4結(jié)構(gòu)全壽命周期維護(hù)過程中的關(guān)鍵問題

1、一、概述平均風(fēng)險(xiǎn)率 荷載復(fù)雜 偶 改 結(jié)構(gòu)整 然 變 材料性能不成熟 作 用 用 途 時(shí)間施工階段階段 認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)的性能是結(jié)構(gòu)維護(hù)的基礎(chǔ)！ 使用階段性能結(jié)構(gòu)性能損傷累積二、既有結(jié)構(gòu)的安全性具有初始損傷結(jié)構(gòu)的反應(yīng)r=1.27%140120100806040200-20r=0.98%r=0.81% r=0.66%r=0.52% r=0.40% r=0.29%基于開裂損傷混結(jié)構(gòu)的608010012性能變化規(guī)律，提出了開裂 (106mm-1)混構(gòu)件的剛度構(gòu)件剛度1= 1 B0+ b1解決了構(gòu)件開裂而引起的結(jié)構(gòu)體系內(nèi)力重分布問題ar1B2 B01=+ b2a2rM (106N.mm)開裂后剛度/初始剛度1

2、0.90.80.7計(jì)算曲線0.6擬合曲線0.50.40.30.20.10000.511.5配筋率 %二、既有結(jié)構(gòu)的安全性具有初始損傷結(jié)構(gòu)的反應(yīng)Ki=(1-D)K0 2-Df 2D=1- 11f 2x =x0101i1-2(1D)結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析以損傷正結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼，提出了考慮結(jié)構(gòu)損傷累積的反應(yīng)分析，為震后結(jié)構(gòu)的性能評(píng)估提供分析工具二、既有結(jié)構(gòu)的安全性構(gòu)件的安全性分析按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路進(jìn)行既有的檢測(cè)評(píng)定不正確！是否正確？結(jié)構(gòu)可靠性結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、規(guī)定的條件下完成預(yù)定功能的能力擬建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既有檢測(cè)評(píng)定結(jié)構(gòu)/對(duì)象尚未已經(jīng)規(guī)定的時(shí)間設(shè)計(jì)使用年限目標(biāo)使用年限規(guī)定的條件正常設(shè)計(jì)正常施工正常維護(hù)設(shè)計(jì)已成

3、歷史施工已成歷史過去的維護(hù)，將來(lái)？二、既有結(jié)構(gòu)的安全性構(gòu)件的安全性分析以混結(jié)構(gòu)構(gòu)件為例Q) R( f skfckg(gG+ ggCy+CCQ, a ,L)0GGkQ1Q11kQiQiCiikkggscp荷載的變異性材料強(qiáng)度的變異性施工誤差等因素的影響RSgG=1.2gQ=1.4gs=1.1gc=1.35bS、R既有房屋結(jié)構(gòu)是否合適?二、既有結(jié)構(gòu)的安全性構(gòu)件的安全性分析n+ i = 2) R( f , a,.)g (g+ gg y SSSg R0GGKQ1Q1KQiciQiKIIg =1.25g =1.265G gG g=1.1=1.1GgGg=1.0=1.04GgGg=0.9=0.9GgGg

4、=0.8=0.8432GG3gQ2gQ0.70.8 0.91 1.1 1.2 1.31.4 1.51.6 1.70.7 0.8 0.91 1.1 1.2 1.3 1.4 1.51.6 1.7gG1.0、gQ1.3 ， gR1.111.82避免采用設(shè)計(jì)公式進(jìn)行安全性分析而導(dǎo)致保守的結(jié)果R/g0gRSau級(jí)bu級(jí)cu級(jí)du級(jí)1.00.95且1.00.90且0.950.20CuGdu0.25DuGdu0.05Z1三、環(huán)境作用工程結(jié)構(gòu)環(huán)境大氣環(huán)境n 大氣溫度n 大氣濕度n 降雨n 風(fēng)速、風(fēng)向n 太陽(yáng)輻射n CO2n 工業(yè)環(huán)境n 二氧化硫n 氮氧化物n 硫化氫n 酸雨海洋環(huán)境近海氣溫近海海水水溫海大氣濕

5、度 近海大氣降雨日照大氣海水鹽度濃度pH值潮汐和潮流三、環(huán)境作用環(huán)境作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)以混結(jié)構(gòu)為例混碳化鋼筋銹蝕結(jié)構(gòu)性 能隨水侵入混溫度、濕度三、環(huán)境作用太陽(yáng)北西ahasawb東南地區(qū)環(huán)境尺度工程環(huán)境尺度構(gòu)件環(huán)境尺度環(huán)境作用在不同尺度上明顯的空間分布特征三、環(huán)境作用環(huán)境氣候條件和侵蝕介質(zhì)都具有時(shí)變性溫度隨時(shí)間變化CO2濃度 /ppm三、環(huán)境作用環(huán)境氣候條件和侵蝕介質(zhì)都具有時(shí)變性實(shí)測(cè)值70值 a = 0.05, b = 0.4實(shí)測(cè)值無(wú)周期模型周期加法模型8無(wú)周期模型 值 a = 0.06, b = 0.67值 a = 0.08, b = 0, g = 068值 a = 0.02, b = 0.01

6、, g = 0周期加法模型7666466256058456543200919701975 1980 1985 1990 1995 2000年份 (a )200520102015202019701975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015年份 (a )2020長(zhǎng)春年平均氣溫值長(zhǎng)春年平均相對(duì)濕度值實(shí)測(cè)值10a = 0.28, b = 0.06無(wú)周期模型 值周期加法模型 值 a = 0, b = 0, g = 098765419701975 1980 1985 1990 1995 2000 2005年份 (a )201020152020年平均氣溫值年平均相

7、對(duì)濕度值年平均氣溫 ()年平均氣溫 ()年平均相對(duì)濕度 (%)年平均相對(duì)濕度 (%)三、環(huán)境作用關(guān)鍵科學(xué)問題之一：環(huán)境作用時(shí)空偶聯(lián)多尺度模型W三、環(huán)境作用關(guān)鍵科學(xué)問題之二：環(huán)境作用的關(guān)鍵計(jì)算尺度三、環(huán)境作用關(guān)鍵科學(xué)問題之三：時(shí)變環(huán)境下非線性系統(tǒng)的時(shí)變響應(yīng)w / c - 0.34 C()1.1t ,RH 55%102T 1RH= CO2cXcw / c - 0.34 C77T RHt ,0 RH 55%CO2cXX3) CCOt12,1) 2,2t2X 2X10t2Dtt3 t1tt 2X3 = f (T3 , RH3 ,CCO ) t32,3CBDtX1 = f (T1, RH1,BX 2 =

8、 f (T2 , RH2 ,CCOAADt以混碳化為例三、環(huán)境作用碳化環(huán)境區(qū)劃50年100年三、環(huán)境作用海洋大氣區(qū)氯鹽侵蝕區(qū)劃100年50年四、結(jié)構(gòu)的性能混的碳化濃度差驅(qū)動(dòng)CO2溶解水蒸氣壓差驅(qū)動(dòng)氣態(tài)水?dāng)U散熱力學(xué)平衡氣液轉(zhuǎn)換液態(tài)水傳輸固態(tài)Ca(OH)2溶解濃度差驅(qū)動(dòng)毛細(xì)差驅(qū)動(dòng)（吸附）水頭壓差驅(qū)動(dòng)（滲透）碳化反應(yīng)：Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O3CaO2SiO23H2O + 3CO2 3CaCO3 + 2SiO2 +3H2O四、結(jié)構(gòu)的性能混的碳化自然碳化試驗(yàn)室碳化碳化深度的隨機(jī)性會(huì)對(duì)鋼筋開始銹蝕時(shí)間和銹蝕概率產(chǎn)生影響。相對(duì)于較 的水泥砂漿相，粗骨料的隨機(jī)分布可能是引起碳化深度

9、隨機(jī)性的最主要材料因素。四、結(jié)構(gòu)的性能混的碳化橢圓骨料骨料水泥砂漿長(zhǎng)寬比=1長(zhǎng)寬比=1.5長(zhǎng)寬比=2多邊形骨料長(zhǎng)寬比=1長(zhǎng)寬比=1.5長(zhǎng)寬比=2四、結(jié)構(gòu)的性能混的碳化骨料隨機(jī)投放Voronoi生長(zhǎng)點(diǎn)Voronoi圖Delaunay三角形Voronoi多邊形骨料單元砂漿單元定義骨料和水泥砂漿單元四、結(jié)構(gòu)的性能混的碳化 固相 CO2在混孔隙中的擴(kuò)散d CO2 CO2N= -DCO2CO2dxD= 1.64 10-6 e 1.8 (1 - RH )2.2 (0.02T + 0.6)CO2pCO2與可碳化物質(zhì)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)方程式：CO2在孔隙中的擴(kuò)散CO2(g)Ca (OH)+CO rCH CaCO +

10、H O2322CO (aq) 孔隙水23CaO 2SiO 3H O+3CO 3CaCO 2SiOr 3H OCSH222322CO2-H+33CaOSiO +3CO + g H O rC3S SiO g H O+3CaCOH O2222223_OH CaCO3(s)Ca2+2CaOSiO +2CO + g H O rC2S SiO g H O+2CaCO222223 固相 Ca(OH)2(s)碳化反應(yīng)= Ki iCO2 ri反應(yīng)速率：四、結(jié)構(gòu)的性能Ba2a1混的碳化Aa3i各單元CO2質(zhì)量守恒CO2 a2骨料單元 ja2Ba4-CO2 ij +1j +1j +1j +1j +1lCO+ lCO

11、+. + l. + lCOCO+= 0i,a2i,a2i,a2i,a2aaaa12kq12kqli ,a izA i,ak 2li,a l=ki,akzi,aq( CHS) Sizi,a1zi,a2z+ 3KC S C3S3ij +1j +1j +1j +1+l+. + K lCH+ 3KCSH+ 2KCDCO2,ii ,a2CO CSHC S2liii22i,a1i,a2i,aqi相鄰單元間CO2的擴(kuò)散方式單元內(nèi)可碳化物質(zhì)計(jì)算CO2( CO2 i= 0)x= CHix=Lj +1jjCHXir (1- exp(-K)CO jDt(CH2)( CO )碳化鋒線H,CHCH2CO j +1ijj

12、jCH=+ CH exp -KDt 0CO 2ijiii砂漿單元KCH2i骨料單元計(jì)算各單元pH值CH(aq)0 pH = 14 + lg 2 10-3 CHy=LYCH0pHVcrVp=Vcr鋼筋截面銹損率s橫向裂縫寬度縱向裂fR( ) 縫寬度銹蝕率10%銹蝕率20%銹蝕率30%1.2 .21 5S變形達(dá)到限值承載力下降到限值Vair VpVcrP變形銹蝕產(chǎn)物橫向裂縫寬度達(dá)限值H承載力L縱向裂縫寬度達(dá)限值VpVair混保護(hù)層脹裂性能指標(biāo)鋼筋開始銹蝕t1Cl- CO O H O222tcrtwl twhtp ts時(shí)間t0銹蝕構(gòu)件裂縫寬度銹蝕構(gòu)件承載能力計(jì)算TuT1Tcr服役時(shí)間剩余使用鋼筋孔隙

13、過渡區(qū)混銹蝕構(gòu)件剛度計(jì)算四、結(jié)構(gòu)性能的銹蝕混梁的受彎性能12試驗(yàn)曲線數(shù)值模擬曲線1 數(shù)值模擬曲線2試驗(yàn)曲線12試驗(yàn)曲線數(shù)值模擬曲線1數(shù)值模擬曲線1 數(shù)值模擬曲線2試驗(yàn)曲線數(shù)值模擬曲線1 數(shù)值模擬曲線21012數(shù)值模擬曲線21010888106664454222000040608010012014080 100 120 140 160曲率10-6(1/mm)60曲率10-6(1/mm)L10801001206080100120140曲率10-6(1/mm)曲率10-6(1/mm)L11L13L12截面面積減小力學(xué)性能導(dǎo)致梁抗彎承載力下降的主要因素粘結(jié)性能導(dǎo)致梁使用性能劣化的主要因素鋼筋銹蝕彎矩(

14、kNm)彎矩(kNm)彎矩(kNm)荷載(kN)彎矩(kNm)L10L11 L12 L13五、結(jié)構(gòu)的時(shí)變可靠度銹蝕混梁的時(shí)變可靠度m 3 206 140.25m0.25mL=6m 荷載、幾何及材料變量R 分布參數(shù)0.55m鋼筋直徑(mm)單元長(zhǎng)度(mm)Gumbel 分布參數(shù)14500.120s+10.274s1000.310s+10.274s1500.421s+10.274s2000.500s+10.274s2500.561s+10.274s5000.751s+10.274s10000.941s+10.274s20500.093s+10.329s1000.321s+10.329s1500.4

15、54s+10.329s2000.549s+10.329s2500.623s+10.329s5000.851s+10.329s10001.079s+10.329s變量均值變異系數(shù)概率分布恒荷載（kN/m）250.07Normal持久性活荷載（kN/m）1.820.29Gumbel混棱柱體抗壓強(qiáng)度（MPa）400.2Normal鋼筋屈服強(qiáng)度（MPa）4010.1Normal截面有效高度（mm）5180.02Normal五、結(jié)構(gòu)的時(shí)變可靠度銹蝕混梁的時(shí)變可靠度銹蝕鋼筋橫截面積空間變異性的影響鋼筋直徑的影響空間分析(14mm)常規(guī)分析與空間分析計(jì)算結(jié)果比較鋼筋直徑敏感性分析在銹蝕初始時(shí)刻，兩種分析計(jì)算得到的可靠在銹蝕初始時(shí)刻，大直徑配筋梁的可靠指標(biāo)略大，隨著鋼筋銹蝕的發(fā)展，小直徑鋼指標(biāo)數(shù)值相同，但隨著鋼筋銹蝕的發(fā)展，空間分析得到的可靠指標(biāo)速率明顯大于常規(guī)分筋梁可靠指標(biāo)更為嚴(yán)重。析，銹蝕