混凝土中氯离子三维扩散模型及参数拟合

提出了基于ANSYS有限元分析和试验实测数据拟合的混凝土中氯离子三维非稳态扩散模型.该模型可以模拟混凝土与海水接触表面氯离子随时间变化的累积效应、氯离子扩散系数随时间和氯离子浓度的变化,以及氯离子反应率对扩散的影响.根据非稳态扩散方程与导热方程的相似性,用ANSYS有限元软件参数化设计语言编程方法,实现了数值模拟分析;利用ANSYS的优化设计功能,以有限元数值计算结果与实测数据的误差平方和最小为优化目标,拟合氯离子扩散试验的实测数据,得到数值模拟所需的模型参数.计算表明:模型能比较好地拟合长期海洋环境暴露试验的实测数据,为海洋环境中使用的混凝土结构的耐久性设计提供参考依据.     

模型再生混凝土二维氯离子扩散细观数值模拟

根据再生混凝土各相介质Cl-扩散率和几何参数建立了数值模型,对模型再生混凝土二维Cl-扩散性进行数值模拟,研究了再生混凝土的Cl-扩散特性.通过变化再生粗骨料取代率、新(老)硬化水泥砂浆扩散率、老硬化水泥砂浆厚度以及界面过渡区(ITZ)扩散率对再生混凝土中Cl-扩散性能进行了对比分析.结果表明:模型再生混凝土内部Cl-浓度非均匀分布,Cl-浓度沿着扩散深度波浪式下降,再生粗骨料取代率、水泥砂浆、ITZ等的变化对Cl-浓度的影响随着扩散深度的增加而逐渐变大,且在ITZ处的影响较为明显.     

氯离子质量浓度及电场强度对电解铜箔性能的影响

针对电解铜箔生产过程中表面形貌和力学性能差的问题,采用明胶作为添加剂,通过直流电沉积Cu+方法制备了厚度为8μm的电解铜箔,分析了盐酸中Cl-与有机物(十六烷基三甲基氯化铵)中Cl-对电解铜箔表面形貌和力学性能的影响.通过ANSYS Maxwell软件模拟电场强度解释铜箔边缘镀层粗糙的原因.研究结果表明:有机物中的Cl-比盐酸中的Cl-更能提高电解铜箔的表面形貌和力学性能,由于阴极板边缘部分的电场强度高于极板中央位置,导致铜箔边缘镀层较为粗糙.当添加有机物中的Cl-的质量浓度为2 mg/L时,电解铜箔光亮度最佳,均匀致密,粗糙度Rz为3.6μm,晶粒尺寸细小,为31 nm,抗拉强度达到380.9 MPa.     

CFRP加固混凝土梁的非线性有限元分析

碳纤维复合增强材料(CFRP)具有轻质、高强等特点,在我国混凝土结构加固中得到了广泛的应用.本文基于有限元软件ANSYS,对材料本构关系的选取、有限元模型的建立、网格划分、二次受力的实现及混凝土与CFRP之间的粘结滑移处理方式进行了探讨.以9根试验梁作为依据,将试验结果与数值模拟结果进行对比分析.结果表明,数值模拟结果与试验结果基本一致,所建立的有限元模型能较好地反应真实状况;且利用ANSYS可以较好地模拟CFRP加固梁在承载过程中的荷载效应,为实际工程提供了参考.     

再生混凝土梁抗弯性能的数值模拟

以再生混凝土梁抗弯试验为基础,利用有限元软件ANSYS对再生混凝土梁的受弯性能进行非线性有限元分析,在软件ANSYS中选择合适的单元,合理设置材料本构模型,对软件中的相关参数进行设置,模拟混凝土梁真实的受力性能.将数值模拟结果与试验数据进行比较,并分析软件模拟与试验数据产生差异的原因,结果表明,利用软件ANSYS进行有效的参数设置能较好模拟再生混凝土梁的抗弯性能.1     

钢纤维混凝土抗冲击性能的数值模拟研究

为研究不同钢纤维体积分数与不同钢纤维长径比对混凝土基体抗冲击性能增强作用的影响,利用ANSYS/LSDYNA3D有限元计算软件,采用损伤材料模型,数值模拟了钢纤维混凝土圆柱体撞击素混凝土靶板的过程.分析了不同初速条件下靶板破坏体积与冲击动能的关系,并将数值模拟结果与试验结果比较.结果表明:钢纤维体积分数越大,钢纤维长径比越大,钢纤维混凝土基体的抗冲击性能越好;同时也说明,损伤材料模型能够很好地模拟混凝土类材料在冲击作用下的破坏情况.     

ANSYS的接触分析在钢筋混凝土滑移中的应用

以钢筋-混凝土的拉拔实验的有限元分析为例,介绍了ANSYS有限元软件中的3种接触分析:点-面、点-点、面-面接触;详细描述了接触分析建模的过程及注意事项:最后利用面-面接触单元建立了钢筋与混凝土的拉拔实验的有限元分析模型.进行了相关力学分析,求出钢筋在混凝土中的滑移量及锚固长度,并与规范中的相关数据作比较.结果表明,实验结果与理论值相吻合,证明ANSYS软件能方便地用于钢筋与混凝土间的滑移分析.     

混凝土结构线性有限元分析研究

介绍了有限元软件ANSYS在混凝土结构线性分析中的应用,以一根简支梁为例,应用ANSYS对试验过程进行模拟分析,结合变分原理及工程计算力学基本理论,对计算结果进行了对比分析。     

钢纤维混凝土浇筑过程中纤维运动的数值模拟

纤维混凝土构件内纤维的分布形态对其受力性能有着直接的影响,因此,研究自密实混凝土浇筑过程中纤维的运动以及得到其在构件内部最终的分布形态具有十分重要的意义.本文利用ANSYS CFX软件中的流体计算模块及拉格朗日粒子追踪功能,通过MATLAB自编程序调用和完善ANSYS CFX强大的流体计算能力,得到一种模拟自密实钢纤维混凝土浇筑过程中纤维运动的新方法.将单根钢纤维简化为两个距离固定(为纤维长度)的球形粒子,ANSYS CFX模拟粒子在整个浇筑过程中的运动,MATLAB自编程序控制粒子之间的固定配对并保证每对粒子在计算过程中保持相对距离不变.通过数值模拟浇筑一根1,200mm×150mm×150mm的梁来验证计算的精确性.将模拟结果与实验结果进行对比,证明了模拟方法的适用有效性.这种新方法可用于各种掺量刚性纤维自密实混凝土的浇筑流动模拟.     

硫酸盐环境下基于COMSOL混凝土损伤劣化模型

结合Fick第二定律和修正Davis方程,建立多离子耦合作用下混凝土在硫酸盐纯浸泡环境中离子扩散数值模拟过程,并通过化学平衡建立离子和腐蚀产物之间的定量关系,最终得到简化的硫酸盐纯浸泡模型.利用Matlab和COMSOL Multiphysics实现硫酸根离子扩散模型的建立,以时间为自变量,通过设置温度、浓度等初始条件,最终得到腐蚀物浓度、孔隙率和应变场等因变量评价参数.考虑到混凝土试件的初始建模条件和硫酸根离子腐蚀过程中的复杂因素,对扩散和腐蚀过程做了一些简化和假定,建模结果表明:硫酸根离子在纯浸泡环境下的扩散过程符合试验规律;随着模拟腐蚀进行,混凝土内部自由态硫酸根离子趋于稳定,而固化态硫酸根离子随腐蚀进行而增加;模拟结果可以结合无损检测方法利用损伤层厚度来预测混凝土耐久性寿命.     

氯盐侵蚀环境下圆形截面混凝土构件服役寿命 分析与配合比选择

氯离子侵蚀混凝土结构,导致混凝土过早发生破坏,其原因之一是在进行结构满足耐久性设计时忽略了结构的外形和扩散维数对氯离子扩散的影响。基于钢筋脱钝的临界氯离子浓度,提出了圆形截面氯离子侵蚀的耐久性服役寿命计算方法。开展了耐久性正交实验,通过服役寿命定量计算,可以对圆形截面构件混凝土的配合比进行设计与选择。通过算例分析混凝土构件的服役寿命,结果表明圆形截面构件相对于矩形截面构件具有更好的耐久性,在混凝土结构耐久性设计时,采用圆形截面构件可以增加满足耐久性的混凝土配合比方案,减小混凝土配置难度,降低建造成本。     

盐湖地区钢筋混凝土结构使用寿命的预测模型及其应用

根据Fick扩散定律，推导出综合考虑混凝土的氯离子结合能力，氯离子扩散系数的时间依赖性和混凝土结构微缺陷影响的新扩散方程，建立了用于预测混凝土使用寿命的氯离子扩散理论模型，用暴露于青海盐湖地区的C20和C40混凝土立方体试件对理论模型进行了实验验证，用在青海盐湖地区实际运行19a的钢筋混凝土结构对理论模型进行了工程验证，结果表明，本文理论模型的预测值与实测值非常吻合，而Fick第二扩散定律与实测值明显不符，此外，运用本文理论模型预测普通钢筋混凝土电杆在盐湖地区的使用寿命仅1．2a，而抗腐蚀钢筋混凝土电杆的使用寿命能够达到50a以上。     

近海大气环境下RC结构钢筋锈蚀程度预测

钢筋锈蚀是影响近海大气环境下RC结构使用寿命的重要因素之一。为研究近海大气环境下混凝土碳化与氯离子侵蚀双重作用对钢筋锈蚀的影响,对沿海地区不同龄期钢筋混凝土结构进行了工程实测,包括混凝土抗压强度、碳化深度、钢筋表面氯离子浓度及锈蚀深度。基于实测结果,拟合得到了混凝土碳化深度与抗压强度间的关系模型,建立了同时考虑混凝土碳化深度与钢筋表面氯离子浓度的钢筋锈蚀深度预测模型。在此基础上,利用Abaqus分析软件对不同龄期、轴压比的RC框架柱进行了损伤塑性分析,得到了锈蚀RC框架柱抗震性能随服役龄期与轴压比的变化规律。     

高地温对混凝土氯离子渗透性能影响分析

混凝土的抗氯离子渗透性是混凝土耐久性的一个重要指标,影响到引水隧洞等工程的使用寿命。为获得高地温对混凝土氯离子扩散的影响规律,在电通量法获得不同养护温度条件下,混凝土的抗氯离子渗透实验结果的基础上,采用非线性氯离子吸附模型与温度耦合的数值计算方法,分析了不同温度梯度条件下混凝土氯离子扩散规律。结果表明:20～60℃混凝土抗氯离子渗透性能随温度升高而增强; 60～90℃抗氯离子渗透性能随温度升高而迅速降低;随时间的推移自由氯离子在混凝土中呈非线性扩散且深度不断增大,直至穿透混凝土。因此,进行氯离子在混凝土中的扩散分布研究,可以客观地预测混凝土的服役寿命。     

时变扩散系数对混凝土结构服役寿命的影响

基于氯离子二维扩散模型考虑混凝土氯离子扩散衰减系数及其随机性,计算了氯盐侵蚀下混凝土结构的可靠度及服役寿命。为克服传统可靠度敏感系数的缺陷,分析氯离子扩散衰减系数及其随机性对混凝土结构耐久性的影响,根据全微分公式导出了可靠度对随机变量均值和变异性的无量纲敏感系数。计算结果表明,忽略氯离子扩散系数时变性会导致显著地低估结构服役寿命,而不考虑衰减系数的随机性又会明显地高估结构耐久性能。敏感性分析结果表明,混凝土氯离子扩散衰减系数与混凝土保护层厚度对氯盐侵蚀下混凝土结构耐久性的影响占主导地位,并随着服役时间的增加,衰减系数的影响会超过混凝土保护层厚度。     

不同措施对热带海洋砼结构服役寿命的影响

海工钢筋混凝土结构由于长期受到海洋盐雾大气、浪溅与潮汐、高温等环境因素作用,大量氯离子侵入混凝土中,致使结构中的钢筋严重锈蚀,从而使混凝土结构难以达到50年的设计寿命要求.本文基于修正的氯离子扩散理论与可靠度理论,通过南海实际工程来探讨一些结构措施和附加措施对海工混凝土服役寿命的影响.结果表明:增大结构的保护层厚度能有效延长结构的服役寿命.对混凝土结构施加一定的附加防护措施,也能够有效地延长混凝土结构在热带海洋环境下的服役时间.最有效的附加防护措施是采用不锈钢钢筋,但是价格太高而应用受限,比较适用的是硅烷外涂或者使用阻锈剂,但对于一维结构而言仅仅使用其中一种并不能保证结构50年的设计寿命.     

复杂环境下钢筋混凝土桥梁损伤概率模型及可靠度分析

综合考虑氯离子的结合作用、水灰比、温度和湿度因素对钢筋锈蚀的初始时间的影响,对Fick第二定律进行改进,建立了初锈时间模型.并通过Monte Carlo数值模拟技术,对钢筋混凝土桥梁的保护层厚度、表面氯离子浓度、扩散系数和临界氯离子浓度进行随机抽样,进行了正常使用极限状态下的可靠度计算.研究结果表明,钢筋对锈蚀的敏感程度依次为:保护层厚度、临界氯离子浓度、扩散系数、表面氯离子浓度;随着锈蚀率的增加,桥梁在使用年限达到65年之后,失效概率达到1,同时使用年限下降27%.     

混凝土海洋平台抗氯离子侵蚀耐久寿命预测试验研究

对不同水灰比及掺加粉煤灰、硅灰的高性能混凝土氯离子扩散系数进行了试验研究,并对高性能混凝土海洋平台结构抗氯离子侵蚀耐久寿命进行了预测和分析,结果表明在一定条件下,低水灰比和增加保护层厚度均可以提高混凝土结构抗氯离子侵蚀的耐久寿命.该结论为混凝土海洋平台结构的耐久性设计与评估提供了参考依据.     

海洋环境下混凝土方桩使用寿命预测模型

基于Fick第二定律,建立了考虑扩散系数时变性、荷载对扩散系数影响和氯离子结合能力的氯离子扩散方程;通过求解扩散方程得到考虑多因素影响的混凝土方桩使用寿命预测模型;并分析了桩的保护层厚度、裂缝控制宽度、表面氯离子浓度和临界氯离子浓度等因素对桩的使用寿命的影响.分析结果表明:得到的氯离子扩散方程与实测数据吻合较好;对于设计使用寿命为50年的混凝土方桩,保护层厚度应大于45mm,桩身裂缝宽度不宜大于0.1mm.