全時域初值推進邊界元法分析氯鹽侵蝕下混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命

1、全時域初值推進邊界元法分析氯鹽侵蝕下混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命 摘要：通常采用的分時段逐步推進邊界元法在分析氯鹽對混凝土的侵蝕問題時存在缺陷。為此，研究建立了全時域初值推進邊界元法，據(jù)此計算了氯鹽侵蝕環(huán)境中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命，分析了氯離子擴散維數(shù)對混凝土中氯離子濃度和服役壽命的影響。研究了分時段逐步推進邊界元法計算氯離子擴散時產(chǎn)生問題的原因。算例結(jié)果表明：混凝土中氯離子擴散的維數(shù)將直接影響到混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命，必須在設(shè)計中加以考慮。而且，全時域初值推進邊界元法可以消除混凝土中氯離子擴散域內(nèi)的積分項，避免域內(nèi)離散，因此與分時段逐步推進邊界元法相比，能夠簡化計算格式，提高迭代收斂過程的穩(wěn)定性和計算

2、結(jié)果的精度，減少計算耗時。 關(guān)鍵詞： 混凝土結(jié)構(gòu)；氯鹽環(huán)境；服役壽命；邊界元法；時間進程 中圖分類號：TU 528.07 文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2013）03-0057-06 Service Life Prediction of Concrete Structures under Chloride Environment Jiang Qiongming1， Yang Lufeng1，2， Chen Zheng1 （1. School of Civil Engineering and Architecture； Key Laboratory of Disaster Pre

3、vention and Structural Safety of China Ministry of Education， Guangxi University， Nanning 530004， P.R.China； 2. Department of Housing and Urban-Rural Development， Guangxi Zhuang Autonomous Region， Nanning 530028， P.R.China） Abstract： The problems rendered from the conventional time marching， referri

4、ng to stepwise time marching scheme （STMS） adopted in boundary element method （BEM） for chloride diffusion in concrete structures， were investigated， and a new time marching， referring to initial time marching scheme （ITMS） in BEM， was developed for evaluation of service life of the concrete structu

5、res under chloride environment. Results of the numerical examples show that the ITMS-BEM proposed can eliminate domain integral and simplify the computational model， so that the stability in iteration process can be improved， resulting in better efficiency and accuracy， compared with the STMS-BEM. I

6、t can also be concluded that the dimensions of the diffusion of chloride can affect the service life of the concrete structure significantly， which should be taken into account in structural design. Key words： concrete structure； chloride environment； service life； boundary element method； time marc

7、hing scheme 暴露在氯鹽環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)，由于氯離子的侵入使鋼筋表面的氯離子濃度達到臨界濃度而導(dǎo)致鋼筋銹蝕，從而影響到混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性，因此，預(yù)測氯離子在混凝土中的濃度分布是評價混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命的一個重要環(huán)節(jié)。雖然氯離子侵入混凝土包括了擴散作用、滲透作用、電化學(xué)遷移等綜合因素的結(jié)果，但在實際的應(yīng)用中通常認為擴散起主導(dǎo)作用，并采用基于Fick第二定律的氯離子擴散模型進行分析。余紅發(fā)等1-3提出了能同時考慮氯離子的結(jié)合能力、氯離子擴散系數(shù)的時間依賴性和結(jié)構(gòu)微缺陷影響的混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命解析模型；Tang等4討論了使用過于簡單的數(shù)學(xué)解分析混凝土服役壽命可能帶來的誤差，并給出了

8、一個改進的解析分析方法。雖然解析方法計算量少，使用簡單，但由于解析解常受到規(guī)則邊界條件和材料均勻性的局限，所以實際上常常需要借助于有限元等數(shù)值方法。Han5考慮結(jié)合氯離子和蒸發(fā)水對氯離子擴散系數(shù)的影響，利用有限元方法分析了混凝土中氯離子濃度的分布；Var Dimitri等6應(yīng)用有限差分法對氯離子引起混凝土中鋼筋腐蝕的初始時間進行了評估。楊綠峰等7提出了氯離子擴散場的計算長度，并據(jù)此建立了混凝土中氯離子擴散分析的補償長度理論8及服役壽命分析的邊界元法9。有限元法適應(yīng)性強，但在計算過程中通常在時間域和空間域中需要同時采用細密離散網(wǎng)格，計算量較大、效率不高。邊界元法的未知量僅存在于邊界結(jié)點上，可以使

9、待求解問題的維數(shù)降低一維，未知量較少，計算效率得到很大提高。 使用邊界元法解決瞬態(tài)擴散問題時，可采用與時間相關(guān)7， 9及與時間不相關(guān)112種基本解。楊綠峰7和郭力12分別采用與時間相關(guān)和與時間不相關(guān)的基本解建立了混凝土中氯離子擴散分析的邊界元法。前者可以用較少的時間步得到精度較高的計算結(jié)果8，所以更適合于在氯離子擴散分析中應(yīng)用，而且可以選擇采用2種不同的時間進程解決時域積分問題13：分時段逐步推進法和全時域初值推進法，前者將時間域離散后逐段建立邊界元法計算格式，并以前一時間段的計算結(jié)果作為下一時間段的初始值；后者總是從初始時刻開始積分，不需要對每個時間步的結(jié)果求域內(nèi)積分，保證了邊界元法計算模型

10、僅在擴散域邊界上離散，提高計算效率14。 本文采用與時間相關(guān)的基本解，并利用氯離子擴散場補償長度理論8建立了混凝土中氯離子擴散分析的邊界元法，分別利用分時段逐步推進法和全時域初值推進法作為邊界元法的時間進程，比較了2種時間進程在氯離子擴散問題中的特點，結(jié)果表明：基于全時域初值推進法建立混凝土中氯離子擴散分析的邊界元法，可以避免分時段逐步推進法在氯離子擴散域內(nèi)產(chǎn)生的積分項和域內(nèi)積分問題，從而簡化計算格式，顯著提高計算效率，而且能夠保證邊界元模型中時間域離散網(wǎng)格和計算格式的收斂性，提高計算結(jié)果的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，進一步研究了混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命，分析了氯離子擴散維數(shù)對混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕過程與服役壽命

11、的影響。 1 混凝土中氯離子擴散分析的邊界元法 基于Fick第二定律的二維擴散方程可以表示為： 式中：C為混凝土中氯離子濃度（%，氯離子質(zhì)量占混凝土質(zhì)量的百分比，本文中氯離子濃度均為此單位）；q為氯離子的濃度梯度，是C的方向?qū)?shù)；t為混凝土暴露于氯離子環(huán)境中的時間（a）；D為混凝土中氯離子擴散系數(shù)（mm2/a）；Cs、qs分別為混凝土表面氯離子濃度、濃度梯度；C0為混凝土內(nèi)部初始氯離子濃度；1、2和分別為混凝土的第一、二類邊界和域內(nèi)。 將混凝土中氯離子擴散的時間域t0 ， tn離散成n個子域tk-1，tk，（k=1，2，n），且： 可以看出，式（4）中每一項積分的起始點都是時間子域的初始時刻t

12、k-1，并將前一個時間子域的計算結(jié)果作為該子域的初始值，屬于分時段逐步推進法。由于等號右側(cè)第二項屬于域內(nèi)積分，因而該邊界元模型通常需要開展域內(nèi)離散，不僅增加計算量，而且有可能導(dǎo)致計算誤差積累，降低計算精度，消減了邊界元法的優(yōu)勢。 3 氯離子侵蝕下混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命分析的邊界元法 處于氯鹽環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命是指結(jié)構(gòu)建成開始使用到結(jié)構(gòu)失效的時間過程，包括誘導(dǎo)期、發(fā)展期和失效期3個時期。其中，誘導(dǎo)期是指混凝土內(nèi)鋼筋表面氯離子濃度達到臨界值所需的時間；發(fā)展期是指從鋼筋銹蝕到混凝土保護層脹裂所需的時間；失效期是指從保護層開裂到結(jié)構(gòu)失效所需的時間。文獻中通常將誘導(dǎo)期作為氯鹽環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的服

13、役壽命9，而將發(fā)展期和失效期作為結(jié)構(gòu)的安全儲備。因此這里將誘導(dǎo)期壽命近似視為混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命。 根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕的閾值濃度Ccr和鋼筋表面某點（xd， yd）處t時刻的氯離子濃度C（xd， yd， t），可以建立混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕的極限方程： 4算例分析 算例1： 使用文獻7中的算例，邊長為1 000 mm的鋼筋混凝土方板，厚度為100 mm，將其中的4個面用環(huán)氧樹脂封閉，沿厚度方向留下2個相鄰面AB和AD暴露在含氯離子的溶液中，如圖1所示?；炷恋?個暴露面上的表面氯離子濃度Cs=1%，初始氯離子濃度為0，混凝土的氯離子擴散系數(shù)D為1.010-12 m2/s。分別采用文獻7和本文中2

14、種時間進程的邊界元法格式計算混凝土板內(nèi)部對角線處的氯離子濃度，并比較2種時間進程對計算結(jié)果的影響。 計算擴散時間分別為10 a、30 a時混凝土中的氯離子濃度，根據(jù)混凝土中氯離子擴散分析的補償理論7-8，邊界元計算模型的長度Lt： 擴散時間為10、30 a時的補償長度分別取為L10=70 mm、L30=110 mm，兩者都小于構(gòu)件的實際長度，這里取計算長度建立邊界元法計算模型，利用全時域初值推進邊界元法計算混凝土板對角線AC上的氯離子濃度值。計算模型中，時間域被均勻劃分為5個子域。為了分析模型的收斂性，將模型的全部邊界分別離散為8、16和32個等長度單元，并將計算結(jié)果與有限元相比較，有限元模型

15、的離散網(wǎng)格為10 mm10 mm，時域離散步長為t=0.5 a。結(jié)果如圖2所示。從中可以看出，全時域初值推進邊界元法計算結(jié)果與有限元法吻合良好，將邊界離散為16個邊界單元時即可獲得較好的計算精度。 為了對比全時域初值推進法和分時段逐步推進法對邊界元法計算結(jié)果和計算效率的影響，這里分別利用兩種時間進程方法計算擴散時間為30 a時，混凝土板對角線AC上坐標為（40 mm，40 mm）處的氯離子濃度，并根據(jù)有限元法結(jié)果分析計算精度和計算效率。2種方法取同樣的BEM離散模型，即將邊界離散為16個邊界單元。另外，由于分時段逐步推進法含有域內(nèi)積分項，需將擴散域離散為10 mm10 mm的域內(nèi)單元，并采取高

16、斯積分的方法加以處理。計算結(jié)果如圖3、表1所示，從中可以看出時間域劃分的時段數(shù)量對2種方法計算結(jié)果的精度和效率有明顯影響。對于全時域初值推進法，邊界元法計算用時少，且計算結(jié)果隨著時段數(shù)量的增加而快速收斂。而分時段逐步推進法耗時隨著時段數(shù)量的增加而顯著增加，而且在時段不超過5個時，計算結(jié)果快速向有限元結(jié)果靠近，但當時域離散的時段繼續(xù)增加時，誤差反而快速增大，計算結(jié)果不收斂。 根據(jù)對BEM模型的分析，分時段逐步推進法產(chǎn)生誤差的原因在于式（4）右側(cè)第2項的域內(nèi)積分。采用常規(guī)的高斯積分法計算域內(nèi)積分時，由于該積分核函數(shù)C*在源點處的值會隨著時段增加、時間步長減小而迅速增大。擴散系數(shù)D取單位值時，C*

17、值在源點附近的值如圖4所示，從中可以看出，積分核函數(shù)在源點處的值隨著時間步長的減小而快速增大，且增大部分主要集中在源點附近很小的區(qū)域內(nèi)，造成函數(shù)曲線越來越不光滑，從而導(dǎo)致常規(guī)的高斯積分法產(chǎn)生誤差。此時，即便增加積分點，也難以有效提高計算精度，如圖5所示。 盡管可以采取細分域內(nèi)離散網(wǎng)格或強行令積分核函數(shù)在源點處的值為零10等方法解決該問題，但前者會弱化邊界元法不需要域內(nèi)離散的優(yōu)點，增大計算工作量；后者并沒有全面解決核函數(shù)在源點附件區(qū)域過分增大的問題。 算例2考慮一個截面尺寸500 mm500 mm的方形截面混凝土柱，其鋼筋配置情況如圖6所示，鋼筋的保護層厚度為40 mm?；炷林?個側(cè)面都暴露

18、于氯鹽環(huán)境中，設(shè)混凝土柱表面氯離子濃度Cs=0.8%，初始氯離子濃度0，臨界氯離子濃度為0.22%15，混凝土擴散系數(shù)為1.010-12m2/s。這里采用本文建立的全時域初值推進邊界元法預(yù)測該混凝土柱的服役壽命。 在柱的角部存在氯離子二維擴散現(xiàn)象，所以可以從角部取出一個邊長為Lt=140 mm的混凝土試塊，建立邊界元法計算模型，其中Lt為計算長度，按照50a結(jié)構(gòu)服役時間和式（17）確定，氯離子沿AE邊、AF邊進入混凝土試件內(nèi)，如圖7（a）所示；而在遠離拐角的中部將發(fā)生氯離子一維擴散，因此從邊中部取出長度為Lt=140 mm的混凝土試塊，建立邊界元法計算模型，氯離子沿GH邊進入混凝土試件內(nèi)，如圖

19、7（b）所示。這里利用全時域初值推進邊界元法計算兩個模型中鋼筋周圍的氯離子濃度，并和有限元法計算結(jié)果相比較，結(jié)果如圖8所示。有限元法計算模型中，氯離子擴散域采用10 mm10 mm的離散單元網(wǎng)格，采用t =0.5 a的步長離散時域；邊界元法計算模型中，全部邊界離散為40個等長單元，并采用和有限元法相同的時域離散方式。從圖8可以看出，本文建立的全時域初值推進邊界元法與有限元計算結(jié)果基本吻合，具有較高的計算精度。而且，盡管二個模型中鋼筋與構(gòu)件表面的距離都是40 mm，但氯離子濃度及其隨時間變化的規(guī)律有明顯區(qū)別，二維擴散區(qū)鋼筋表面的氯離子濃度明顯高于一維擴散區(qū)，而且隨著擴散時間的增長，二者之間的差別

20、逐漸增大。 根據(jù)式（16），利用全時域初值推進邊界元法分別計算了一維、二維擴散區(qū)鋼筋銹蝕時混凝土柱的服役壽命，并將計算結(jié)果與有限元法相比較，詳見圖9。圖中結(jié)果再次表明，本文方法與有限元法結(jié)果基本吻合，具有很高的計算精度。而且可以看出，二維擴散條件下，混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命較一維擴散條件大大降低，因此實際設(shè)計中，采用二維氯離子擴散模型進行計算更符合真實情況，才能保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。 5結(jié)語 建立了混凝土中氯離子擴散分析的全時域初值推進邊界元法，研究了分時段逐步推進邊界元法計算結(jié)果不隨時域細分而收斂的原因。與分時段逐步推進邊界元法相比，全時域初值推進邊界元法可以消除氯離子擴散域內(nèi)的積分項，避

21、免域內(nèi)離散，不僅簡化了計算格式，而且提高了迭代過程的穩(wěn)定性和計算結(jié)果的精度，減少了計算耗時。研究結(jié)果表明，氯離子擴散維數(shù)對氯離子濃度分布和混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命有顯著影響，應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中加以考慮。 參考文獻： 1余紅發(fā)， 孫偉， 鄢良慧， 等. 混凝土使用壽命預(yù)測方法的研究I理論模型J. 硅酸鹽學(xué)報， 2002， 30（6）： 686-690. Yu H F， Sun W， Yan L H， et al. Study on prediction of concrete servive life I - theoretical model J. Journal of the Chinese Cera

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