一种长大公路隧道衬砌结构碳化寿命预测方法与流程

本发明属于隧道衬砌结构耐久性预测
技术领域：
，尤其涉及一种长大公路隧道衬砌结构碳化寿命预测方法。
背景技术：
：对于长大公路隧道而言，衬砌结构内侧由于洞内汽车尾气排放的co2和co渗入引起混凝土碳化，将会导致隧道衬砌结构内侧混凝土开裂、剥落，影响结构的使用寿命。混凝土碳化已公认是衬砌混凝土结构中钢筋锈蚀的前提条件，而钢筋锈蚀是造成衬砌混凝土结构耐久性损伤的最主要因素。目前，碳化服役寿命预测的方法主要有是基于室内快速试验的预测方法，该方法通常采用加速试验，如高co2浓度碳化试验及钢筋电化学加速试验等，利用室内加速试验可解决预测服役寿命的数学模型参数的选取，但由于室内快速试验的试验环境与实际工程环境不完全一致，因此，导致了该方法难以保证预测结果的准确性。技术实现要素：本发明的目的是提供一种长大公路隧道衬砌结构碳化寿命预测方法，将室内快速试验环境和实际工程环境相联系，提高了预测结果的准确性。本发明采用以下技术方案：一种长大公路隧道衬砌结构碳化寿命预测方法，包括以下步骤：基于相似理论建立现场自然碳化深度预测模型；结合现场自然碳化深度预测模型、混凝土碳化残量随机模型以及现场衬砌保护层厚度建立衬砌结构碳化的极限状态方程；其中，以衬砌结构内侧钢筋开始锈蚀时间为衬砌结构碳化的极限状态；根据极限状态方程生成衬砌结构的可靠度目标函数；以衬砌结构碳化寿命失效概率和可靠度标准范围为约束条件，优化可靠度目标函数，得到最优可靠度指标；根据最优可靠度指标确定衬砌结构的第一碳化寿命；将第一碳化寿命和第二碳化寿命比较，确定衬砌结构的最终碳化寿命；其中，第二碳化寿命为采用混凝土耐久性评定标准法得到的衬砌结构碳化寿命。进一步地，现场自然碳化深度预测模型具体为：其中，xp为现场隧道衬砌结构碳化深度，cp为现场隧道衬砌结构表面的co2平均浓度，cm为室内快速碳化试验模型表面的co2平均浓度，λt为时间比尺，xm室内快速碳化试验模型快速碳化深度，tp为现场隧道衬砌机构的碳化时间，单位为年，tm为室内快速碳化试验模型的碳化时间，单位为天。进一步地，混凝土碳化残量随机模型为：x0＝4.86·(-rh2+1.5rh-0.45)·(c-5)·(lnfcuk-2.30)，其中，x0为碳化残量，rh为环境湿度，c为现场衬砌保护层厚度，fcuk为混凝土抗压强度。进一步地，极限状态方程为：z(t)＝c-x0-xp，其中，z(t)为极限状态函数。进一步地，可靠度目标函数为：β(t)＝-φ-1(pf(t))，其中，β(t)为可靠度指标，pf(t)为衬砌结构超过极限状态的概率，pf(t)＝p{z(t)＜0}＝p{c-x0-xp＜0}，φ-1表示反算运算。进一步地，确定衬砌结构的最终碳化寿命包括：当第一碳化寿命≥第二碳化寿命时，将第二碳化寿命作为最终碳化寿命；当第一碳化寿命＜第二碳化寿命时，将第一碳化寿命作为最终碳化寿命。进一步地，根据最优可靠度指标确定衬砌结构的第一碳化寿命包括：基于monte-carlo法计算最优可靠度指标对应的第一碳化寿命。本发明的有益效果是：本发明通过相似理论建立室内快速碳化试验和现场实际工程环境参数的相似关系，该相似关系结合了室内快速碳化试验的实验环境和现场实际工程环境，可以有效提高预测结果的准确性，并且为安全起见，与采用混凝土耐久性评定标准法求得的碳化寿命预测结果进行比较，选择二者中的较小值作为隧道衬砌结构碳化寿命的最终预测结果，提高了预测结果的准确性和安全可靠性。附图说明图1为本发明实施例中一种长大公路隧道衬砌结构碳化寿命预测方法流程图；图2为本发明实施例中长大公路隧道衬砌结构内外侧示意图；图3为本发明实施例中长大公路隧道衬砌结构碳化寿命可靠度指标与时间关系示意图；图4本发明实施例中长大公路隧道衬砌结构碳化寿命失效概率与时间关系示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本发明实施例公开了一种长大公路隧道衬砌结构碳化寿命预测方法，包括以下步骤：基于相似理论建立现场自然碳化深度预测模型；结合现场自然碳化深度预测模型、混凝土碳化残量随机模型以及现场衬砌保护层厚度建立衬砌结构碳化的极限状态方程；其中，以衬砌结构内侧钢筋开始锈蚀时间为衬砌结构碳化的极限状态。根据极限状态方程生成衬砌结构的可靠度目标函数；以衬砌结构碳化寿命失效概率和可靠度标准范围为约束条件，优化可靠度目标函数，得到最优可靠度指标；根据最优可靠度指标确定衬砌结构的第一碳化寿命；将第一碳化寿命和第二碳化寿命比较，确定衬砌结构的最终碳化寿命；其中，第二碳化寿命为采用混凝土耐久性评定标准法得到的衬砌结构碳化寿命。本发明通过相似理论建立室内快速碳化试验和现场实际工程环境参数的相似关系，该相似关系结合了室内快速碳化试验的实验环境和现场实际工程环境，可以有效提高预测结果的准确性，并且为安全起见，与采用混凝土耐久性评定标准法求得的碳化寿命预测结果进行比较，选择二者中的较小值作为隧道衬砌结构碳化寿命的最终预测结果，提高了预测结果的准确性和安全可靠性。本实施例中，将衬砌结构碳化寿命的预测问题归结为衬砌结构内侧钢筋脱钝问题，如图2所示，为长大公路隧道衬砌结构内外侧示意图，在该图中，内侧即为隧道洞内一侧，由于汽车尾气排放的co2和co渗入引起混凝土碳化主要是在隧道内部，所以，以衬砌结构建成时至衬砌结构内侧钢筋脱钝时作为衬砌结构的碳化寿命，也称为衬砌结构碳化的极限状态。具体的，经过长久的观察与实践，衬砌结构的碳化寿命受到co2的影响较大，根据室内快速碳化与现场自然碳化之间的关系，基于相似理论建立现场自然碳化深度预测模型，本实施例中的现场自然碳化深度预测模型具体为：其中，xp为现场隧道衬砌结构碳化深度(mm)，cp为现场隧道衬砌结构表面的co2平均浓度(％)，cm为室内快速碳化试验模型表面的co2平均浓度(％)，λt为时间比尺，xm室内快速碳化试验模型快速碳化深度，一般取室内碳化28d对应的碳化深度(mm)，tp为现场隧道衬砌结构的碳化时间，单位为年，tm为室内快速碳化试验模型的碳化时间，单位为天。为基于可靠度的碳化服役寿命预测提供相关的参数，碳化深度的均值和标准差可表示为：均值：标准差:其中，为碳化深度的均值，为室内碳化试验28d碳化深度的均值，为标准差，为室内碳化试验28d碳化深度的标准差。作为一种可能的实现方式，混凝土碳化残量随机模型为：x0＝4.86·(-rh2+1.5rh-0.45)·(c-5)·(lnfcuk-2.30)，其中，x0为碳化残量(mm)，rh为环境湿度，c为现场衬砌保护层厚度(mm)，且有当c>50mm时，取c＝50mm，fcuk为混凝土抗压强度。具体的，碳化残量的统计特征为：其中，μc、σc分别为混凝土保护层厚度的均值和标准差，分别为混凝土抗压强度均值和标准差。本实施例中，极限状态方程为：z(t)＝c-x0-xp，其中，z(t)为极限状态函数。由上述得衬砌结构碳化寿命极限状态方程为：则衬砌结构超过极限状态的概率(即衬砌内侧钢筋开始锈蚀的概率)为：pf(t)＝p{z(t)＜0}＝p{c-x0-xp＜0}，进而，相应的可靠度目标函数为：β(t)＝-φ-1(pf(t))，其中，β(t)为可靠度指标，φ-1表示反算运算，t表示时间。在上述的内容中，相应参数的统计特征见下表1。表1衬砌结构基本随机变量统计特征基本随机变量均值标准差变异系数分布类型保护层厚度c/(mm)1×c0.03×c0.03正态分布混凝土抗压强度标准值fcuk/(mpa)1.45×fcuk0.2755×fcuk0.19正态分布其它参数如环境湿度rh、cp、cm、λt、xm、t、tm均为恒值。在本实施例中，优化所述可靠度目标函数时，先通过《混凝土结构设计规范》(gb50010-2010)找出其中的正常使用极限状态下的目标可靠度指标区间范围，作为可靠度标准范围的约束条件，并且，同时以衬砌结构碳化寿命失效概率为约束条件，本实施例中失效概率区间具体设计为[0.2，0.3]，因此，在同时满足该失效概率区间且可靠度标准范围内的最小预测寿命对应的可靠度指标，即为最优可靠度指标。在本实施例中，衬砌结构的碳化寿命的可靠度指标和失效概率计算结果具体如图3、图4所示。为了更加快速的计算出结果，可以借助计算机来进行计算，具体的基于monte-carlo法及模糊随机可靠度理论将计算方法输入matlab中，经多次反复计算对比验证后在保证结构安全的情况下，最终得到衬砌结构极限状态下最优目标可靠度指标[β]。在计算第一碳化寿命时，具体采用monte-carlo法计算最优可靠度指标对应的第一碳化寿命。最后，鉴于数学模型的正确性与否及其参数取值是否合理导致预测结果的精确度不够，为安全起见，与采用混凝土耐久性评定标准法求得的碳化寿命比较，求出两者中较小值作为隧道衬砌结构内侧碳化寿命。具体的：当第一碳化寿命≥第二碳化寿命时，将第二碳化寿命作为最终碳化寿命；当第一碳化寿命＜第二碳化寿命时，将第一碳化寿命作为最终碳化寿命。本发明通过相似理论建立室内快速碳化试验和现场实际工程环境参数的相似关系，基于相似理论建立了现场自然碳化深度预测模型，进而建立了衬砌混凝土碳化耐久性的极限状态方程，解决了室内短期快速试验数据转化为实际工程环境数据这一重要难题，也克服了基于比较的预测方法多年跟踪观察的难题，寿命预测的随机方法应用于各行各业，有别于确定性定量方法，采用寿命预测的随机方法即采用概率可靠度方法重点突出影响结构服役寿命的保护层厚度c，混凝土抗压强度标准值fcuk两个随时间变化的随机变量，从而得到更为精确的隧道衬砌结构碳化寿命。当前第1页12