摘要
随着跨海桥梁、海洋资源开采平台等严酷服役环境中混凝土结构得到越来越广泛的运用，混凝土结构的耐久性问题也已经变得日益突出。这些混凝土项目结构的耐久性问题给世界各国都带来了沉重的经济负担。因此，利用全寿命周期成本分析（Life-Cycle Cost Analysis，LCCA）理论合理设计与优化严酷服役环境中的混凝土项目结构已经成为当前土木工程领域的研究热点。本课题研究内容来自于国家自然科学基金项目“基于钢筋锈蚀耐久性的混凝土结构全寿命性能及设计理论研究（51378241）”，主要探讨了自然侵蚀环境中钢筋混凝土结构的性能劣化过程，并根据结构时变可靠度探寻了项目全寿命周期成本的评价方法，重点探讨了基于运营阶段的活动成本的结构设计方法。本研究的主要工作如下： 1、探讨了混凝土内钢筋的锈蚀反应及其引起的结构性能劣化过程。从钢筋的初始锈蚀到混凝土锈胀裂缝的生成与发展，本文探讨了自然侵蚀环境中混凝土内钢筋锈蚀的发展过程，提出了以钢筋发生初始锈蚀、钢筋发生适量锈蚀等临界条件为极限状态的混凝土结构构件耐久寿命分析方法，反映了钢筋锈蚀对混凝土结构适用性能的影响。同时通过长期氯盐侵蚀环境干湿循环试验获得的锈蚀钢筋试样，探讨了该试验环境下钢筋的不均匀锈蚀形态与力学性能劣化情况，表明了钢筋锈蚀对混凝土结构承载能力的影响。以上研究结果充分说明了利用全寿命周期理论进行钢筋锈蚀环境下混凝土结构设计与优化的现实意义与研究价值。 2、建立了混凝土结构全寿命周期成本分析模型与设计理论框架。参考国际标准（ISO2394,1998）给出的优化策略作为目标函数，初步探讨了项目结构全寿命周期成本最小的优化方法。利用概率分析理论方法建立了包括项目结构的初始成本、日常养护成本、服役期内运营活动成本、失效成本和剩余价值等成本项在内的全寿命周期成本分析预测模型。并在此基础上初步探讨了混凝土结构耐久性设计的优化方法，提出了使结构全寿命周期成本趋向最小的参数选取思路，为后续优化钢筋混凝土结构全寿命设计的研究工作提供参考。 3、氯盐侵蚀环境中混凝土结构全寿命周期时变可靠度计算分析。为了预测氯盐侵蚀环境中混凝土结构的全寿命周期劣化过程，本研究将其全寿命周期划分为氯离子运输阶段和纵向锈胀裂缝发展阶段。基于现有的混凝土中氯离子运输模型和钢筋锈蚀引起的纵向锈胀裂缝宽度预测模型，本文利用Monte-Carlo抽样模拟法得到了不同设计条件下的混凝土结构时变失效概率与可靠指标曲线，并拟合得到了相应的计算模型。通过比较不同设计条件下混凝土时变劣化曲线，本文初步探讨了如何优化钢筋锈蚀环境下混凝土结构全寿命周期设计。 4、初探了氯盐侵蚀环境中混凝土结构全寿命周期设计方法。根据前文得到的不同设计条件下时变可靠度曲线，探讨了不同运营阶段维护与加固活动对项目结构可靠指标的影响，并且建立了不同的运营阶段维护与加固活动布置方案下的运营阶段成本计算评估方法。随后以实际海洋环境中混凝土结构为例计算了相应的运营阶段成本，通过对运营成本计算结果的比较分析，初步探寻了钢筋锈蚀条件下混凝土结构的全寿命周期成本优化的理论方法。最后，以混凝土绿色性能为优化目的改进混凝土配合比的设计方法。
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