混凝土結(jié)構(gòu)耐久性元胞機有限元數(shù)值研究.pdf

1、混凝土無論是在住宅、路橋還是在隧道及城市機場等方面都有著十分廣泛的應(yīng)用，是重要的結(jié)構(gòu)材料，其耐久性與使用壽命的研究也成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界關(guān)注的重大科技問題。大量工程實踐表明，造成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性降低的主要因素之一是鋼筋銹蝕。在氯離子腐蝕環(huán)境下，氯離子侵入混凝土?xí)痄摻畎l(fā)生銹蝕，鋼筋銹蝕后會造成保護(hù)層開裂，進(jìn)而導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能退化。因此，研究氯離子對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響具有重要的學(xué)術(shù)價值和現(xiàn)實意義。
　　本文給出了元胞

2、自動機模型（Cellular Automata model,簡稱CA模型）模擬混凝土內(nèi)氯離子擴散機理及鋼筋初銹時間預(yù)測，并采用梁單元和截面內(nèi)單元纖維模型對腐蝕損傷后的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行研究。研究內(nèi)容如下：
　　1、根據(jù)元胞自動機原理，選用一維和二維Von Neumann型元胞鄰居進(jìn)行模擬。基于這個思想，完美演繹出了氯離子擴散方程，即Fick第二定律（FSL），從理論上佐證了元胞自動機模型的正確性。為進(jìn)一步驗證元胞自動機模型的可

3、行性和有效性，將該模型模擬值與除冰鹽、鹽湖或海洋等氯離子環(huán)境下混凝土內(nèi)氯離子濃度實測值進(jìn)行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CA模擬值與實測值基本吻合，取得了滿意的驗證效果。
　　2、利用元胞自動機原理建立了模擬鋼筋混凝土內(nèi)氯離子擴散的CA模型，該模型考慮了時間效應(yīng)、水灰比和溫度影響?；谒⒌腃A模型，通過編寫Matlab程序，分析了鋼筋混凝土板、鋼筋混凝土方形和圓形柱中一維和二維氯離子擴散行為，并預(yù)測了鋼筋初始銹蝕時間。通過將研究結(jié)果與現(xiàn)有解

4、析解和數(shù)值解比較，進(jìn)一步驗證了模型的正確性及有效性，而且較其它數(shù)值方法精度高。
　　3、基于元胞自動機原理建立了多重因素耦合的混凝土內(nèi)氯離子擴散模型，該模型考慮了水灰比、溫度、相對濕度、時間效應(yīng)、氯離子結(jié)合能力及結(jié)構(gòu)微缺陷等因素的影響。多重因素耦合的CA模擬值與長期暴露在氯離子腐蝕環(huán)境下的實測值比較表明，考慮影響因素越多，CA模擬值與實測值的吻合程度越高。此外，進(jìn)一步探討了不同因素影響下鋼筋初銹時間的預(yù)測。
　　4、采用梁單

5、元和截面內(nèi)單元纖維模型對腐蝕損傷后的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析。首先，將梁單元和截面內(nèi)單元纖維模型計算出的未腐蝕損傷的鋼筋混凝土矩形和T形截面簡支梁的結(jié)構(gòu)內(nèi)力與理論方法的計算結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了梁單元和截面內(nèi)單元纖維模型的正確性。接著，引入隨時間變化的混凝土損傷因子和鋼筋損傷因子對截面剛度矩陣進(jìn)行修正，應(yīng)用上述思想分析了腐蝕環(huán)境下的鋼筋混凝土T形截面連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)性能，研究發(fā)現(xiàn)支座處的彎矩隨時間的延續(xù)而減小，跨中彎矩隨時間的增加而增大。最