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基于ANSYS的混凝土结构碳化过程数值模拟分析

作　者: 王路平
导　师: 卫军
学　校: 中南大学
专　业: 结构工程
关键词: 混凝土碳化数值分析
分类号: TU528
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

碳化能引起混凝土结构中的钢筋锈蚀,混凝土保护层开裂甚至剥落,对结构安全带来严重的隐患。碳化对结构的影响始终是混凝土结构耐久性研究的重点问题之一混凝土碳化过程包括CO2在混凝土的扩散过程,CO2与混凝土中可碳化物质的反应过程,再加上混凝土本身条件和外部环境等众多影响因素对碳化的影响,使混凝土碳化过程变的非常复杂。本文基于混凝土结构碳化机理,根据质量守恒定律,推导出了混凝土结构碳化过程的控制方程,并基于有限元原理,应用变分法对碳化过程控制方程进行了数值求解分析,得到了CO2扩散系数矩阵、形函数矩阵和碳化反应矩阵,确定了有限元数值求解的基本过程。CO2扩散系数和碳化反应速率是混凝土碳化过程的两个重要影响因素。本文基于碳化过程的偏微分方程,对影响CO2扩散系数和碳化反应速率的外部环境温度,湿度,及CO2浓度等因素进行了讨论,形成了确定CO2扩散系数和碳化反应速率的计算公式。本文在分析了混凝土结构碳化过程和热传导过程相似性的基础上,通过参数转化,APDL编程,采用ANSYS的热分析模块对碳化过程进行了计算机模拟仿真,并基于试验结果进行了模型校准。根据所建立的计算模型,对混凝土碳化过程各影响因素进行了参数敏感性分析。从分析结果可以看出,温度、湿度和CO2浓度对混凝土的碳化有明显影响,而湿度、浓度对混凝土碳化的影响最为敏感。根据本文所形成的数值分析计算体系,作者以混凝土T型截面梁为例,对处于不同地区环境中的混凝土结构碳化过程进行了分析,获得了与实际情况较为符合的碳化发展规律；对处于碳化环境中的不同的T型截面角部构造进行了数值分析,获得了圆形角部构造较为对抵抗碳化有利的结果。本文工作表明,基于混凝土结构碳化过程的控制方程,通过深入研究CO2扩散系数和碳化反应速率的变化规律,能够实现混凝土结构碳化过程的计算机数值仿真,由此为混凝土结构耐久性研究提供研究手段。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-17
  1.1 研究背景  8-10
  1.2 国内外研究现状  10-16
    1.2.1 理论方面  10-12
    1.2.2 实验方面  12-14
    1.2.3 数值分析研究  14-16
  1.3 存在问题  16
  1.4 本文所做工作  16-17
第二章混凝土结构碳化基本理论  17-30
  2.1 混凝土的碳化  17
  2.2 混凝土结构的碳化机理及影响因素  17-22
    2.2.1 混凝土结构碳化机理  17-18
    2.2.2 混凝土碳化影响因素  18-22
      2.2.2.1 材料因素  18-20
      2.2.2.2 环境因素的影响  20-21
      2.2.2.3 施工因素的影响  21-22
  2.3 混凝土碳化控制方程  22-24
  2.4 混凝土碳化过程控制方程的数值求解  24-29
    2.4.1 微分方程及边界条件  24-25
    2.4.2 求解方程组的泛函形式  25
    2.4.3 求解区域单元划分及极值求解  25-28
    2.4.4 系数矩阵及荷载矩阵的数值化  28-29
  2.5 本章小结  29-30
第三章基于ANSYS的混凝土结构碳化过程分析理论  30-36
  3.1 ANSYS软件简介  30-34
    3.1.1 ANSYS热分析模块简介  31-32
    3.1.2 ANSYS热分析过程的理论基础  32-33
    3.1.3 ANSYS瞬态热分析  33-34
  3.2 ANSYS参数化设计语言(APDL)  34
  3.3 热传导和混凝土碳化问题的相似性分析  34-35
  3.4 本章小结  35-36
第四章混凝土T形梁的碳化数值分析  36-51
  4.1 分析对象的计算机建模  36-41
    4.1.1 建立模型  36-37
    4.1.2 参数取值规律  37-41
  4.2 参数赋值及分析流程  41-42
  4.3. 直角T梁CO_2浓度分布规律  42-43
  4.4 模型及赋值参数校准  43-45
    4.4.1 实验简介  43-44
    4.4.2 碳化深度  44
    4.4.3 碳化锋面  44-45
  4.5 参数敏感性分析  45-50
    4.5.1 温度影响分析  46-47
    4.5.2 湿度影响分析  47-48
    4.5.3 CO_2浓度的影响  48
    4.5.4 承载应力大小的影响  48-50
  4.6 本章小结  50-51
第五章分析算例  51-60
  5.1 某地区T梁碳化情况分析  51-52
  5.2 典型情况下的T梁混凝土保护层完全碳化情况分析  52-55
    5.2.1 东北地区环境下的混凝土碳化数值分析  52-53
    5.2.2 西北地区环境下的混凝土碳化数值分析  53-54
    5.2.3 中南部地区环境下的混凝土碳化数值分析  54-55
  5.3 T梁腹板不同的角部构造形式对碳化过程的影响  55-59
    5.3.1 直角型T梁角部碳化分析  55-56
    5.3.2 圆角T梁角部碳化分析  56-57
    5.3.3 滴水檐型T形梁结果  57-59
    5.3.4 结果分析  59
  5.4 本章小结  59-60
第六章总结与展望  60-62
  6.1 总结  60
  6.2 展望  60-62
参考文献  62-66
致谢  66-67
攻读硕士学位期间参与科研及发表论文情况  67

基于ANSYS的混凝土结构碳化过程数值模拟分析

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