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用贝叶斯网络表示腐蚀起始和进一步腐蚀耦合效应的钢筋混凝土结构的可靠性评估
文章信息
关键词：
贝叶斯网络；腐蚀；损坏；概率模型；钢筋混凝土；结构可靠性分析。
摘要
钢筋混凝土结构是基础设施的重要组成部分。基础设施正在老化，大量的结构将在不久的将来超过规定的服务期限。混凝土结构的老化往往伴随着相应的劣化机理，主要的恶化机理之一是与氯离子和二氧化碳的接触引起钢筋的腐蚀。
由此，提出了由腐蚀引起的一般钢筋混凝土框架退化的随机建模研究。该框架将现有的氯化和碳酸化开始的概率模型与腐蚀传播后的模型相结合。为此，结构可靠性分析和贝叶斯网络的组合被用于估计钢筋混凝土结构的失效概率。
这种方法采用高效的方式计算简单结构的罕见事件的概率，以及采用相同的方法从测量，监视和检查结果的新信息更新模型。
一般的框架可以全面了解当前使用模型的寿命。通过相应的敏感性研究找出处理恶化的钢筋混凝土结构和结构的时间变化的最佳决策，也可以以该框架作为代表和进行分析。
1.简介
钢筋混凝土（RC）是一种通用且广泛使用的建筑施工材料。在许多国家，钢筋混凝土是工程结构中主要的结构材料。钢筋混凝土结构的多样性是基于混凝土和钢筋组件的广泛可用性、混凝土施工所需的简单操作以及与其他形式的施工相比，钢筋混凝土的经济性[1]。
在某些情况下，钢筋混凝土结构的老化导致结构功能的损失。主要劣化机理之一是钢筋腐蚀。这个过程会引起混凝土的开裂，剥落或分层等影响，同时导致钢筋截面的减小和粘结强度的丧失[2]。这些变化使结构元件的承载能力和结构可靠性随之相应的降低。
为了避免或控制这一点，对现有结构进行维护和修理工程，提供一定程度的结构完整性。但当这项活动的可用经济预算有限时，结构性恶化的速度似乎在增加[3]。
例如，BRIME [4]估计，法国39％，德国37％，挪威26％和英国30％的混凝土公路桥梁受到老化的影响，因此被认为不符合标准。在欧洲，每年的保养金额是三位数的十亿欧元。
另外美国交通部也宣布超过30％的美国公路桥梁有缺陷[5]。为了在2028年之前消除所有的桥梁缺陷，估计接下来几年里，每年会为此花费205亿美元[6]。
因此，负责任的决策者的目标是在可用的经济条件下有效地维护和管理钢筋混凝土结构。决策者有权力对资源进行分配，但也对第三方决定的后果负责[7]。然而，确定钢筋混凝土结构恶化的最佳识别、决定不是一个简单的过程; 特别是当问题与复杂的物理和化学现象有关时，其预测具有较大的不确定性，而且还伴随着高昂的财务费用。
因此，在过去几十年中已经进行了大量的研究，并且仍在继续。一方面，实体模型已经发展到了解腐蚀的过程，并提供了一种工具来估计钢筋混凝土结构在期望状态下保持的一段时间（使用寿命）。另一方面，推动了可靠性和风险决策的新的、增强方法的开发。
本文通过为一般老化的钢筋混凝土结构框架的可靠性随机建模来连接这两个主题。因此，使用结构可靠性分析和贝叶斯网络（BNs）的组合来模拟从暴露在环境到随时间发展的可靠性的过程。
2.钢筋混凝土结构退化过程的模型
2.1 使用寿命内的模型
实现所需功能级别的时间段称为使用期限。使用期限由决策者确定的极限状态确定。例如，常用的极限状态是开始腐蚀，视觉上观察到外观腐蚀，由腐蚀引起的损坏，例如开裂或剥落，以及钢筋混凝土结构破坏。
对于混凝土结构的退化，已经开发了几个模型来提供方法来估计钢筋混凝土结构保持期望的功能水平的持续时间。使用期的限模型如DuraCrete [8-10]，LIFECON[11]，fib Bulletin 34 [12]或Life-365[13]，提供了有关混凝土结构耐久性特性的有价值的信息。
这种使用期限模型的基本方法是基于Tuutti [14]的，其使用寿命细分为两个阶段，起始和传播阶段。
在起始阶段，钢筋混凝土结构暴露于环境和作用有力学效应。特别是，当穿透到临界深度渗透到预埋钢筋处，氯离子和二氧化碳渗透到混凝土中可能导致钢的腐蚀。如果腐蚀已经发生，则初始阶段结束并且传播阶段开始。
在传播阶段，腐蚀过程会导致钢筋截面的减少和腐蚀产物的积累（“锈”）。横截面的减小影响钢筋混凝土结构的承载力，这可能导致结构的破坏。腐蚀产物的体积增大可能导致覆盖混凝土的开裂和剥落[15]。
虽然启动阶段的模型有详细的记录，但传播阶段缺乏信息记录。另外，两个阶段的模型是分别开发的，这样从起始阶段到传播阶段的连接不能用统一的模型来形成。在对恶化的钢筋混凝土结构进行管理的过程中，对使用期限的整体观和确定最佳决策的范围并不理想。
对于本文提出的方法，利用了当前状态下的用于混凝土劣化的现有技术模型。然而，如果将来有更准确的模型可用，这不是限制。在本文的其余部分，由DuraCrete提出的起始和传播模型[10]和由Val和Melchers建议的腐蚀效应的模型[16]和Stewart的模型[17- 19]将被利用。
2.2 腐蚀开始阶段
2.2.1 氯化物引起的腐蚀
钢筋腐蚀的常见原因是氯化物污染[20]。钢筋表面的氯化物含量必须达到一定的界限值才能开始腐蚀[2]。然而，混凝土中的氯离子流动是一个相当复杂的过程，其中涉及离子扩散和对流[21]。这种复杂的运输机制可以用Fick的第二定律的一个简化的公式来表示[22]：
（1）
其中是在从暴露于氯化物时间后混凝土表面距离处的浓度和是氯化物扩散系数。得到的偏微分方程解为：
（2）
其中是氯化物的表面浓度和（·）的误差函数。根据DuraCrete [10]ensp;的可计算为：
···· （3）
其中，是环境参数，是一个测试方法的参数，是执行参数，是经验扩散系数，是参考时间和是年龄因素； 根据公开的事件：曝光环境，硬化时间和水灰比。每个参数可以表示为一个随机变量，本研究中使用的相应分布和参数都记录在附录A.1中。
氯化物引发的腐蚀只有在氯化物浓度达到一定的限值时才能发生。该值称为临界氯浓度，由t表示。实际上，这个值有两个定义。第一个临界氯化物浓度定义是指开始钢表面去钝化的限值。第二个临界氯浓度定义的意见是当发生开裂时达到的限值[10]。
对于腐蚀开始，极限状态可以假设为到达钢筋直径的临界氯化物浓度的概率。
（4）
2.2.2 碳酸化引起的腐蚀
碳酸化描述了二氧化碳（）中和混凝土碱度的过程。据此，从大气中弥散到混凝土中并与水化水泥浆反应。该过程本身不会对混凝土造成任何损害，但后果是 孔隙溶液的pH值从正常水平下降到接近中性的水平值。
扩散到混凝土可以用Fick的第一个扩散定律来描述[23]：
（5）
其中J 是扩散通量，是浓度，是扩散系数和是从混凝土表面到碳化前沿的距离。这些系数可以随着位置，时间，孔结构，湿度或温度的变化而变化。求解方程 （5）ensp;，碳酸化前沿距离的增加可以计算得出（见附录A.2中的详细信息）。腐蚀开始阶段的极限状态可以假定为，达到碳酸化前沿的距离或超过混凝土的钢筋保护层深度。
（6）
2.3 腐蚀的传播阶段
所谓的传播阶段的开始以及钢筋开始腐蚀，是发生在钢筋钝化以及钝化层破坏后。
腐蚀的发生为两个半电池反应，一个为阳极反应（氧化）和一个为阴极反应（还原）。这种机制被称为腐蚀的基本机理，以及用反应铁 水 氧→腐蚀产物来概述[24]。
无论腐蚀是由碳酸化还是氯化物引起的，化学反应都是一样的。此外，其可以通过与电解质中的金属的腐蚀相同的电化学方法来描述。利用电流的流动和阳极和阴极反应中的电子的产生和消耗来确定腐蚀速率[25]。腐蚀速率 通常被表示为穿透速率，其单位为[mm/yr]。也可以用电流密度表示[11]，表示腐蚀电流与钢筋面积有关[mu;A/cm2]。在钢筋里，电流密度和渗透率之间的关系近似[16]。
在DuraCrete [10]模型中使用了基于Nilsson和Gehlen [26]的简化传播模型。因此，基本假设是将腐蚀速率表示为材料参数和局部影响因素的乘积（见附录A.3中的 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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