外文翻译译文-关于海洋环境下结构持久性的基本性能仿真模拟

附件 1：外文资料翻译译文 关于海洋环境下结构持久性的基本性能仿真模拟 Swatekititharm 摘要 设计中考虑持久性对材料优化和全寿命周期内的总成本管理是非常重要。 基本性能仿真模拟和设计有利于预测恶劣环境下结构的寿命。基于传统的设计概 念，持久性依赖于实践经验，但并不是一种预测结构真实寿命的精确方法。因此， 基本性能仿真模型是一个能解决持久性和寿命周期费用最小化的方法。文章中介 绍了在海洋环境下的桥梁结构的基本性能仿真模型。本文研究目标是考虑建筑所 在地的各种自然条件，如风，浪，防浪堤和材料强度等因素后预测结构的真实寿 命。 关键词 基本性能仿真模型 氯盐侵蚀 海洋环境 可用性 恶化水平 寿 命周期成本 1 引言 在现代土木工程界中基础设施的设计和施工中考虑耐久性已成为重要内容， 21世纪，根据（Daratech 公司2001年）的调查数据，超过一成的国内生产总值 （GDP）用于建筑的加固和拆除。在过去，结构设计目标是设计建筑物在整个使用 寿命内的维持。在未来，持久性发展直接关注建筑的全寿命，是为了预测全球范 围内建筑产业中的全部消耗。结构设计必须包括高效率，经济性和美观，这些都 应结合环境的影响予以考虑。设计者可以使用他们的要求来寻找新的设计方案。 传统的设计方法在材料的减少和经济资产的管理问题上并不适用，如图1所示。基 本性能仿真模拟是一种预测结构全寿命和现存桥梁结构评估的新方法。在环境作 用下基本性能的仿真模拟已经进入了物理持久性和化学持久性的领域。物理持久 性包括蠕变收缩，冻融，疲劳等。化学持久性包括氯化物，硫酸盐，酸，生化物 质，碳化，碱等反应。为了获得耐久性将经济指数，环境作用，材料使用和维护 方法与基本性能仿真模拟相关联以评估在任何产量变化下结构的适用，如图2所示。 图1 目前的设计情况和结构持久性水平 图2 在持久性设计中参数的结构图解 在这一建议中主要模拟海洋环境中结构的氯盐侵蚀。这样做的目的是通过 考虑环境对结构布局和材料强度的作用来预测结构的可用性。 2 氯盐侵蚀下的基本性能模拟 寿命仿真模拟对于预测结构的劣化和损害程度是必要的。氯盐侵蚀下结构的 极限状态分类如下： 极限状态1：钢筋开始发生腐蚀 极限状态2：开裂 极限状态3：混凝土表层脱落 极限状态4：承载力不足 图3 破坏演变的图解 图3中所给出的四个极限状态指标限制了适用等级，结构强度等级，耐久性等 级和发生致命事故概率级别的性能水平。表示结构破坏水平的时间指标t 2到t 4的取 值可以假定为t 1的功能函数，如下： （1）24124;.0,32.itatand 在各种环境影响下 的计算是这个分析中最复杂的部分。如果 t1已知，可以计 算出破坏水平指标。这篇论文的目的是用计算系统获得时间 t1，就是在图4中所示 的方法，由氯化物分别形成，传递，侵蚀组成的。 2.1 形成气溶胶氯化物 系统模拟的第一步以形成的气溶胶氯化物开始。波浪，风速，风向和防浪堤 四个主要参数对气态氯化物的比重有很大的影响。处于低层生成的气态氯化物数 量较大，在较高层数量减少。正确的方法是通过幂函数给出在空气中氯化物气溶 胶的分布。 wind airihbW （2） 恶化程度 承载力不足 混凝土表层脱落 开裂 钢筋开始腐蚀 5.3 2ba （3） sinco41023bHU （4） 03 NaclNaclC （5） 其中，h air 是从地面算起的高度（米） 。U 是海边平均风速。a 是颗粒的扩散系 数。b 为地面液滴滴量；f( U3 ,Hb2)。H b是由公式3-4波的传播计算的防浪堤高度（m ） 。 是防浪堤水平倾斜角。r 是标准盐浓度与3盐浓度的比值。 CNacl是临近海边的海 盐浓度。a 1是功能高度系数。a 2是由于防浪堤而产生的最大高度倍增系数，a 3是海 岸特征系数。系数 a1到 a3与海岸周围的环境有关。如果风向从海边运输气溶胶粒 子，r wind 是1.0 否则为0。 图4 对受氯盐侵蚀结构的全寿命系统模拟模型 2.2 气溶胶氯化物的传递 假设飞沫粒径分布在1-300微米范围内的颗粒为在海边形成的全部的气溶胶氯 化物，且其分布遵循半循环关系。则在二维空间自由运动的质量守恒方程见6-8。 2, irhdeyirhdrhd WDXWU （6） 43105iedyD （7） irhdxh0., （8） 其中，w d,h,x 是距一定高度和距离的单颗气溶胶氯化物的重量（ug/ m2/sec） 。v 是极限速度2,4,6 。在整个模拟过程中 u 和 v 可以简单地假定为一个恒定值，因此 斯托克的流体运动规律可以作为很好的运用。D ddy为旋涡湍流的涡扩散系数(dm 2/s)。 di是气溶胶颗粒直径（m） 。w h.x 是运输到了距离海边一定的高度和距离的气溶胶 氯化物总重量（ug/m 2/sec） 。 2.3 侵入混凝土中气溶胶氯化物 结构构件表面的气溶胶氯化物随时间变化渗入混凝土的规律依据菲克第二扩 散定律用公式9-12表示： xFtCtxfre, （9） dCDtixfretfredtx , （10） () 1285.,sintdporeSa （11） tCFfre0,0, （12） 其中，C free(x.t)是距离 x 和在 t 时刻内的自由氯离子浓度（mol/l） 。F(x.t)是自由 氯化物流量。D (t)是自由氯化物扩散系数（ cm2/day） 。D d是在水中氯离子扩散系数 （=0.0259cm 2/day） 。 pore是混凝土单元中孔隙比。S 为饱和度（饱和孔隙= 1.0） 。 Tk是混凝土开尔文温度。 F(0.0)是通过气溶胶或雨水溶解在混凝土表面的氯化物量。 根据 Maruya 等人的模型可以计算出自由氯离子的浓度。 3 混凝土中氯离子浓度的计算实例 图5 在四个恶化阶段中四个实例的全寿命模拟 对四个寿命仿真实例的四个阶段的比较。在混凝土深度范围内， pore和 S 的设 置为一个常量，相当于水灰比分别为0.4和0.6 时， pore和 S 分别为0.225/0.6 ,0.329/0.60 。混凝土表面氯气溶胶通常设置为0.02mg/ dm2/hr。上述计算在雨天和 晴天之比为1：10的交替循环作用中考虑雨天所产生的影响，计算中表面溶解度参 量在干湿循环中建议采用1.9 10-6mol/(1.day)。这个模拟忽视了大量氯离子在重力 水运动时的水平对流运动。模拟结果如图5所示。 4 结论 对于获得海洋环境下的桥梁结构的耐久性，考虑环境情况，如风力，海浪， 防浪坡，雨水，包括结构材料强度后，对桥梁结构在氯盐侵蚀下的基本性能仿真 模拟是非常重要的。