1、浙江工业大学毕业设计 杭州某宾馆85随时间变化的钢筋混凝土抵抗力分析摘要对钢筋混凝土材料时间相关性的分析方法进行介绍，讨论钢筋混凝土的作用机理，然后再研究随时间而定的钢筋混凝土抵抗力。此外，对钢筋混凝土结构中的钢材腐蚀进行了分析。一种实用的鉴定随时间而变的抵抗力统计方法得到确定，包括物质的材料，结构尺寸，计算的影响。另外，范例中预测随时间而变的钢筋混凝土结构构件的抵抗力是给定的。关键词 不定分析 随时间变化的抵抗力 钢筋混凝土1引言因为钢筋混凝土材料适用于很多地方，并且价格便宜，所以它在土木工程中是一种非常有用的材料。因此，这种材料大量的被使用。然而，传统的建筑结构设计和钢筋混凝土材料的研究很
2、少注意到钢筋混凝土强度和时间的关系，尤其是作用在材料上的不同性质的影响作用几乎是不予研究的。1，2直到近年来，在建筑结构中的一些研究才涉及这个问题关于钢筋混凝土强度和时间相关性的分析。Li 和 Melchers3研究了钢筋混凝土柱在随机荷载作用下的破坏概率，而且给出了随时间而变化的破坏概率的计算技术。Li 和 Liu4通过对混凝土结构耐久性的研究认为这种作用加速了钢筋的腐蚀破坏。Leng5等分析了这种情况并对混凝土压力破坏问题进行了研究。而且 Lu 6等已经论述了这种钢筋加速腐蚀的情况。一般来说，依赖不同因素6的钢筋混凝土抵抗力明显减小。在对混凝土结构安全性校核上,基础理论为钢筋混凝土耐久性分
3、析提供了建议。研究随时间而变的钢筋混凝土结构的性质的是必要的。钢筋混凝土随时间变化的机理许多因素对钢筋混凝土抵抗力都产生影响。仅在水池的水区域中就存在着超过 50 种化学腐蚀元素,水在其中工作并且起调节作用。获得一个与时间相关的钢筋混凝土模型的实际方法是一种多因素理解方法。通常，对于单一的因素，许多结果只考虑到混凝土的碳化作用，计算碳化的厚度可以用下面公式来表示：D ( t) = K t (1)浙江工业大学毕业设计 杭州某宾馆86式中 D ( t)， K 和 t 分别为厚度，速度系数与碳化的时间。到目前为止，虽然有许多模型被运用到钢筋的侵蚀、疲劳破坏和化学侵蚀中，但是还没有大家都一致认可的结论
4、存在。一般而言，能够降低钢筋混凝土的抵抗力功能的变量有钢筋、混凝土、几何尺寸、周边环境情况以及随时间而变的抵抗力等1 ,5 。显而易见，钢筋混凝土抵抗力的变化是的一个随机函数过程或者说是一系列材料和结构变量的相互作用。钢筋混凝土在空气中的碳化被称之为中和反应。它是空中的 CO2 和钢筋混凝土中的碱性材料进行的复杂而缓慢的中和过程。在空气中完全地碳化密实混凝土中的钢筋保护层需要花费几十年的时间，但是碳化非密实混凝土的钢筋保护层只要几年时间。如果稀薄的碳化材料的含量比较高，则钢筋混凝土强度就会下降并且在碳化过程中结构的横截面也会加快缩小。碳化作用会造成碱度的下降和钢筋的腐蚀2 。钢筋的腐蚀过程是钢
5、筋表面中的铁不断地失去电子然后在溶于水，再在有氧的条件下与水发生相互反应。因此，有的时候被侵蚀的材料的体积会不断地扩大，这样会导致钢筋混凝土保护层产生裂缝、剥落，并且沿着钢筋方向降低钢筋与混凝土之间的粘结力，从而造成钢筋混凝土结构承载能力的损失。近来的研究表明钢筋腐蚀最严重的是非碳化保护层 15mm 处。另一方面,由于不完善的表层和在混凝土上的裂缝，使腐蚀的开始时间可能会提前，并且腐蚀速度也可能大大地提高。当钢筋应力小于其屈服点时，其破坏速度是稳定的。但是当腐蚀速率超过其屈服点时，破坏速度将提高几倍。后者被称为金属超应力腐蚀，它是脆性的和危险的体现。钢筋的锈蚀会减小钢筋的承压面积，破坏粘结力以
6、及降低结构的有效性。空气的腐蚀以及所有的液体都会对钢筋混凝土产生巨大的影响。它们会造成钢筋混凝土的腐蚀，混凝土保护层厚度的减少，最终加快钢筋的锈蚀。当结构承担活荷载时，钢筋混凝土结构产生疲劳破坏,造成强度和刚度的递减，而且使其产生裂缝并且不断扩大。通常疲劳破坏可以被分为固定和随机破坏，前者被用来决定荷载周期，而后者相对于任意的材料和荷载而言。除以上所述外，还有其他许多因素对其有影响。例如温度（包括温度的高低、温度的变化周期、冻害） ，湿度（包括干湿周期） ，以及荷载的调幅。荷载的调幅可以使钢筋混凝土结构的抵抗力降低。浙江工业大学毕业设计 杭州某宾馆873任意时间相关性分析属于该情况结构的随机变
7、量是彼此相互独立的,并且认为随时间变化为特征的材料，以随机时间相依函数为特征的钢筋混凝土可以用下面公式来表示8 ： 10MfKtkt2式中： O这一随机变量指出了结构材料与试验材料性质的差异；是建筑试验材料性质的差异系数， fK是试验材料的随机变量。根据统计理论，平均值和标准偏差系数 Mt 分别用下式表示：10kMkytt（3）022kKMy4式中 0t表示平均值，0k表示随机过程的标准偏差系数Kt, ky和 yk分别 是试验材料性质的平均值和标准偏差系数以及随机变量 f 。同样地，与其类似的分析模型的随时间变化的钢筋混凝土结构的几何参数和计算方法多半可以这样来研究。钢筋混凝土的抵抗力可以用抵
8、抗力函数 R ( x1 , x2 , , xn )表示。其中 ix 表示计算结构的参数，例如材料，几何形状，计算方法等。如果随时间相关性同时应用于抵抗力和相对变量，x1 可处理作为一个随机过程。另外，考虑到疲劳工作，计算模型和最初参数以及与时间相关的抵抗力模型可以用下式表示： 0,012,.pnRtKRx5式中 ： (R0, t) 是随机抵抗过程，R0 是最初抵抗力， ,是随机过程的疲劳破坏，Kp 是计算模型的不可测定参数，xi 表示随机过程的物质参数。许多关于钢锈蚀的实验表明钢的侵蚀过程与正规随机过程相一致。分离程序，随机时间相关的抵抗力( R0, t)可以简单地表示为 :00,Rt6浙江工
9、业大学毕业设计 杭州某宾馆88式中：R ( t)是由时间决定的函数，而 R0 是任意初抵抗力。另外，其它的不能确定的情况应该被考虑 ，例如未确定实际材料的抵抗力大小，几何学尺寸，和计算模型。对于简单结构，任意过程的抵抗力函数， 可以简单写成：pttRgkyt7式中： 是与时间有关的函数， PKt计算模型是计算模型的不可测定参数，以及 Pt是由计算模型决定的结构抵抗力。对于单一结构构件用等式( 7)表示，可以写作：PMAktRKttR8式中： ,P,以及 AKt分别表示为随时间变化的计算参数，钢筋混凝土结构构件几何形状和材料的特征。 kRt是材料抵抗力标准值。平均值和标准偏差等式( 8)分别如下
10、式表示：pARkkttRt91222tktkMtkAt10在具体施工应用中，混凝土结构阻力随机过程的递减函数按以下公式计算： ttR1式中的 是混凝土结构阻力的随机过程，, 是相关的随机变量，以及 t是随时间变化的函数。基于混凝土结构设计的耐久性等级，等式（11）可以采用下列公式确定： 1cuct t12t3()2ytyt4t15浙江工业大学毕业设计 杭州某宾馆89式中 cut当钢筋混凝土达到极限时混凝土的抵抗力平均值；y当钢筋混凝土达到极限时钢筋的抵抗力平均值；cut钢筋混凝土中的混凝土的标准偏差系数；y钢筋混凝土中的钢筋的标准偏差系数；1， 2分别为混凝土和钢抵抗力减小系数，; 1， 2涉
11、及到结构的材料，可以从材料实验中获得； 工程应用测试轴向受压钢筋混凝土的结构构件，从而得到一些结构阻力的统计资料。考虑初始值C30 的混凝土的平均值 1.4cu，标准偏差 0.19cu；;20MnSi 的钢筋，平均值 1.4y，偏差标准偏差 07y; 初始阶段的尺寸是 2m。结构构件的每一个侧面允许有 0.02 的偏差。混凝土和钢的抵抗力减小系数可以分别从 Ref 4处获得，7180。62.1。在这种条件下，轴向受压的钢筋混凝土结构相关随机时间抵抗力可以从中获得。根据钢筋混凝土结构的设计理论，抵抗力函数可以表示为 cuyRA，式中 cuR和 y分别为混凝土和钢筋的初阻力。其次在论文中使用该理论
12、来计算随机时间而定的抵抗力。一些统计数据见表格 1。从计算结果中可以清楚的看到，钢筋混凝土的阻力明显地随时间增加而减小。这个现象是有重要意义的，并且在校核钢筋混凝土的安全性上是不能忽略的。表1 轴向受压的钢筋混凝土结构构件随时间变化的抵抗力时间/年 0 10 20 30 40 50平均值kN 762520 732395 713656 688575 651744 598732标准偏差 124863 119380 116473 112949 108028 101105浙江工业大学毕业设计 杭州某宾馆90kN变异系数 01637 01629 01632 01640 01657 016885 结论对于
13、土木工程的研究、设计和建设来说，钢筋混凝土结构的特征是非常重要的。任意随时间变化的钢筋混凝土材料的研究对于结构测试，钢筋混凝土结构的养护，安全评估是必要的。为了结构可靠性的设计，任意随时间变化的实际抵抗力应该被确定。 在论文里针对以材料为特征钢筋混凝土进行研究，其中对混凝土产生影响的因素有混凝土碳化，钢筋腐蚀。针对随时间而变钢筋混凝土结构的抵抗力，影响钢筋混凝土的其他因素和解析方法是被建议的。浙江工业大学毕业设计 杭州某宾馆91参考资料1 J L Pan. 混凝土结构性能的评价与测试 黑龙江：黑龙江科学技术出版社， 1997 2 MLu. P X Wang. J YLu. 钢筋锈蚀研究的规定条
14、款 . 混凝土，2000 ， （ 8 ）：37 - 41 3 Q Li ,R E Melchers. 钢筋混凝土柱在随机荷载作用下的失效概率 工程结构 1995年17（4）：419-4244 Li Tian.Liu Xila. 混凝土结构耐久性的分析与设计 北京：科学出版社， 1999年5 Leng Faguang ,Feng Naiqian ,Xing Feng. 混凝土应力腐蚀研究的现状与问题 混凝土，2000，（8）：6-96 L S Gong. C P Liu. 混凝土耐久性及其修复保护 北京：建筑工业出版社，19907 Y Z Chen. 关于硅酸盐的水化研究阶段和钢的性能保护 硕士论文 。武汉：武汉理工大学， 1989年 8 W Ruan. C S Guan. GQ L. 钢筋混凝土结构时间相关性分析 董尚杂志研究所 建材，1996 年，10（ 4 ）：68 - 72
