!!!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

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1、６２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１，２，黄滢２，３，４（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ＡＮ

2、ＳＹＳ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６０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文章编号：１６７１－７７６７（２０１３）０３－００６２－０４１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

3、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、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

4、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［２］因此氯离子扩散系数定义为：行修正的各种参数，对氯离子在预应力混凝土结构Ｄｔ＝Ｄ０·ｆ（ｔ）·ｆ（Ｔ）·ｆ（Ｈ）·ｆｋ·ｆ（α）·ｆ（σ）内的扩散过程进行有限元分析，并与试验结果进行（１）基准氯离子扩散系数Ｄ０。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］：（－１２．０６＋２．４

5、０Ｗ／Ｃ）２Ｄ０＝１×１０ｍ／ｓ２氯离子扩散的计算机模拟基础（２）养护龄期系数ｆ（ｔ）。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［１］规律符合Ｆｉｃｋ第二定律：离子扩散系数随时间增长而降低的规律能较好地用２２２ＣＣＣＣ幂函数表达［４］，即：＝Ｄ２＋２＋２ｔ（ｘｙｚ）ｍＤｔ＝Ｄ０（ｔ２８／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／ｔ）ｍ为养护龄期系数ｆ（ｔ），ｍ为扩散系数２８中的扩散系数和时间。的时间依赖性指数，ｔ２８＝２８ｄ，ｔ为服役时间（ｄ）。根Ｆｉｃｋ

6、第二定律的表达式与热传导微分方程形［５］据ＳｔｅｉｎａｒＨ的研究：式相同，故可采用参数等代法，取密度ρ、比热容ｃ为ｍ＝（０．８－Ｗ／Ｃ）＋０．４［ρＦＡ／５０＋ρＳＡ／７０］１，视导热系数λ等同于氯离子扩散系数Ｄ，采用ＡＮＳＹＳ分析软件的热分析模块分析此过程。式中，Ｗ／Ｃ为水灰比；ρＦＡ≤５０％，为粉煤灰替代水收稿日期：２０１３－０２－２５作者简介：邓达（１９８４－），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．ｃｏｍ．ｃｎ）。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；ρＳＡ

7、≤７０％，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ｆ（α）＝１，１＋α／ωｅ（３）环境温度系数ｆ（Ｔ）。环境温度升高，氯离α为线性结合系数，Ｔ．Ｕ．Ｍｏｈａｍｍｅｄ通过试验研究子运动速度加快，有利于氯离子在混凝土结构中的［８］表明，对于普通硅酸盐水泥，α可取为０．１５９７。［３］传输，美国Ｌｉｆｅ－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ｆ（σ）。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Ｕ１１ｆ（Ｔ）＝ｅｘｐ－数ｆ（σ）取为０．９。［Ｒ（ＴｒｅｆＴ）］式中，Ｕ为扩散过程的活化能（３５

8、０００Ｊ／ｍｏｌ）；Ｒ为３．２临界氯离子浓度氯离子会