氯盐环境下海工混凝土结构耐久性维护与管理方法研究

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混凝土结构在氯盐侵蚀环境、尤其是海洋环境下的应用越来越广泛,随之而来的便是突出的耐久性问题。为了延长氯盐侵蚀环境下混凝土结构的使用寿命,以及减少后期由于结构失效带来的经济、社会等成本,需要对混凝土结构进行维护管理,尽可能得延缓恶劣环境造成得负面影响。因此,针对氯盐侵蚀环境下的耐久性问题对混凝土结构进行维护管理等课题已经成为目前土木工程领域的研究热点。本课题在国家自然科学基金项目“海工预应力混凝土结构耐久性能提升技术与设计理论研究(51778272)”的资助下,针对海洋环境下的混凝土结构,建立了针对以氯盐侵蚀为代表的耐久性问题的混凝土结构维护管理框架。主要内容如下:1、探讨了氯盐侵蚀环境下混凝土结构的劣化机理并对混凝土构件耐久性寿命的概率分析进行研究。对氯盐侵蚀环境下混凝土结构的不同的劣化阶段进行机理分析,结合国内外文献得到不同阶段的腐蚀模型,并建立了对应的耐久性极限状态方程。以连云港码头实际工程为例,结合课题组长期检测数据以及国内外文献,得到符合连云港码头环境的腐蚀起始阶段的模型参数的统计特性。分别以钢筋保护层脱钝和混凝土保护层开裂为耐久性极限状态,对连云港码头混凝土结构进行了耐久性寿命的概率分析,研究了保护层厚度、氯离子扩散系数、海洋环境、温度、腐蚀电流密度等因素对混凝土结构耐久性寿命的影响。2、建立了针对氯盐侵蚀环境耐久性的混凝土结构维护管理框架。框架中包括了耐久性评估、耐久性指标的检测以及维护策略。提出结合定性的模糊综合评判和基于可靠性的耐久性概率分析的耐久性评估方法,对总体结构模糊综合评估然后再细分构件进行耐久性可靠性的概率评估。建立了以耐久性指标作为二级指标的双层模糊综合评价模型,并通过模糊层次分析法得到权重。对连云港码头实例进行了定性的耐久性评估,与实际检测的外观状况相符,验证了多层次模糊综合评价模型的可用性。建立维护事件树,将氯盐腐蚀环境下混凝土结构劣化状态和维护措施联系起来。以连云港实际工程为例,验证了建立的混凝土结构维护管理框架的实用性。3、对氯盐侵蚀环境下混凝土结构维护管理优化进行了研究。建立了氯盐侵蚀下混凝土结构耐久性可靠指标的劣化模型,并通过实际工程验证了该高次非线性模型的可用性。分别考虑了基于使用的预防性维护与基于状态的预防性维护的优化,以耐久性可靠指标最大化和累计维护成本为目标建立多目标优化模型,并采用基于遗传算法的多目标优化算法进行求解,得到最优的第一次维护时间和维护间隔。最后,对实际工程进行了预防性维护管理优化。本文建立的维护管理框架包括了氯盐侵蚀环境下的混凝土结构劣化过程、结合基于模糊综合评判的混凝土整体结构(定性)与基于耐久性可靠性的混凝土结构构件(定量)的耐久性评估、基于耐久性指标的实际混凝土结构检测以及基于维护事件树的维护措施选择。最后,对氯盐侵蚀环境下混凝土结构预防性维护管理策略进行优化,得到最优的维护时间点,力求对实际工程作出实用的参考。
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