氯离子在预应力混凝土结构中扩散过程的有限元分析

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1、学兔兔www.xuetutu.com62世界桥梁2013，41(3)氯离子在预应力混凝土结构中扩散过程的有限元分析邓达。。黄滢-(1．中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉430050；2．高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南长沙410000；3．江西科技师范大学，江西南昌330013；4．中南大学土木工程学院，湖南长沙410075)摘要：为指导氯离子侵蚀环境下预应力混凝土结构耐久性设计和寿命预测，基于Fick第二定律的混凝土中氯离子扩散方程与热传导方程的相似性，考虑物理或化学吸附、毛细吸收、预应力等多种机制

2、和因素对氯离子在混凝土内传输的影响，对氯离子扩散系数进行了修正，采用ANsYs中热分析模块对氯离子在预应力混凝土结构中的扩散过程进行数值分析。通过与氯盐侵蚀环境混凝土中氯离子浓度试验值进行对比，证明该方法能有效预测氯盐侵蚀环境混凝土中氯离子浓度分布。采用该方法对现役近海预应力混凝土铁路桥梁氯盐侵蚀情况进行模拟，分析得出服役6O年左右该预应力混凝土铁路桥梁达到结构耐久性极限状态。关键词：铁路桥梁；预应力混凝土结构；氯离子扩散系数；热传导方程；氯离子阈值；寿命预测；有限元法中图分类号：U448．35文献标志码：A文

3、章编号：1671—7767(2013)03—0062一O41引言对于处于沿海及近海地区的混凝土及预应力混3分析参数的确定凝土结构，氯离子侵蚀所引起的钢筋锈蚀是其耐久3．1氯离子扩散系数性失效的主要原因。国内、外学者通过试验研究揭混凝土中氯离子扩散系数与混凝土材料组成、示氯离子侵蚀规律，并进行混凝土结构寿命预测，但水化程度、混凝土结合氯离子能力、混凝土劣化效试验费用高，采集样本数据有限，检测方法并没有达应、应力状态系数、内部孔结构特征等内在因素有到完全无损检测，给混凝土结构造成附加损伤，计算关，同时与温度、湿度、

4、暴露环境、养护龄期等外部参机分析方法能较好地解决该问题。本文采用AN—数有关，因此引入各种参数修正基准氯离子扩散系SYS的热分析模块，考虑物理或化学吸附、毛细吸数，建立多因素氯离子扩散系数表达式，以综合考虑收、预应力等多种机制和因素对氯离子在混凝土内各项影响因素对混凝土中氯离子浓度分布的影响，传输的影响，通过引入或建立对氯离子扩散系数进因此氯离子扩散系数定义为_2]：行修正的各种参数，对氯离子在预应力混凝土结构D一Do·，(￡)·-厂(T)·厂(H)·d·厂(a)·，()内的扩散过程进行有限元分析，并与试验结果

5、进行(1)基准氯离子扩散系数D。。美国混凝土学对比。采用该方法对现役近海预应力混凝土铁路桥会365委员会建议的混凝土28d龄期氯离子扩散梁氯盐侵蚀情况进行模拟分析，预测其寿命。系数为_3]：Dn=1×10‘一·06+2,。w／m／s2氯离子扩散的计算机模拟基础(2)养护龄期系数厂(￡)。Mangat对混凝土中氯离子在混凝土中传输以扩散为主时，其传输氯离子扩散系数随时间变化进行试验研究，发现氯规律符合Fick第二定律口]：离子扩散系数随时问增长而降低的规律能较好地用aCn／aClaCla。C、幂函数表达]，即：3

6、t＼azaY。3z／D一D0(t艄／t)式中，c、D和t分别为氯离子浓度、氯离子在混凝土式中，(￡／t)为养护龄期系数f(￡)，m为扩散系数中的扩散系数和时间。的时间依赖性指数，t。。一28d，t为服役时间(d)。根Fick第二定律的表达式与热传导微分方程形据SteinarH_c的研究：式相同，故可采用参数等代法，取密度比热容c为l，视导热系数等同于氯离子扩散系数D，采用===(0．8一W／C)+o．4[PFA／504-PSA／70]ANSYS分析软件的热分析模块分析此过程。式中，w／c为水灰比；Pr≤509／

7、6，为粉煤灰替代水收稿日期：2013—02—25作者简介：邓达(1984一)，男，2007年毕业于重庆通信学院计算机信息管理专业，工学学士(E—mail：dengd@brdi．corn．on)。学兔兔www.xuetutu.com氯离子在预应力混凝土结构中扩散过程的有限元分析邓达，黄滢63泥的百分比；J0s≤7O％，为矿渣替代水泥的百分比。式中，混凝土结合氯离子能力系数．厂(a)一，1『／(3)环境温度系数厂(丁)。环境温度升高，氯离为线性结合系数，T．U．Mohammed通过试验研究子运动速度加快，有利于氯离

8、子在混凝土结构中的表明，对于普通硅酸盐水泥，a可取为0．1597c。传输，美国Life一365标准设计程序中，温度对氯离(7)混凝土应力和开裂状态系数-厂()。根据参子扩散系数的影响表达式为：考文献[9]，未开裂压应力状态下混凝土应力状态系一exp[U1eI一{)]L⋯r数厂()取为0．9。3．2临界氯离子浓度式中，U为扩散过程的活化能(35000J／mob；R为气体常数[8．3144