一安全数k 的老规范， 无法对其安全水平进行定量分析，而且传统的安全系数结构没计法逐渐会被基丁可靠度理论的结 构设计法所替代。渡槽结构可靠度的研究是基于荷载和材料强度的随机性，对其可靠度水平进行 定鼙评价。考虑到丁程结构在寿命周期内性能不断劣化，可靠度水平不断降低的问题，应该对其 可靠度水平随时间的变化进行定量分析。输水渡槽结构时变可靠度研究不仅是：f 程结构设计及维 修管理优化的基础，而且为对工程进行耐久性评定和剩余寿命预测提供了有效途径。以此可更好 的选择止确的养护和维修方案。 1 3 本论文研究的主要内容及研究方法 本研究的主要目的是进行渡槽结构时变可靠度的计算。考虑到混凝十渡槽结构在各种因素的 作用下，随着时间的增长，其结构性能逐步退化，使得承载能力下降。冈此，本文考虑结构抗力 的不确定性，针对影响其抗力的主要冈素，研究了混凝十渡槽结构劣化的预测模犁，并将粒子群 算法与支持向量机相结合的智能模型用于下程结构的劣化预测。从而建立出以时间为冈素的抗力 衰减模璀，通过对渡槽结构各部位失效模式的分析建立其极限状态方稃( 即对具体的火效模式构 建任一时刻的抗力和荷载效应的具体表达式) ，进而应刚蒙特膏罗模拟的算法计算可靠度指标随 时间的变化曲线。具体完成了以f ) l 方面的一f ：作： ( 1 ) 分析了混凝十结构劣化的原因，在考虑混凝土碳化和钢筋锈蚀的基础上研究了混凝十劣化 的各种预测模型； ( 2 ) 基于对已建结构的劣化检测和有关资料数据的整理分析，建立了混凝十劣化的支持向量机 r s v m ) 模型，同时考虑了采用微粒群优化算法( p s o ) 对支持向量机( s v m ) 模型的参数进行优化； ( 3 ) 分析了可靠度计算的一些基本方法：中心点法、j c 法、蒙特夤罗模拟法、响应面法及系 统可靠度的计算方法，将蒙特卡罗模拟法用于渡槽时变可靠度的计算； ( 4 ) 考虑钢筋锈蚀引起的渡槽结构抗力的变化，建立了结构在没有维修的条件下钢筋锈蚀率随 时间的变化模型，用于渡槽的时变可靠度分析； ( 5 ) 分析渡槽结构构件的受力模型及其失效模式，建立相应的结构功能函数，应用蒙特卡罗 模拟并编制相应的程序，分析各构件的可靠度随时间的变化。 ( 6 ) 考虑渡槽结构体系的各种失效模式，运用结构系统可靠度的计算方法，最终得到渡槽系 统的时变可靠度。 3 河北农业人学硕十学何( 毕业) 论文 2 混凝土渡槽结构劣化预测模型 混凝十渡槽结构在各种不确定冈素影响下，随着时间的增长，其性能不断发生变化。本章主 要从影响混凝十结构劣化原冈方面，定鼙的研究了其劣化的各种预测模型，从而为渡槽时变可靠 度的研究奠定了基础。 2 1 影响抗力衰减的因素 在结构功能函数中，基本变量分为两类：与结构抗力有关的，主要为材料性能及有关的截面 尺寸：与结构荷载效应有关的主要是荷载及各项作用( 内力变形位移) 。结构构件的抗力是指结 构承受各种外加作用时抵抗破坏或变形的能力。结构的荷载效应是指作用在结构上的各种荷载所 引起的各种内力、变形和位移等。影响结构抗力随时间变化的冈素是多种多样的，一般情况下， 可分为以下三种情况： ( 1 ) 荷载作片 的影响 荷载对结构的安全和使用性能有着直接影响，主要作用方式包括两种情况，一种影响结构的 安全。在结构设计基准期内，任一点的荷载效应人于结构的抗力则会使结构失效：另一种是荷载 对结构的累积损伤，累积损伤的后果是使结构抗力减小，从而降低结构的可靠度，即：静态累积损 伤作用和动态累积损伤作用。 ( 2 ) 环境作用的影响 环境作h j 对结构的劣化作j 【 j 是一个渐变的过程，伴随着这种劣化使得结构的可靠度随时间降 低。环境对结构的作用可分为两类，一类为自然环境对结构的作用，另一类为社会环境对结构的 作州。 自然环境的影响：自然环境作_ l j 是指自然环境中的腐蚀介质对结构的侵蚀作用，主要分为 以下几个方面：混凝十碳化、钢筋锈蚀、氯离子侵蚀等。 社会环境的影响：社会环境的作用是指人类生活环境和工业生产环境对结构产生的不利影 响，这些往往是由于人类活动冈素引起的。 ( 3 ) 材料因素的影响 在自然环境中，结构的材料性能会随着时间的增长而逐渐老化，甚至材料的内部会发生缓慢 的化学反应。结构的性能随时间的变化是一个复杂的物理、化学和力学损伤过程，结构抗力随时 间的变化应为上述影响因素的函数，且各种影响因素都是复杂的随机过程。 水工钢筋混凝土结构在长期使用过程中，在内部的或外部的、人为的或自然的冈素作用下， 随着时间的推移，都会将发生材料的老化与结构损伤，这种损伤的累积将导致结构性能的劣化， 导致承载力下降、耐久性降低。由于混凝t 碳化和钢筋锈蚀是导致结构构件破坏、抗力下降的主 要因素，它们成了近期研究的重点1 2 4 , 2 5 l 。 4 渡楠结构时变可靠度研究 2 2 混凝土碳化 在混凝十结构中，钢筋锈蚀是造成混凝十结构损伤的主要冈素，而在一股的人气环境条件下， 混凝十的碳化则是混凝十结构中钢筋锈蚀的前提。混凝十碳化是指空气中的_ 二氧化碳与水泥中的 碱性物质相互作刚。碳化不但能够降低混凝十的碱度破上1 i 钢筋表面的钝化膜，同时还会加剧混凝 十的收缩导致混凝十的裂缝和一i ：程结构的破坏。混凝十碳化已成为影响混凝十i ：科结构的重要因 素【2 6 2 7 1 ，混凝十碳化深度的分析与预测，是评估结构耐久性和制定合理的维修养护策略的基础。 2 2 1 混凝土碳化的影响因素 影响混凝土碳化的因素主要是混凝十本身的密实性和环境因素。可分为：材料冈素，环境因 素和施工因素： ( 1 ) 材料因素 主要是通过影响混凝土的碱度米影响混凝十的碳化，主要包括水泥的晶种、水泥的用量、 水灰比、混凝士的强度及骨料的品种和级配等。 ( 2 ) 环境因素 环境因素主要包括温度的影响、环境的相对湿度、及空气中二氧化碳的浓度等。 ( 3 ) 施j j ：冈素 施上冈素对混凝士碳化的影响主要是在混凝十搅拌、振捣和养护过程，其结构对混凝十密实 性的影响较人。 2 2 2 混凝土碳化深度预测模型 针对不同因素对碳化过程的影响，国内外学者提出了许多混凝十碳化深度预测的模型，包括 理论模型、经验模型和一些新的预测方法如神经网络等，可分以下四类f 2 8 】： 基于扩散理论的理论模裂。 基于碳化试验的经验模型。 基于扩散理论与试验结果相结合的碳化模型。 b p 神经网络模型。 ( 1 ) 理论模型 国内外的研究成果一致认为，c o z 在混凝土中的扩散遵循f i c k 第一扩散定律。苏联学者在基于 f i c k 第一扩散定律及c 0 2 在多孔介质中扩散和吸收的特点，给出了预测混凝土碳化深度的数学模 型【2 9 】： x = 其中：x 混凝土的碳化深度； d 二氧化碳的有效扩散系数； ( 2 1 ) 5 河北农业人学硕十学位( 毕业) 论文 c 二氧化碳的浓度 肘单位体积混凝十吸收二氧化碳的鼙； f 碳化时间。 国内外的人量碳化试验与碳化调奄结果均表明，混凝十碳化深度与碳化时间的平方根成止 比，这与上式的结果是一致的。于是可改写成： x ：k 正 ( 2 2 ) 其中：后碳化系数，反映碳化速度的综合参数。 以上表明，理论模型有着严格的理论基础，其物理意义明确。但在实际计算中模型参数不好 确定，因此不便丁实际l i 程应用，与实际结构的碳化结果差异相比比较大。 ( 2 ) 经验模型 国内外的学者则在上述模型的基础上，围绕影响碳化系数的影响因素，开展了人量的试验研 究，并且根据各自对影响碳化速度快慢所考虑的主要冈素，提出了许多碳化深度计算的模型。 中国建筑科学院龚洛j f 5 提出了多系数的经验碳化模型【3 0 】： x c = k k , k , k k , x o4 7 山尔省建筑研究院碳化深度的经验模型3 1 l ： x c = r , r 2 r s ( 1 2 1 w c 一3 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 3 ) 神经网络模璎 混凝十碳化是一个复杂的物理化学过程，由于工程结构所处的环境和混凝十本身都具有很大 的随机性，因此，混凝土碳化深度也具有很大的不确定性和随机性，即使在相同的环境f ，具有 同样强度等级的混凝土构件，其碳化深度也有很大的差异【3 2 】。于是单纯使用同归分析的方法进行 试验数据的拟合无法得到满意的结果，因此开始使用一些新的预测方法，如神经网络的碳化深度 分析等。基丁：混凝t 碳化深度预测的神经网络模型要优丁理论模魁和经验模璎，但是它也存在着 明显的不足： 训练需要的时间长； 隐层神经元个数的选取缺乏理论指导； 网络的学习具有不稳定性； 训练次数选取过多使学习效率低，收敛速度过慢； 易形成局部极值得不到全局最优解。 2 3 钢筋锈蚀损伤机理 6 在混凝士结构中钢筋锈蚀是造成混凝土结构损伤的主要因素。钢筋锈蚀对混凝土结构抗力的 渡槽结构时变可靠度研究 影响主要是两个方面。锈蚀引起钢筋截面面积的减小，且会导致体积膨胀引起的顺筋裂缝和保护 层的剥落，进而使混凝十与钢筋之间的枯结力减小，从而导致构件的承载力下降。同时钢筋的锈 蚀，降低了结构的刚度，增人了变形，而且降低了结构的延性，甚至将改变其破坏形态。 2 3 1 钢筋锈蚀原理 一般情况- 卜硅酸盐类水泥在凝结硬化时，会生成大鼙的氢氧化钙。水泥中常含有钠、钾等氧 化物，从而使混凝十的空隙溶液碱性，其p h 值高达1 2 5 一1 3 5 。钢筋在混凝十节高碱环境条件 下表面会形成一层致密的钝化膜，对钢筋起保护作用。混凝士中钢筋保持钝化的最低碱度要求为 p h 值等于l1 5 ，但当有二氧化碳和水汽沿混凝十表面的空隙进入混凝- 十内部时与混凝十中的碱 性材料发生反应，就会导致p h 值减小，混凝十完全碳化后，碳化结果可使混凝七的p h 值低于 9 0 ，因此，在一般人气环境条件下混凝十碳化是钢筋锈蚀的前提【3 3 1 。海洋环境下的普通混凝十 结构由于氯离子侵蚀导致的锈蚀要快于混凝十碳化诱发的锈蚀。氯离子即使在钢筋保护层未被碳 化的情况卜也会破坏钢筋表面的钝化膜。同时，由丁氯离子到达钢筋表面的不均匀性，特别是氯 离子作用于钢筋局部区域时，就会形成无数微电池( 腐蚀电池) ，即电化学腐蚀，结果使钢筋发生 坑蚀，由于蚀坑的深度可达到平均锈蚀深度的1 0 倍左右，冈而其危害更大。研究表明，当混凝 土液相中氯离子、氢氧根离子当量浓度比值人于0 6 时，钢筋去钝化发生锈蚀。根据海：r = 混凝土 结构的使用经验，混凝十结构中钢筋腐蚀最严重的是浪溅区，然后依次是水位变动区、大气区， 水下区由于缺乏供氧条件，钢筋腐蚀极为缓慢。 在水jr = 建筑物中钢筋在混凝十中的锈蚀问题较为普遍，特别是地处在沿海地区的闸、桥、涵、 防护堤等水r 建筑物更为严重。钢筋锈蚀使钢筋的有效截面积减小、钢筋的力学性能退化。此外， 钢筋锈蚀后产生相当人的体积膨胀，使得混凝十产生顺筋胀裂，对于限制裂缝出现的部分水1 ：混 凝十结构物将影响其止常使用其至导致结构火效。 2 3 2 钢筋锈蚀的影响因素 混凝土结构中钢筋的锈蚀受到很多因素的影唰川，周围环境中包括对结构有不良作片；i 的介质 温度、湿度等是影响钢筋锈蚀的环境冈素；混凝士的种类、裂缝情况、保护层厚度、混凝十的强 度等级和质量等是影响钢筋锈蚀的内部冈素1 3 5 j 主要可分为以下情况： ( 1 ) 混凝土所处环境的p h 值 对于混凝土中的钢筋，当周围环境的p h 值大于1 1 5 时，钢筋处于完全钝化状态，锈蚀不会 发生，而p h 值小于9 1 0 时，钢筋完全脱钝，锈蚀速度不受p h 值的影响；当p h 值由1 1 5 逐 渐下降至9 时，钢筋钝化膜逐濒被破坏，锈蚀速度逐渐增大。 ( 2 ) 混凝土中氯离子的浓度 混凝土中氯离子的米源有内掺和外渗两种。内掺的氯离子以结合氯离子的形式存在，对钢筋 锈蚀的影响不大；外界环境中的氯离子通过混凝土保护层到达混凝土钢筋界面，使钢筋表面溶液 中的氯离子浓度逐渐增大，最终促使钢筋发生腐蚀。钢筋位置溶液中氯离子浓度越大，则对钝化 膜的破坏作用也就越大，锈蚀速度也越大。 7 河北农业人学硕t 学位( 毕业) 论文 ( 3 ) 环境条件 环境中温度、湿度、二氧化碳的浓度及侵蚀性介质浓度等是影响钢筋锈蚀的土要儿个方面。 环境温度平均每升高1 0 ，碳化钢筋锈蚀电流提高0 4 5 倍；环境相对湿度平均每提高1 0 ，碳化 情况卜钢筋锈蚀电流密度提高1 1 6 倍【3 6 】对丁水i ：钢筋混凝十结构来说，影响最人的是湿度，当 水【结构在湿度较人的环境f ，尤其是水位浮动的部位，很容易发生腐蚀。 ( 4 ) 混凝十的碳化 混凝十的碳化是指空气中的二氧化碳与水泥石中的碱性物质相互作用，它可以降低混凝十的 碱度，破坏钢筋表面的钝化膜，使混凝士失去对钢筋的保护作_ i j 。人气中的_ 二氧化碳时刻向混凝 土内部扩散，p h 值降剑8 5 左右。这为钢筋锈蚀提供了可能；另外，钢筋的质量损失率与混凝土 的碳化深度呈线性关系，由此可知混凝土的碳化程度对钢筋锈蚀有重人影响。 ( 5 ) 混凝土保护层厚度及混凝十的密实度 混凝土保护层对外界腐蚀介质渗入结构的内部有阻止作用。而对钢筋锈蚀也有着明显的影 响，对处在潮湿环境中的钢筋混凝士结构影响效果则更大。许多调奔表明，在潮湿环境中使用的 钢筋混凝十结构，则更容易引起钢筋锈蚀。混凝十的密实度影响其渗透性，而渗透性越高的混凝 土结构中钢筋更容易发生锈蚀。 ( 6 ) 水泥品种和粉煤灰等掺和料 粉煤灰等掺和料能降低混凝土的碱性，进而提高混凝十的密实度，改变混凝土的内部结构， 从而影响钢筋锈蚀。 ( 7 ) 其他冈素 除了上述各种影响冈素之外，钢筋的应力状态对钢筋锈蚀的发生也有很人的影响。 2 3 3 钢筋锈蚀过程 混凝十中钢筋锈蚀过程可分为以下几个阶段【35 明： ( 1 ) 锈蚀孕育期( 新建结构刚开始服役到开始人面积碳化的时间) 从浇注混凝土到混凝土碳化深度达到钢筋，或氯离子侵入混凝十已使钢筋钝化，即钢筋开始锈 蚀为止，这段时间以f 表示。 混凝十中钢筋锈蚀是造成t 程结构安全性、适朋性和耐久性损伤的主要冈素。而在一般的大 气环境条件下，混凝十碳化则是混凝土中钢筋锈蚀的前提，结构发生碳化导致的钢筋锈蚀会引起 结构可靠性的降低。因此可以认为，结构在这一时间段抗力基本是没有退化的1 3 引。 ( 2 ) 锈蚀发展期( 结构从开始碳化到发生锈胀开裂的时间) 从钢筋开始锈蚀发展到混凝土保护层表面因钢筋锈胀而出现破坏( 如顺筋胀裂，层裂或剥 落等) ，这段时间以f ，表示。 由于混凝土保护层的保护作用，工程结构发生碳化后并不会马上开裂，一般认为结构碳化深 度达到钢筋表面时，钢筋才会发生锈蚀。因此将开始碳化的时间到结构发生锈胀开裂定义为第二 阶段。在此阶段，碳化速度加快，直到碳化到达钢筋表面。结构的可靠性没有发生太大变化，但 抗力有所衰减。 ( 3 ) 锈蚀破坏期( 结构开始锈胀开裂到结构出现较大变形的时间) 8 波槽结构时变可靠度研究 从混凝十表面冈钢筋锈蚀开始破坏发展剑混凝十严重剥落破坏，必须全面人修时为止，这段 时间以t 表示。 碳化剑达钢筋表面，导致混凝十保护层的开裂产生裂缝，随之结构的挠度开始变人。从而导 致i ：稃结构出现较人变形，丧火适州性。此时结构强度较人衰减，安全性降低，并且会出现较人 变形，适用性降低直至丧失。一般情况下，结构处丁此阶段时就应该根据，凡体结构的重要程度及 使州环境，来采取维修加i 州等措施，以延长结构的使朋寿命。 ( 4 )