（水工结构工程专业论文）可靠度和神经网络在混凝土耐久性评估中的应用.pdf

摘要摘要本文从混凝土结构耐久性研究的内容和发展现状着手，深入系统地研究了可靠度和神经网络在混凝土结构耐久性评估中的应用。在荷载作用、环境作用及材料内部作用下，结构的性能时时刻刻都在发生变化，这种变化使得结构实际的可靠度要比按现行的设计方法设计预计的可靠度低，本文针对老化混凝土结构抗力和荷载效应的时变性规律，通过离散化的方式将荷载效应和抗力随机过程简化为随机变量，建立了老化结构可靠度分析模型，提出考虑抗力随时间变化的结构可靠度的分析方法，并给出了结构可靠度分析的实例，利用一次二阶矩法的算法计算出不同时期的可靠指标，此方法与水利水电工程结构可靠度设计统一标准的可靠度分析方法是协调的，公式简便、实用，可以作为老化结构可靠度分析的参考方法，为混凝土耐久性评估提供依据。在水工混凝土结构耐久性检测与寿命预测中，依据现有水工结构检测规范，对泼河水库混凝土结构进行了耐久性检测与分析。基于f i c k ( 第一扩散定律) 经典碳化模型，建立水工结构混凝土碳化正常使用状态表达式。对小样本碳化检测数据进行数理统计分析，计算混凝土碳化深度、混凝土保护层厚度以及碳化速度系数的统计特征，根据可靠度理论计算水工结构混凝土碳化正常使用概率寿命。实例分析表明，该方法简易可靠，能够明确给出碳化耐久性失效的时间，为水工结构维修加固提供决策依据。然后，本文又提出了模糊一神经网络在耐久性评估中的应用。在讨论面向m a t l a b 7的b p 神经网络的构成之后，本文加入对建筑物耐久性的不确切因素的数据和模糊信息进行处理的能力，使得神经网络适合于对老化混凝土建筑物耐久性的评估。计算中，首先设计双层b p 网络，以混凝土强度值，碳化深度，最大裂缝宽度，钢筋锈蚀作为输入量，运用7 种不同的训练函数编制程序算出评估结果，得出b p 网络的优缺点；然后，针对b p 网络需要较长的训练时间、系统训练不稳定、收敛到局部极小值等缺陷，分别采取若干改进措施，设计一种新型的三层b p 神经网络，得出与实际符合的评估结果，说明该网络适用于混凝士耐久性的评估。关键词：混凝土结构耐久性评估，可靠度，随机变量，寿命预测，b p 神经网络sa r t i c l eb e g i n sf r o mt h ec o n c r e t es t r u c t u r ed u r a b i l i t yr e s e a r c hc o n t e n ta n d 也ed e v e l o p m e n tp r e s e n ts i t u a t i o n ，t h o r o u g h l ys y s t e m a t i c a l l ys t u d i e st h er e l i a b i l i t ya n dt h en e r v en e t w o r ko j n ) i nt h ec o n c r e t es t r u c t u r ed u r a b i l i t ya p p r a i s a la p p l i c a t i o n u n d e rt h el o a d ，e n v i r o n m e n ta n dm a t e r i a li n t e r n a la c t i o n , t h es t r u c t u r ep e r f o r m a n c ea l la r ec h a n g i n ga l lt h et i m e w h i c hc a u s e st h es t r u c t u r ea c t u a lr e l i a b i l i t yt ob el o w e rt h a ni td e s i g n e dw i t hn o r m a lm e t h o d s b a s e do nt h er u l eo f v a r i a b l er e s i s t i n gf o r c ea n dt h el o a de f f e c t ，t h ea r t i c l em g a r d st h e ma sr a n d o mv a r i a b l et h r o u g ht h ed i s c m f i z a t i o nw a y ，e s t a b l i s h e st h ea g e ds t r u c t u r er e l i a b i l i t ya n a l y s i sm o d e l ，p r o p o s e st h er e l i a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o d ，p r o d u c e st h es t r u c t u r er e l i a b i l i t ya n a l y s i se x a m p l e a n du s e di nas e c o n dm o m e n tm e t h o dt oe a l c u l m et h ed i f f e r e n tt i m et h er e l i a b l et a r g e t t h i sm e t h o di sc o o r d i n a t e dw i t hm l i a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o di n”h y d r a u l i cs t r u c t u r ee n g i n e e r i n gr e l i a b i l 埘d e s i g n 删f i c a t i o ns t a n d a r d ”1 1 l ef o r m u l ai ss i m p l e ，p r a c t i c a l i tm a yb er e f e r e n c em e t h o do ft h ea g e ds t r u c r t r er e l i a b i l i t ya n a l y s i sa n di ta l s oc a np r o v i d et h eb a s i sf o rt h ec o n c r e t ed u r a b i l i t ya p p r a i s e i nt h ew a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c tc o n c r e t es t r u c t u r ed u r a b i l i t ye x a m i n a t i o na n dt h el i f ef o r e c a s t , h a s e do nt h ee x i s t i n gw a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c ts t m c r t r ee x a m i n a t i o ns t a n d a r d ，t os p r i n k l e dt h ep o h er e s e r v o i rc o n c r e t es t r u c t u r et oc a r r yo nt h ed u r a b l ee x a m i n a t i o na n dt h ea n a l y s i s b a s e do nt h ef i c k( f i r s ts c a t t e r i n gl a w ) t h ee l a s s i c sc a r b o n i z a t i o nm o d e l ，e s t a b l i s h e st h ew a t e rc o m e r v a n c yp r o j e c ts t r u c t u r ec o n c r e t et oc a r b o n i z et h en o r m a lr u n n i n gc o n d i t i o ne x p r e s s i o n c a r r i e so nt h em a t h e m a t i c a ls t a t i s ma n a l y s i st ot h es m a l ls a m p l ec a r b o n i z a t i o ne x a m i n a t i o nd a t a ，t h ec o m p u t a t i o nc o n c r e t ec a r b o n i z a t i o nd e p t h c o n c i g c ep r o t e c t o rt h i c k n e s sa sw e l la st h ec a r b o n i z a t i o ns p e e dc o e f f i c i e ms t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c ，c a r b o n i z e st h en o r m a lu s el i f ce x p e c t a n c ya c c o r d i n gt ot h em a r g i no fs a f e t yt h e o r e t i c a lc a l c n i a t i o nw a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c ts t r u c n j r ec o n c r e t e t h ee x a m p l ea n a l y s i si n d i c a t e dt h a t ，t h i sm e t h o ds i m p l er e l i a b l e ，c a ne x p l i c i t l yg i v et h et i m ew h i c ht h ec a r b o n i z e dd u r a b i l i t ye x p i r e s ，i st h ew a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c ts t r u c t u r es e r v i c er e i n f o r c e m e n tp r o v i d e st h ep o l i c y - m a k i n gb a s i s t h e n ，t h i sa r t i c l ea l s op r o p o s e st h ef u z z y n e r v en e t w o r ki nt h ed u r a b l ea p p r a i s a la p p l i c a t i o n a f t e rd i s c u s s i n gt h ec o m p o s i n go ft h eb pn nf a c i n gt ot h em a t l a b 7 ，t h ea r t i c l ea d d st h ea b i l i t yt od e a lw i t hf u z z yi n f o r m a t i o na n du n e e g t a i nf a c t o r w h i c hm a k e sn nb es u i t a b l e d u r i n ge a l c u l a t i o n ，f i r s t l y ，id e s i g nad o u b l eb pn n ，i n p u tt h ec o n c r e t es t r e n g t h ，t h ec a r b o n i z a t i o nd e p t h ，m a xc r a c kw i d t h ，c o r r o s i o na n dd e s i g np r o g r a m m e sw i t h7d i f f e r e n tt r a i n i n gf u n c t i o n s s oig e tt h em e r i ta n ds h o r t c o m i n gf r o ma n a l y z i n gr e s u l t t h ed e s i g n e db pn e th a ss o m es h o r t c o m i n gs u c ha sn e e d i n gl o n gt r a i n i n gt i m e ，u n s t e a d ys y s t e m ，r e g i o n a lr a i ne c t it a k es o m ee f f e c t i v em e a s u r g sr e s p e c t i v e l ya n dd e s i g nan e wt h r e el a y e rb pn e tt om a t c ha n a l y z i n gr e s u l t ，w h i c ha c t u a l l yp r o v e st ob es u i t a b l ea n dp r a c t i c a l k e yw o r d s ：t h ec o n c r e t es t r u c t u r ed u r a b i l i t ya s s e s s m e n t ，r e l i a b i l i t y , r a n d o mv a r i a b l e ，l i f ef o r e c a s t ，b pn e u r a ln e th独立完成与诚信声明本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则本人愿意承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。学位论文作者( 签字) ：f 2 0 0 66 月5 日妙第1 章绪论第1 章绪论摘要介绍了混凝土结构耐久性概念、研究的重要性及意义，在总结国内外混凝土结构耐久性研究成果的基础上，提出本文的主要工作内容。关键词混凝土结构耐久性；主要工作内容1 1混凝土结构耐久性的概念及研究的重要性我国水利水电工程结构可靠度设计统一标准中对结构可靠度的定义为：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。规定的时间是指结构的设计使用年限，规定条件是指正常设计、正常使用和正常维护，而预定功能则指结构的安全性、适用性和耐久性【l 】0所谓结构的耐久性是指结构在正常设计、正常使用和正常维护条件下，在规定的时间内，由于结构构件性能随时间的劣化，但仍能满足预定功能的能力；结构耐久性还可定义为结构在化学的、生物的或其他不利因素的作用下，在预定的时间内，其材料性能的恶化不致导致结构出现不可接受的失效概率：或指结构在要求的目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理而能保证其安全性和适用性的能力。从结构可靠性与耐久性的定义可以看出，结构可靠性主要表征结构的能力问题，而结构的耐久性则主要反映时间问题。混凝土是工程中用量最多的建筑材料，也是最主要的结构材料，钢筋混凝土结构已成为世界上应用最为广泛的结构形式。我国每年耗费在混凝土结构上的费用为2 0 0 0 亿元以上1 2 j 。在人们的传统观念中总是认为钢筋混凝土结构是由最为耐久的混凝土材料浇注而成，虽然钢筋易腐蚀，但有混凝土保护层，钢筋也不会发生锈蚀，因此，对钢筋混凝土结构的使用寿命期望值也是很高的，从而忽视了钢筋混凝土结构的耐久性问题，对钢筋混凝土结构耐久性的研究相对滞后，为此付出了巨大的代价。美国标准局( n b 8 ) 1 9 7 5 年的调查表明，美国全年各种因腐蚀造成的损失为7 0 0 多亿美元，其中混凝土中钢筋锈蚀造成的损失约占4 0 。在美国州际公路网5 6 万座桥中，处于严重失效的就有9 万座，1 9 6 9 年一年用于修复因钢筋锈蚀而损坏公路桥面板的费用高达2 6 亿美元，1 9 7 8 年增至6 3 亿美元。美国材料咨询委员会( n m a b ) 1 9 8 7 年的报告中指出，有2 5 3 0 0 0 0 座混凝土桥处于不同程度的损伤状态，且以每年3 5 0 0 0 座的速度在增加：1 9 9 1 年用于修复由于耐久性不足而损坏的桥梁就耗资9 1 0 亿美元。英国每年用于修复钢筋混凝土结构的费用达2 0 0 亿英镑。日本目前每年仅用于房屋结构维修的费用即达4 0 0 亿日元，大约有2 1 4 的钢筋混凝土结构损坏是因钢筋锈蚀引起的。引以自豪的新干线使用不到1 0 年，就出现大面积混凝土开裂，剥蚀现象。据瑞士联邦公路局统计，瑞士公路系统约有3 0 0 0 座桥梁，每年用于桥面检测及维护的费用就达8 0 0 0 万瑞华北水利水电学院硕士学位论文士法郎，至于修理或更换的费用就更高例。我国混凝土耐久性问题也不容忽视。我国1 9 9 9 年底一年内由腐蚀造成的损失约为1 8 0 0 3 6 0 0 亿元，其中钢筋腐蚀占4 0 ，约为7 2 0 1 4 4 0 亿元。8 0 年代，水电部水工混凝土耐久性调查组通过对全国的水电站进行了大规模调查指出，全国3 2 座大型混凝土坝及4 6 座钢筋混凝土闸、涵、渡槽调查表明，混凝土碳化及钢筋锈蚀的工程占调查工程总数的4 0 一5 0 。1 9 8 4 年调查浙江沿海使用仅7 年到1 0 余年的2 2 座钢筋混凝土水闸( 构件共9 6 7 件) ，钢筋腐蚀使混凝土顺筋胀裂、剥落甚至钢筋锈断的构件占5 6 。中国建筑科学研究院对我国建筑物耐久性的调查表明，工业建筑的破损比较严重，其结构的使用寿命一般不能保证5 0 年，多数在2 5 年一3 0 年左右就必须进行大修或加固1 4 j 。目前我国的重大工程如三峡水利工程、青藏铁路、南水北调、西气东输等，都是国家投资上千亿的大型工程，它们的建设和运营情况直接关系到国家的经济发展和民族兴旺，其结构的耐久性问题更是十分重要。钢筋混凝土结构耐久性问题是一个十分重要而且迫切需要加以解决的问题，通过开展对钢筋混凝土结构耐久性的研究，一方面能对已有的建筑结构物进行科学的耐久性评定和剩余寿命预测，以选择对其采用正确的处理方法；另一方面也可对新建工程项目进行耐久性设计与研究，揭示影响结构寿命的内部与夕 部因素，从而提高工程的设计水平和施工质量，确保混凝土结构生命全过程的正常工作。因此，它既有服务于服役结构的现实意义，又有指导待建结构进行耐久性设计的重要作用。同时，对于丰富和发展钢筋混凝土结构可靠度理论也具有一定的理论价值。1 2 混凝土结构耐久性的研究溉况1 2 1 国外的研究概况1 8 2 4 年，随着伯特兰水泥的问世，人类便开始了应用混凝土建造建筑物的历史，同时，混凝土结构耐久性的问题也随之出现。早期混凝土结构耐久性的研究主要集中在了解海上构筑物中混凝土的腐蚀情况。在1 9 世纪4 0 年代，为了探索那个年代建成的码头被海水毁坏的原因，卓越的法国工程师b u k a 对水硬性石灰以及用石灰和火山灰制成的砂浆性能进行了研究，并著有水硬性组分遭受海水腐蚀的化学原因及其防护方法的研究一书，这是研究海水对水硬性胶凝材料制成的混凝土腐蚀破坏的第一部科研著作。1 8 8 0 - 1 8 9 0 年，当第一批钢筋混凝土构件问世并首次应用于工业建筑物时，人们便开始研究钢筋混凝土能否在化学活性腐蚀条件下安全使用以及在工业大气环境中混凝土结构的耐久性问题。2 0 世纪2 0 年代初，随着结构计算理论及施工技术水平的相当成熟，钢筋混凝土结构开始被大规模采用，应用的领域也越来越广阔，因此许多新的耐久性损伤类型逐渐出现，这直接促使人们必须有针对性地进行研究。1 9 2 5 年，美国开始在硫酸盐含量极高的土壤内进行长期实验，其目的是为了获取2 5 年、5 0 年以至更长时间的混凝土腐蚀数2第1 章绪论据；前联邦德国钢筋混凝土协会利用混凝土构筑物遭受沼泽水腐蚀而损坏的事例，也对混凝土在自然条件下的腐蚀情况进行了一次长期的试验；4 0 年代，美国学者t e s t a n t o n 首先发现并定义了碱一骨料反应，此后在许多国家混凝土结构的耐久性问题受到了重视；1 9 4 5 年，p o w e r s 等人从混凝士亚微观入手，分析了空隙水对孔壁作用，提出了静水压假说和渗透假说，开始了对混凝土冻融破坏的研究；1 9 5 1 年，前苏联学者最先开始了混凝土中钢筋锈蚀问题的研究，其目的是为了解决混凝土保护层最小的薄壁结构的防腐问题和使用高强度钢制作钢筋混凝土构件的问题，其成果反映在专著混凝土的腐蚀和混凝土和钢筋混凝土的腐蚀及其防护方法；同时，在大规模研究工作的基础上制定了防腐标准规范，如建筑物结构防腐设计标准c h 2 6 3 - 6 3 、c h 2 6 3 6 7 ，为建筑物具有足够耐久的混凝土结构奠定了基础。进入2 0 世纪6 0 年代，混凝土结构的使用已经进入了高峰期，同时混凝土耐久性的研究也进入了一个高潮，并且开始朝系统化、国际化的方向发展。国际材料与结构研究联合会( r i l e m ) 于1 9 6 0 年成立了“混凝土中钢筋腐蚀”技术委员会( 1 3 一c r c ) ，旨在推动混凝土结构耐久性研究的发展，使得混凝土结构正常使用的问题逐渐成为国际学术机构和国际性学术会议讨论的重要课题之一。1 9 6 1 年和1 9 6 9 年r i l e m 召开国际混凝土耐久性学术会议；1 9 7 0 年在布拉格召开了第六届、第七届国际水泥化学会议：1 9 7 8 年至1 9 9 3 年连续六次召开了建筑材料与构件的耐久性国际学术会议：1 9 8 7 年，国际桥梁与结构协会( i a b s e ) 在巴黎召开了“混凝土的未来”国际会议；1 9 8 8 年在丹麦召开了“混凝土结构的重新评估”国际会议；1 9 8 9 年美国和葡萄牙举办了有关结构耐久性的国际会议；1 9 9 1 年美国和加拿大联合举行了第二届混凝土结构耐久性国际学术会议；1 9 9 3 年i a b s e 在丹麦哥本哈根召开了结构残余能力国际学术会议；2 0 0 1 年3 月国际桥梁结构协会( i a b s e ) 代表c i b 、e c c s 、f i b 、r i l e m 等组织在马尔他岛召开了“安全性、风险性与可靠性一一工程趋势”的国际学术会议。这些学术活动的开展大大加强了各国学术界之间的合作与交流，取得了显著的成果，部分科研成果已应用于工程实践并成为指导工程设计、施工等的标准性技术文件。如美国a c l 4 3 7 委员会1 9 9 1 年提出已有混凝土房屋抗力评估的最新报告中，提出了检测实验的详细方法和步骤；日本土木学会混凝土委员会于1 9 8 9 年制定了混凝土结构耐久性设计准则( 试行) ；1 9 9 2 年，欧洲混凝土委员会颁布的耐久性混凝土结构设计指南反映了当时欧洲混凝土结构耐久性研究的水平；2 0 0 1 年亚洲混凝土模式规范委员会公布了亚洲混凝土模式规范( a c m c 2 0 0 1 ) ，提出了基于性能的设计方法。1 2 2 国内的研究概况在我国，国家科委早在5 0 年代末期就组织了许多单位对金属材料、非金属材料的腐蚀问题进行了大规模的试验研究，对混凝土结构耐久性的研究始于6 0 年代初南京水利科学研究院的钢筋锈蚀研究，6 0 年代中期对混凝土碳化和钢筋锈蚀也作过一些研究华北水利水电学院硕士学位论文工作，当时主要的研究内容是混凝土的碳化和钢筋的锈蚀。8 0 年代初，我国对混凝土结构的耐久性进行了广泛而深入的研究，取得了不少成果。中国土木工程学会于1 9 8 2年和1 9 8 3 年连续召开了两次全国耐久性学术会议。铁道部、交通部和中国土木工程学会等有关部门结合工程的需要对混凝土结构的腐蚀组织进行了实验研究，收集了大量的实验数据。1 9 9 1 年1 2 月在天津全国混凝土耐久性学组成立了，它的诞生将使我国混凝土结构耐久性的研究朝系统化、规范化的方向迈进了一步。国家科委1 9 9 4 年组织的国家基础性研究重大项目( 攀登计划) “重大土木与水利工程安全性与耐久性的基础研究”也取得了很多研究成果。2 0 0 0 年5 月在杭州举行了土木工程学会第九届年会学术讨论会，混凝土结构的耐久性是大会的主题之一，会议认为必须要重视工程结构耐久性的研究。2 0 0 1 年1 1 月国内众多相关专家学者在北京举行的工程科技论坛上，就土建工程的安全性与耐久性问题进行了热烈的讨论，混凝土结构耐久性问题得到了前所未有的重视1 5 j 。此外，作为建设部“九五”科技研究课题的混凝土结构耐久性设计建议正在编制之中。混凝土结构耐久性的研究工作己在我国如火如荼地开展。为尽快地制定出符合我国国情的行之有效的混凝土结构耐久性评估标准和耐久性设计规范，在研究工作中要注意耐久性微观机理的研究与工程损伤统计数据累积相结合；快速模拟试验和简便的现场实测工作并重；工程材料和工程结构学科的交叉。还要处理好耐久性研究的长期性与提高耐久性的迫切性的关系。不能设想等待研究成果很成熟，再制定标准和规范，应该根据现有成果加以实旅，不断地在实践中积累数据和经验，加以细化、定量化和深化。1 3 影晌混凝土结构耐久性的因素混凝土结构耐久性是指一个构件、一个结构系统、一幢建筑物或一座构筑物在一定时期内维持其安全性、适用性的能力。也就是说，耐久性能良好的结构，在其使用期限内，应当能够承受所有可能的荷载和环境作用，而且不会发生过度的腐蚀、损坏或破坏。由此可知，混凝土结构的耐久性是由混凝土、钢筋材料本身特性和所处使用环境的侵蚀性两方面因素共同决定的。影响混凝土结构耐久性的材料本身的内在机理是混凝土材料成分与气体、水化学反应中溶解物有害物质在混凝土孔隙和裂缝中的迁移，迁移过程导致混凝土产生物理和化学方面的劣化和钢筋锈蚀的劣化，其结果将使结构承载力下降、刚度降低和开裂。以及外观的损伤影响着结构的使用效果。混凝土材料本身导致劣化的内在因素有含碱度过低，氯离子含量过高、有碱活性骨料、盐类结晶等。影响水、气、溶解物在孔隙中迁移速度、范围和结果的内在条件是混凝士的孔结构和裂缝形态；影响迁移的外部因素是结构设计所选用的结构形式和构造、混凝土和钢筋材料的性质和质量、施工操作质量的优劣、温湿养护条件和使用环境等。4第l 章绪论图卜1 给出影响混凝土结构耐久性的原因、内在条件、影响的范围及其后果。对混凝土耐久性造成潜在损害的原因是多方面的。 构设计材料性质施工质量外界环境条件0jil掘凝士孔结构( 孔径及孔的分布)i水、气、溶解钉在掘凝土孔晾和裂缝中的迁移j ，l混凝土劣化钢筋劣化j ，j ，j ，l 物理作用i| 化学作用l锈蚀ijjwvvl 承载力下降刚度降低k| 表面损伤jjj ，结掏安全性使用性能外观影响因素内部条件影响范围耐久性能固1 - 1 影响混凝土结构砖久性的因素脚1 - 1f a c t o ro f t h ei n f l u e n c eo nc o n c r e t es t r u c t u r ed u r a b i l i t y1 3 1 影响因素l _ 设计构造上的原因( 1 ) 钢筋的混凝土保护层厚度太小；( 2 ) 沉降缝、伸缩缝构造不正确；( 3 ) 构件开孔洞的洞口边缘未配筋或配筋不当；( 4 ) 基础建在滨海盐渍地区；( 5 ) 隔热层、分隔层、防滑层处理不妥当等。2 材料质量不合格( 1 ) 使用的水泥品种不当，水泥含碱量过大；( 2 ) 使用含有较多的c 。s 、细度过小的水泥，加水拌合后水化加速，放热加剧，干燥收缩增大，导致混凝土开裂：( 3 ) 使用含有碱活性矿物的骨料；( 4 ) 骨料颗粒级配不当，例如使用花岗岩人工骨料，颗粒形状差、表面粗糙，会造成混凝土用水量增大，用水量高使硬化的混凝土孔隙增加；( 5 ) 外加剂使用不当，例如使用含有氯离子的非高效减水剂、使用含气量过大的引气华北水利水电学院硕士学位论文剂等。3 施工质量低劣( 1 ) 水灰比过大，例如：为便于施工、运输和浇捣，任意加大水灰比，导致增大孔隙率，渗透性加大；( 2 ) 单方水泥用量过大，例如：为缩短工期，提高混凝土早期强度，加大水泥用量，会引起收缩和水化热过大而开裂；( 3 ) 过早拆模，例如：为赶工期，加快模板的周转，提前拆模，不足以承担上部结构自熏和旋工荷载而引起早期开裂：( 4 ) 浇捣不当、养护不当，会产生蜂窝、孔洞和沉降微细裂缝，气温太低未加保护等；( 5 ) 旆工组织不当，造成不应出现的施工缝( 冷缝) ；( 6 ) 使用含有氯离子的早强剂；( 7 ) 使用海水搅拌混凝士等。4 外界环境条件恶化混凝土养护期的强度在干燥气候下养护或( 1 ) 气候条件异常，如气候突变，干湿环境交替频繁；( 2 ) 自然环境恶化，随着工业化和城市化的发展造成酸雨，空气质量下降，结构物周围遭受n c 0 2 、s 仉、h 2 s 0 a 气体的侵蚀；( 3 ) 建筑场地有害物质的侵入。例如：地基土有侵蚀性水，碳酸盐及碱溶液侵入等等。1 3 2 混凝土结构耐久性劣化的内在条件与机理所有影响混凝土结构耐久性的化学和物理过程都与气体、水及其溶解的有害物质从混凝土的表面进入混凝土内部的迁移机理有关，不同环境条件其迁移机理不同。在潮湿空气条件下的混凝土内部，较大的孔充满着空气，孔的表面覆盖着一层被吸附的水膜，小孔内可能充满着潮湿空气中的水分。环境中的气体、水或者溶于水的物质进入混凝土内部都是一个扩散过程。这个扩散过程是由介质的浓度差所驱动。例如，c o 。气体进入混凝土内，c 0 ：与混凝土内的孔壁起化学反应，使孔内c 0 ：浓度减小。气体的分子或c l 一离子的扩散都是从浓度高的区域向浓度低的区域迁移，扩散迁移的速率与介质的浓度和环境的湿度有关。溶解于水中的物质的扩散速率随混凝土含水量的减少而显著地下降。在浸入水中的条件下，水进入混凝土内部是一个渗透过程。小的渗透首先是由毛细管作用发生的，并随着水压力的增大而加快，水的迁移只有当暴露于空气中的混凝土表面的水蒸发，水的渗透依赖于水分的蒸发、毛细管作用和压力差的驱动，溶解于水的物质( 碳酸盐、氯化物、硫酸盐) 也随水一起迁移，但在水分蒸发区域内这些物质将残留在混凝土内。在混凝土表面形成结晶，即盐析现象，可引起混凝土分层剥落的损害。6第1 章绪论在有飞溅的雨水的条件下，混凝土表面潮湿时，混凝土由于毛细管吸附作用处于饱和状态，在水过剩的情况下，水的迁移是一种吸附过程，毛细管的吸附作用的效果取决于毛细孔隙表面的张力。例如：将一干燥的混凝土试件置于水溶液中，就会发生毛细管作用。处于地面水中的混凝土外墙，水沿毛细管上升，就是典型的例子。图1 - 2 影响混凝土耐久挂的内在条件与迁移机理f i g 1 - 2i n t r i n s i cc o n d i t i o na n dt h em i g r a t i o np r i n c i p l eo f t h ei n f l u e n c eo nd u r a b i l i t y图卜2 示意出影响混凝士耐久性的内在条件与迁移机理。侵蚀物质从外部环境到混凝土中能否与混凝土的组成起反应，取决于混凝土是否存在汽态或液态的水。升温作用能加快反应速度。高温可以提高分子和离子的迁移速率，反应速度加快，导致破坏的速度也增快。1 4 本文的主要工作本文主要是利用可靠度、神经网络两种方法分别对老化混凝土建筑物耐久性进行有效的评估。围绕这一目的，本文主要开展了如下工作：l 、介绍了混凝土结构耐久性概念、意义和国内外发展现状，从材料耐久性机理、耐久性评估剩余寿命预测、耐久性设计、提高耐久性技术措施等四个方面详细总结归纳了混凝土结构耐久性研究的内容、国内外研究成果，并提出了混凝土结构耐久性研究的发展方向。2 、在荷载作用、环境作用及材料内部作用下，结构的性能时时刻刻都在发生变化，这种变化使得结构实际的可靠度要比按现行的设计方法设计预计的可靠度低。本文针对老化混凝土结构抗力和荷载效应的时变性规律，通过离散化的方式将荷载效应和抗力随机过程简化为随机变量，建立了老化结构可靠度分析模型，提出了考虑抗力随时间变化的7华北水利水电学院硕士学位论文结构可靠度的分析方法，并给出了结构可靠度分析的实例，利用一次二阶矩法中的算法计算出不同时期的可靠指标，此方法与水利水电工程结构可靠度设计统一标准的可靠度分析方法是协调的，公式简便、实用，可以作为老化结构可靠度分析的参考方法，为混凝土耐久性评估提供依据。3 、介绍了神经网络的模糊逻辑理论、学习算法等基本原理，讨论了面向m a t l a b 7的b p 神经网络的构成。计算中首先设计双层b p 网络，运用7 种不同的训练函数编制程序算出评估结果，得出b p 网络的优缺点；然后，针对b p 网络的以上缺陷，分别采取若干改进措施，设计三层b p 神经网络，得出与实际符合的评估结果，说明改进后的b p 神经网络适用于混凝士耐久性的评估。4 、依据现有水工结构检测规范，对泼河水库混凝土结构进行了耐久性检测与分析。基于f i c k ( 第一扩散定律) 经典碳化模型，建立水工结构混凝土碳化正常使用状态表达式。对小样本碳化检测数据进行数理统计分析，计算混凝土碳化深度、混凝土保护层厚度以及碳化速度系数的统计特征，根据可靠度理论计算水工结构混凝土碳化正常使用概率寿命。实例分析表明，该方法简易可靠，能够明确给出碳化耐久性失效的时间，为水工结构维修加固提供决策依据。8第2 章混凝土结构耐久性的研究内容第2 章混凝土结构耐久性的研究内容摘要从四个方面详细归纳了混凝土结构耐久性研究的内容，总结了基于可靠度的结构耐久性分析与设计内容，并提出了混凝土结构耐久性研究的发展方向。关键词耐久性研究的内容，研究成果，发展方向2 1 耐久性研究内容概论混凝士结构的耐久性研究涉及的范围有材料耐久性机理、在役结构的耐久性评估、剩余寿命的预测、拟建结构的耐久性设计和提高结构耐久性的技术措施等诸多方面，如图2 1 所示州。混凝土结构耐久性，混凝土碳化li 腐蚀介质的侵蚀ii 冻融破坏材料耐久性、碱一骨料反应机理l 钢筋锈蚀i 磨损f 设计使用年限l 环境条件等级的确定j耐久性设计、耐久极限状态方程i 耐久性设计方法l、耐久构造措旅厂传统经验法i 模糊数学法耐久性评估神经网络法1和剩余寿命l 专家系统法预测l 可靠度法广改进结构设计l提高耐久性加强施工管理i技术措施、防止继续劣化措施图2 - 1 混凝土耐久胜研究内容框架t 3 9 1 - i b a s i c f h m e o f t h e r e s e a r c h c o n t e n t o f c o n c r e t e d u r a b i l i t y9华北水利水电学院硕士学位论文2 2 材料劣化原因及耐久性机理的研究材料本身的劣化是使结构耐久性变差的内在因素，因此，研究导致材料劣化的原因及其破坏机理至关重要。它是进行在役结构耐久性评估、预测剩余寿命和进行拟建结构耐久性设计的依据和基础。在这方面国内外已做过大量试验研究、工程调查、实践总结和理论分析。相对结构耐久性评估和结构耐久性设计而言，材料劣化机理的研究比较深入，取得不少研究成果，且已应用于实际工程中。研究材料劣化的目的在于分析其劣化破坏的机理，对耐久性影响的作用，找出影响的因素，制定检测的内容和方法，给出预测的数学物理模型，提出预防的措施及对策，为评估耐久性等级和进行耐久性设计提供理论基础。例如，对混凝土碳化的研究，要分析大气环境条件下混凝土产生碳化的机理，碳化对钢筋锈蚀的影响，影响碳化的因素，检测碳化深度的方法及预测其碳化深度或碳化速度的数学模型；对钢筋锈蚀的研究，要分析锈蚀损伤机理、影响因素、锈蚀对钢筋力学性能和钢筋与混凝土粘结锚固的影响，锈蚀对混凝土构件受力性能的影响，检测锈蚀程度和预测锈蚀率的数学模型；对碱一骨料反应的研究，要分析碱一骨料反应发生的条件，碱一骨料反应对混凝土破坏的作用，骨料碱活性的检测，控制碱一骨料反应发生的条件，含碱量的限制；对冻融破坏的研究，要分析其破坏的机理，除冰盐的破坏作用，表述抗冻性的参数和预测数学模型，提高混凝土抗冻性的措施，掺入引气剂的作用，含气量的限制；对抗化学腐蚀的研究，要分清不同腐蚀介质的破坏机理及其影响，提出防护措施及治理对策等等。研究材料劣化的原因及其耐久性机理，应该采取工程材料学科与结构工程学科相结合共同研究。应从结构材料着手，例如：研究混凝土碳化规律时，不能单纯着眼于不受力的混凝土材料，仅考虑受c 0 2 、介质浓度、相对湿度、水灰比等因素，还要考虑我们研究的对象是承重结构的混凝土，其本身是处于拉压应力状态，不同受力状态和受力大小的不同，对混凝土碳化速率有一定影响；混凝土表面有无装饰面层，对混凝土碳化深度也有明显的影响：再如，处于受力状态的钢筋锈蚀与非受力状态的钢筋锈蚀也有着不同，应力金属的腐蚀比非应力金属的腐蚀更迅速，当应力接近屈服点或高于屈服点时，这影响就显示出其差异，这与天然氧化薄膜的破坏和钢筋表面电动势的显著减小有关。预应力钢筋应力高，较脆，对应力腐蚀和应力腐蚀疲劳极为敏感。研究材料损伤的机理，还要考虑到各种损伤之间的互相影响和互相作用，建立多因素影响的损伤模型。2 3 在役结构耐久性评估的研究对在役结构耐久性评估的研究，涉及的内容有混凝土构件耐久性性能的检测，构件耐久性性能的评定、结构耐久性等级评定、结构剩余寿命的预测等。1 0第2 章混凝土结构耐久性的研究内容混凝土构件耐久性性能的检测，包括外观损伤检测，环境条件的调查及一些物理参数的测定。这些是进行结构耐久性评估的基础工作，应研究确定必要的不可少的检测内容和有效的检测方法。例如，外观损伤状况的检查内容应包括检查外观尺寸的变化，混凝土表面有无结晶物析出，有无锈斑、露筋，混凝土表面有无起鼓，酥松剥离现象，构件开裂部位、形态、裂缝的走向等；对环境条件的调查应收集结构物环境的气温变化、湿度变化、空气的质量以及海工结构物所处的位置等。混凝土结构检测方法很多，有力学检测法、物理检测法、化学检澳i 法；对在役结构的力学检测法可以直接对结构、构件进行现场的静力承载力测，或取混凝士芯样和钢筋试样在万能试验机上测定，对在役结构的检测一般不希望破坏结构现状，多用非破损检测方法的物理检测法，间接测定混凝土和钢筋的物理参数以推定材料损伤程度和结构构件的耐久性。例如对混凝土碳化深度的测定，可以采用1 浓度的酒精酚酞化学试剂，根据反应的颜色可以区分p h = 9 的界线，还可以采用酸碱混合指示剂，根据反应的不同颜色判别不同的p h 值，测试出碳化影响的深度。因钢筋锈蚀引起的结构耐久性的损伤和破坏比较多见。除大气环境下混凝土碳化导致的钢筋的锈蚀外，在有侵蚀性化学物质扩散的化工车间、酸洗车间和有海水千湿交替环境的海工结构以及使用除冰盐的道路桥梁结构中，这种损伤更是很突出。就其腐蚀性质分，有自然电化学腐蚀、杂散电流腐蚀、应力腐蚀和氢脆腐蚀，因此就要研究判别引起腐蚀的坏境条件，采取相应的检测手段。如检测钢筋的锈蚀，可以先通过混凝土表面外观检测。如混凝土表面有锈迹，说明钢筋已有锈蚀；钢筋锈蚀到一定程度，混凝土表面会出现沿钢筋的纵向裂缝；当钢筋锈蚀引起混凝土刚开裂时，锈蚀程度主要与钢筋类型、直径、保护层厚度、混凝土强度和钢筋所处的位置有关。可以采用半电池电位及电阻测量钢筋的锈蚀程度。按“半电池电位测量钢筋”( a s t m 8 7 6 - - 8 3 ) ，当钢筋自然电位在一2 0 0 至一3 0 0 m v 时，将有5 0 9 6 腐蚀可能性。实际应用还需与现场实际情况相对照，与车间环境的相对湿度、防护条件有关，也可用测量混凝土电阻率来评判，混凝土电阻率为5 0 0 0 1 2 0 0 0 欧，则有腐蚀可能。当混凝土开裂以后，可根据纵向裂缝宽度、钢筋类别、直径、保护层厚度、混凝土强度、钢筋所处位置宏观定量评定钢筋锈蚀量【7 。我国有不少地区的水泥含碱量偏高，且有不少地区的骨料含有碱活性矿物，引起的碱一骨料反应是耐久性破坏的一个很重要特征。因此，研究测定混凝土含碱量和骨料活性的方法，也是耐久性检测的一个很重要的内容。目前国内已有混凝土碱含量限值标准、砂石碱活性快速鉴定方法等规程。但还要着重研究实验室测定的试件的膨胀值与结构混凝土实际反应的相互关系，为诊断碱一骨料反应提出评定的参数。在役混凝土结构使用若干年后，结构遭到各种损伤、结构性能退化，必然影响使用寿命。如何根据剩余寿命决策维修加固方案，是一个很现实的问题，而现有国标工业厂房可靠性鉴定标准、民用建筑可靠性鉴定标准，对如何量化结构耐久性等级和预测剩余寿命尚未涉及。目前正在编制的混凝土结构耐久性评定标准可作为上述两华北水利水电学院硕士学位论文项标准的补充文件。但该文件主要是针对一般大气环境下钢筋锈蚀进行评估。事实上导致结构耐久性能退化的因素，如混凝土冻融破坏、碱一骨料反应、磨损、化学介质的侵蚀等，对这些因素的影响尚有待补充。根据结构耐久性的定义，结构耐久性的评定拟分别按安全耐久性和适用耐久性进行评定。耐久性评定标准拟根据结构失效后的严重性、结构物所处环境的类别、结构损伤状况和目标使用年限要求定出耐久性分类标准。结构构件适用耐久性拟分别按混凝土保护层锈胀开裂、锈胀裂缝限值耐久性评定和按使用上需要控制的变形值进行变形值耐久性评定。结构构件安全耐久性按考虑由于材料腐蚀引起的各种受力构件承载力下降程度进行评定。先选择各种不利情况进行单体评定，然后再进行整体评定。剩余使用寿命预测的目的在于确定继续使用的可靠性和决策必要的维修加固方法。为预测剩余寿命需要了解结构体系合理性，混凝土结构损害状况，判断劣化程度及其进一步劣化的趋势，荷载有无超载及未来荷载情况。获取上述资料数据可以通过现场勘察调查。分析结构实际尺寸及配筋与设计文件符合程度；通过现场非破损检测和现场取样试验室试验测定混凝土、钢筋物理力学性能、碳化深度、氯离子侵入深度、钢筋侵蚀率：通过预测数学模型，估算氯离子及其他有害介质扩散、渗透的速率。根据耐久性损伤现状、构件实际剩余的面积和材料的实测强度及其锚固性能退化程度，再进一步对构件实际承载能力进行校验。对整个结构剩余使用寿命的预测，除依据主要承重构件评估外，还要考虑到地基基础及结构构件连接的可靠性对使用寿命的影响。2 4 拟建结构耐久性设计的研究目前混凝土结构设计方法主要是针对承载力极限状态进行安全设计和考虑约束变形作用进行适用性的验算，对结构随时间变化和环境条件的影响导致结构性能的退化，则考虑得较少。当结构的使用环境能明显地影响混凝土结构材料性能的劣化和结构的使用寿命时，就非常有必要在设计文件中列入耐久性设计的专门内容。进行拟建结构的耐久性设计时，需要针对设计对象的不同设计使用寿命的要求，采取相应的措施。过去我国设计规范对设计使用寿命无明确的规定。最近修订的建筑结构设计统一标准已将建筑结构设计使用年限划分