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钢筋混凝土结构在氯化物环境下基于性能的使用寿命设计方法
作者：
Dong-Hui Yan——大连理工大学
Guo-Ping Li——同济大学
Ting-Hua Yi——大连理工大学
Hong-Nan Li——大连理工大学，沈阳建筑大学 。
论点：
bull;基于性能的设计过程可以确保目标性能水平。
bull;推导出了一个偏倚因子公式，用于验证氯化物腐蚀。
bull;覆盖深度是影响氯化物诱导钢腐蚀的主要因素
bull;氯化物诱导的腐蚀保护对变异系数的准确估计是必要的。
关键词：氯化物引起的强化腐蚀 性能验证 部分因子公式 敏感性分析 性能不确定性
摘要：氯化物引起的钢筋腐蚀通常会导致性能过早失效，钢筋混凝土结构受氯化物环境影响。但是，传统的设计方法或完全概率方法无法确保设计阶段的明确表现。本研究的主要目的是开发寿命性能化设计方法，混凝土结构如桥梁可以根据预定的性能水平进行设计，目标使用寿命，可靠性和劣化程度。氯化物诱导钢筋腐蚀起始机理分析了钢筋腐蚀起始时间，推导出时变极限状态函数，考虑到随机因素的影响，开发了相应的随机模型。通过一阶可靠性方法，推导出部分因子公式，实现在设计过程中性能验证。最后，提出了一个暴露于海洋环境的混凝土桥面的案例研究，并进行了钢腐蚀敏感性分析。建议基于性能的设计方法可以理性地处理随机参数的不确定性 确保在设计过程中满足预定义的目标性能，而不是预测设计后的表现。
1.简介
氯化物引起的强化钢腐蚀是最常见的退化机制之一，混凝土结构特别是混凝土桥梁在冬季接触除冰盐或空气中氯化物时容易产生成熟失效。Basheer等在他们的研究报告中指出混凝土结构钢筋较脆弱，在氯化物负载环境下比碳酸化腐蚀更严重 [1]。混凝土桥梁的退化过程可以分为两个阶段[2-5]，即腐蚀起始阶段和传播阶段。腐蚀开始阶段氯化物浓度在钢筋附近增加，当氯化物浓度在钢筋表面达到一定的阈值破坏钢筋周围的钝化膜并引发腐蚀。 此后传播期开始腐蚀物逐渐积累，最终导致开裂，分层或甚至剥落混凝土盖。减少钢筋和混凝土横截面由于腐蚀可能降低混凝土桥梁部件的刚度和强度，这可能导致适用性甚至安全性的失败。根据美国联邦公路管理局的数据，由于环境因素引起的大量混凝土桥梁的过早失效，用掉了相当多的维修费用。
为了控制混凝土结构的失效风险，例如混凝土桥梁由于氯化物渗透，在使用中的确保混凝土桥梁达到预定的目标的设计方法已被广泛研究。传统的规定性方法已被当前广泛采用设计规范或标准取代，如欧洲规范1992 [8] 规定最小混凝土覆盖深度，水泥比，强度等参数，保证满意经过氯化物攻击的混凝土桥梁的工厂耐久性。规范性方法适用于设计师，然而仍然存在一些缺陷：一是规定的混凝土覆盖层侯杜志，水泥比等参数，脚本代码通常来自于专家和研究人员的经验判断，不能明确地反映混凝土结构施工机制;其次，多数控制混凝土结构耐久性的参数往往是随机变量，而规定性方法论不能解决参数不确定性的影响，关系耐久性能。而且指定的值中的参数不对应于目标包括使用寿命，可靠性和劣化性能等级。因此，规定性方法不能确保可能导致过于保守或过于危险的设计。过分保守的设计会大大增加施工成本，而且会增加结构的失效风险。
考虑康复变质机制的必要性，克里特岛结构在氯化物环境下导致广泛研究可能处理的新设计方法参数不确定性对性能的影响，确保a 预定目标性能在设计阶段得到满足。Ann研究了混凝土桥梁的安全系数法碳酸化柱[9]。根据获得的研究数据从具有不同质量混凝土柱提出了极限状态下的安全系数公式碳酸化引起的混凝土强化腐蚀桥柱。安全系数设计方法引入了安全性考虑等结构性能的不确定性因素，这可以为结构提供安全空间。但是那安全因素通常源于工程经验而不是通过精确的概率分析推导出来[10]不能给出关于失败概率的理性解释。为了预测加固的可能性，研究人员对由于氯化物渗透导致钢铁腐蚀提出了几种研究方法。最受欢迎的是蒙特卡罗模拟（MCS）[3]，其前提是平均值，变异系数（CV）和分布限制状态函数中所有随机参数的类型应该知道钢腐蚀的频率模拟的总数可以被认为腐蚀的概率。为准确预测腐蚀概率，MCS需要大量的模拟。当结构非常大的时候，相应的计算模型是复杂的，MCS的实现将消耗很多时间，绝对会增加设计成本，这是实际应用MCS的一个障碍。一级可靠性方法（FORM）是一种近似计算方法，在设计时使用了一阶泰勒函数以适应极限状态函数和可靠性可以表示为方程[11]中的可靠性指标。因此，概率的钢筋腐蚀可以通过求解方程得出。 Saassouh等人研究了两个简化的基于一阶和二阶可靠性的概率模型预测加固的时间依赖概率的方法，考虑了钢筋腐蚀的影响更不确定[3]。最后，获得使用寿命根据阈值腐蚀概率。Deby等人考虑 ered四个随机变量在极限状态函数中进行预测腐蚀开始的可能性，其中包括混凝土的深度，孔隙率和实验值的比值计算有效扩散系数和表面氯化物浓度[12]。线性优化方法是 用于获得可靠性指标。同时，使用寿命的随机参数也进行了并得出结论，覆盖深度，扩散系数对钢筋腐蚀极限状态有很大的影响。虽然上述研究考虑了参数不确定性的影响，方法更为合适为了预测氯化物诱导的增强剂的概率，而不是确定设计参数根据预定义的目标性能水平，即目标使用寿命，可靠性和劣化程度。部分因素公式可用于验证混凝土桥梁的性能在氯化物攻击下，不仅具有简单，但也可以暗示预定义的目标可靠性。 DuraCrete提出了耐久性设计的部分因子公式的混凝土结构在氯化物渗透[13]。一些公式中的部分因素为参数设极限状态函数包括阈值氯浓度，混凝土的表面氯化物浓度和耐氯化物性料DuraCrete将维护成本分为三水平，即高，正常和低，并根据不同维护成本水平，不同部分因素。但维护水平不客观混凝土桥梁的性能水平不能直接反映利益相关者对使用寿命的要求，桥梁的劣化程度。
考虑到以前研究的暴露于氯化物环境的混凝土桥梁的设计方法无法确定合理的设计参数以满足预定的目标性能水平，因此必须和紧迫地进行研究混凝土结构混凝土桥梁基于性能的使用寿命设计方法。与传统的规范方法和完全概率法相比，基于性能的服务寿命设计应具有以下特点： 降低优势，可以根据设计阶段的目标使用寿命，可靠性和劣化程度确定设计参数，而不是预测设计后的未来性能; 该方法可以反映性能恶化的机制; 可以解决随机设计参数对混凝土结构性能的不确定性的影响。
本文提出了一种基于性能的混凝土桥梁使用寿命设计方法的研究，这是混凝土桥梁最容易受到氯化物侵蚀的最典型的钢筋混凝土结构，以达到以下目标：（i）研究氯化物进入混凝土的机理，建立氯化物强化钢腐蚀开始的时变极限状态函数;（ii）分析极限状态函数中随机参数的不确定性，并根据预定的使用寿命，可靠性和劣化程度，推导出暴露于氯化物环境的混凝土桥梁性能验证的部分因子公式;（iii）评估基于性能的使用寿命设计方法的适用性和部分因子公式的合理性，以验证氯化物环境下混凝土桥梁的性能。
2.极限状态函数的目标性能水平
2.1.混凝土氯离子进入机制
为了考虑氯化物负荷环境下混凝土桥梁的时间依赖性，有必要分析氯化物进入混凝土的机理。氯化物输送到混凝土中可归因于几种不同的物理过程，包括吸收，扩散，渗透和迁移[1,3,14-16]。上述运输过程具有不同的机制：吸收是由于毛细管作用;扩散受浓度梯度影响，ents渗透是由于压力梯度;迁移归因于电势梯度的存在。由于氯化物进入机制的复杂性和影响因素众多，有必要使用简化的氯化物入口模型来研究混凝土表面不同深度处的时变氯化物浓度。扩散过程被认为是饱和混凝土氯化物进入的主要机制[5,14]。因此，许多研究人员应用了Fick的第二定律建模扩散过程来分析氯化物进入过程，相应的研究结果证实了扩散模型有资格预测混凝土中随时间变化的氯化物浓度 [17,18]。基于菲克第二定律的氯化物扩散的偏微分方程如图所示。 （1）[19-21]：
其中t =混凝土结构对氯化物环境的暴露时间; x =混凝土表面的深度; C（x，t）=时间t后深度x处的氯浓度; D =“有效”或“表观”扩散系数。 “有效”或“明显”扩散系数是实际的扩散系数的平均值，用于考虑基于Fick第二定律假设扩散过程引起的误差。
假设混凝土是均匀的，可以被认为是理想的介质，扩散系数和表面氯化物浓度是时间无关的常数。 此外，混凝土中的氯化物扩散过程可以认为是一维的。 根据初始条件，C（x，t） = 0，当t = 0时，xgt; 0，等式 （2）作为公式的解析解。（1）[22]：
其中erf（。）是误差函数; C s =表面氯化物浓度这被假设为与时间无关的常数。
2.2.钢筋钢腐蚀起始和极限状态函数
在氯化物负载环境下，氯化物引起的钢筋腐蚀是混凝土桥梁性能恶化的主要原因。如上所述，混凝土桥梁退化过程可以分为两个阶段： 腐蚀开始和传播[5,23]。在钢筋腐蚀开始之前，由于氯化物从环境中继续输送到混凝土中，钢表面的浓度逐渐增加。当氯化物在钢表面附近的集中度达到临界值，混凝土内的保护性碱性环境被破坏，钢板表面钝化膜破裂[24]，导致钢的腐蚀开始。腐蚀蔓延阶段开始腐蚀开始时，钢腐蚀逐渐加剧，腐蚀产物将随时间积聚，可能导致混凝土盖开裂，分层剥落。
混凝土覆盖层的腐蚀引发，开裂或剥落等混凝土结构体的氯化物的目标劣化程度可以作为目标劣化程度。在本文中，钢筋腐蚀起始 被选为目标恶化，原因如下： (i）腐蚀开始阶段比传播阶段长得多; （ii）一旦加固钢腐蚀开始，恶性循环开始：腐蚀产物在腐蚀开始后随时间累积，并导致混凝土盖开裂，这又加剧了钢的腐蚀。所以在氯化物负载环境下，对混凝土桥梁基于性能的使用寿命设计研究中，选择氯化物引起的钢筋腐蚀起爆作为目标恶化水平是合理的。
如上所述，钢表面钝化膜的破坏是加固钢腐蚀开始的迹象。钝化膜受到损伤，因为钢铁附近的氯化物浓度达到了临界值。响应极限状态的钢腐蚀起始可以用等式（3）：
其中d =覆盖深度，即从钢表面到混凝土表面的距离; Ceth;d;tTHORN;=时刻t钢附近的氯化物浓度; C th =阈值氯浓度。
考虑方程式（2）和（3）同时，氯离子强化钢腐蚀起始的极限状态函数可以推导为等式 （4）：
其中E（。）是表示氯化物诱导的钢腐蚀开始的极限状态函数。
3.方法
3.1.腐蚀开始的不确定性
混凝土桥梁的时间依赖性受到许多随机因素的影响，导致混凝土桥梁性能的不确定性。因此，有助于混凝土桥梁性能不确定性的因素是必须的 研究了方程式（4）是氯化物诱导钢筋腐蚀开始的确定性计算公式。然而，氯化物诱导的钢筋腐蚀实际上是随机事件，受到许多随机因素的影响。它是必需的,对于基于性能的服务生活设计方法，可以处理随机因素对混凝土桥梁性能的影响。导致氯化物强化钢腐蚀的不确定因素包括：参数和计算模型。计算模型的不确定性主要是由于扩散过程被认为是氯运输的唯一机制的假设。为了处理计算的不确定性模型，所谓的“有效”扩散系数用于等式（4）。参数的不确定性意味着钢腐蚀开始的极限状态函数中的一些参数，即等式（4）是随机变量，包括阈值氯浓度，氯化物扩散系数，混凝土覆盖深度和表面 氯化物浓度。
如上所述，有必要分析随机参数的数值特征和分布，以研究混凝土桥梁钢腐蚀起爆的不确定性。表面氯化物浓度表示暴露环境的严重性，对保护的不利影响 钢腐蚀。因此，表面氯化物浓度作为极限状态功能中的作用项目。霍夫曼和韦尔斯在美国对321个接触除冰盐的桥梁的混凝土甲板进行了实验研究[25]。他们 得出结论：除冰盐环境下混凝土桥面氯化物浓度为对数正态随机变量，平均值为3.50 kg / m 3，CV为0.50。 McGee等人对1158个混凝土桥梁进行了现场实验 澳大利亚塔斯马尼亚州的海洋环境[26]。实验研究结果表明，氯离子浓度是桥位与海岸线距离的函数，发现当距离为0.10 km- 2.84公里，表面氯化物浓度平均值约为0.03 kg / m 3 -2.95 kg / m 3，CV为0.49。扩散系数是基于Fick第二定律的扩散方程中唯一的材料参数，其被认为是在一定范围的标准偏差中变化的随机变量，以考虑其他物质因素的影响[3]。
氯化物扩散系数是极限状态函数中另一个重要的随机参数，受水泥类型，水灰比，环境，固化等因素的影响[27,28]。 Papadakis等人 提出了扩散的计算模型 研究了水泥比和混凝土抗压强度对扩散系数的影响[29]。 对于具有30-40Mpa特征气缸抗压强度的典型混凝土，其扩散的平均值 系数近似为2cm2/s〜8 cm2/s，这与Hoffman PC [25]得出的结论一致。 对于扩散系数的CV，可以从Papadakis的计算模型推导出0.45，而Suzuki等 [30]和松岛[31]分别报告了肋骨结构的0.5和0.69的CV。 Srubar III采用扩散系数的正态分布[17]。
混凝土覆盖层的深度也对氯化物引起的腐蚀开始时间有很大的影响，防止氯化物渗透到混凝土中，作为钢筋防腐蚀的保护。 大量研究结果表明，混凝土覆盖深度的分布可以适应对数正态分布[5,32]，CV等于0.20-0.50。
阈值氯化物浓度用作氯化物诱导的腐蚀起始的极限状态的电阻。 当超过阈值氯浓度时，会发生腐蚀。 阈值氯浓度的不确定性 已经广泛研究，其中阈值受到混凝土配比，水灰比，相对湿度和温度等许多因素的影响[28] .Nogueira等提出阈值浓度的平均值，曲线近似为0.90 kg / m 3，CV为0.20 [5]，阈值氯浓度分布可适应于[33]报道的正态分布。
虽然随机参数的不确定性已被广泛研究，但研究人员还没有达到数字特征和分布类型的共识。值得注意的是，当对氯化物引起的钢筋腐蚀有可能对随机参数的不确定性有较好的了解时，可以更新参数的随机模型或基于性能的使用寿命设计方法。
3.2 钢筋腐蚀开始的部分因素公式
部分因子公式可
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