基于设计值法的一般大气和氯盐环境下混凝土结构耐久性设计与评定方法研究

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建筑业是国民经济的支柱产业,其持续健康发展对经济增长、城乡建设和民生改善具有重要支撑作用。然而,腐蚀环境下建筑结构往往由于耐久性损伤问题,出现服役寿命未达设计使用年限提前失效的弊病,故对拟建、既有结构的耐久性实施有效控制日益成为结构可靠性工程中的重要内容。结构耐久性控制主要取决于设计、施工、使用、评定、修复等环节,其中耐久性的设计与评定直接涉及耐久性的损伤规律与控制方法,是难度最大且至关重要的控制环节。因此,为实现资源节约与可持续发展的基本国策,建立着眼于未来的拟建结构耐久性设计与立足于当下的大体量既有结构耐久性评定方法具有重要的现实与经济意义。目前,国内外关于混凝土结构耐久性设计与评定方法的研究已取得一定进展,并逐步从定性研究转为定性结合定量研究,从定值研究转为概率研究,但由于分析过程需掌握基本变量概率特性并涉及复杂的可靠性计算,成果仍停留于初步研究阶段。因此,发展既考虑基本变量概率特性又不增加计算复杂性的耐久性设计与评定方法尤为必要。鉴于此,本文考虑结构耐久性概率设计的特点,基于结构可靠度理论与改进的设计值法,建立结构耐久性概率设计的设计值法,据此提出一般大气和氯盐环境下耐久性实用设计表达式,并基于既有结构基本变量特点与信度推断方法,将设计值法进一步拓展至既有结构耐久性评定,最终建立具有一定理论与实用意义的耐久性评定方法。主要工作如下:(1)校验了适用于结构安全性与适用性设计的改进设计值法的可靠度控制精度,进而考虑结构耐久性设计功能函数中使用寿命前后延续、内部相关的特点,引用前序使用寿命设计值的保证率调整系数与折减系数,消除了功能函数在可靠指标和灵敏度系数取值上的差别,从而建立了结构耐久性设计的设计值法。所提方法建立了基本变量设计值与其概率特性、目标可靠指标、设计使用年限之间的函数关系,以定值形式表达基本变量基准设计值和分项系数,应用中更加灵活精确,过程无需复杂可靠度计算,符合设计习惯。(2)针对设计中常见的基本变量分布类型,建立与目标可靠指标和概率特性相关的基本变量基准设计值和分项系数计算表达式。鉴于统计分析中的小样本情况,提出了基于Jeffreys无信息先验分布的Bayes法;基于DEEDS平台,收集并建立了混凝土抗压强度、基准氯离子扩散系数及混凝土表面氯离子浓度试验数据库;结合大样本、小样本统计分析和K-S假设检验方法,建立了上述变量的概率模型;采用积分平均方法,将时变混凝土表面氯离子浓度转换为服役寿命内的等效表面氯离子浓度,据此得到该变量修正后的概率特性,从而降低了预测模型常边界条件假设造成的误差。(3)针对一般大气环境与氯盐环境中的混凝土结构,采用耐久性极限状态对应的侵蚀模型及相关试验数据,计算了预测模型的模型不定性系数并校准各模型设计隐含的可靠指标;根据侵蚀模型设计隐含可靠指标的平均值,结合类比法,判定各阶段对应的目标可靠指标,进而综合侵蚀模型的权威通用性、目标可靠指标及模型不定性系数计算结果,优选出最终侵蚀模型;通过灵敏度系数迭代算法判定各模型的主控量,根据基本变量和主控量的数量,计算出三阶段对应表达式中设计值的折减系数;基于误差传递公式计算三阶段使用寿命的变异系数,进一步求解了考虑目标可靠指标和灵敏度系数改变的保证率调整系数;最终,基于耐久性设计的设计值法,建立了一般大气环境与氯盐环境各阶段耐久性设计实用表达式。(4)考虑耐久性设计与评定中基本变量概率特性的差别,综合应用概率和信度分析方法,建立了既有结构不确定事物中随机事物和既有事物的信度分析模型,据此推断综合考量统计、空间和测量不确定性的随机事物和既有事物的总体特性,继而建立一般大气和氯盐环境基本变量设计值的推断方法;通过推断的基本变量设计值,采用可靠指标形式量化混凝土构件耐久性评定的分级阈值,给出耐久性对应等级,最终实现了混凝土结构基于概率与信度的耐久性评定,提高了评价结果的可信程度。
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