混凝土结构中氯离子扩散分析的精细积分法.pdf
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1、第 3 2 卷第 2期 V0 1 3 2 No 2 水 利 水 电 科 技 进 展 Ad v a n c e s i n S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y o f Wa t e r Re s o u r c e s 2 0 1 2年 4月 Ap r 2 01 2 D O h1 0 3 8 8 0 j i s s n 1 0 0 6 7 6 4 7 2 0 1 2 0 2 0 0 8 混凝土结构中氯离子扩散分析的精细积分法 杨绿峰, 洪 斌, 高 钦 , 曾建聪 ( 广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室 , 广西 南宁5 3 0 0 0 4 )
2、摘要 : 针对混凝土结构中氯 离子扩散分析有限元模型存在的问题 , 为 了去除氯离子扩散场半无限大 假设及其对计算精度的影响, 利用误差函数确定 了氯 离子扩散场的补偿长度及补偿 系数 , 进而利用 精 细积分技术研究建立了混凝土中氯 离子扩散分析的精细积分有限元法 , 定义 了氯 离子扩散矩阵 和氯 离子分布矩阵 , 研究 了集中分布矩阵和一致分布矩阵对计算结果的影响。算例分析结果表明, 该方法计算结果与解析解之 间吻合很好 , 能够有效提 高有限元法分析混凝土 中氯 离子浓度分布和 扩散过程的计算精度、 计算效率及算法稳定性。 关键词 : 混凝土; 氯 离子; 扩散 ; 精细积分; 有限元
3、 中图分类号: T U 5 2 8 文献标识码: A 文章编号: 1 0 0 6 7 6 4 7 ( 2 0 l 2 ) 0 2 0 0 3 2 0 5 P r e c i s e i n t e g r a t i o n me t h o d f o r a n a l y s i s o f c h l o r i d e d i f fi s i o n i n c o n c r e te s t r u c t u r e Y A N G I 工 i f e n g , H O N G B i n , G A O Q i n , Z E N G J i an- c o n g (
4、K e y L a b o r a t o r y o f D is a s t e r P r e v e n t i o n a n d S t r u c t u r a l S a f e t y o f C h i n a 打 y of E d u c a t io n ,S c h o o l of C i v i l En g i n e e r i n g a n dAr c h it e c t u r e ,G u a ngx i U n i v e r s ,Na n r d ng 5 3 0 0 0 4 , Ch i n a) Ab s t r a c t :T h e
5、 c o n v e n ti o n al fi n i t e e l e me n t mo d e l d o e s n o t c o n s i d e r t h e e f f e c t o f s e mi i n fi n i t e a s s u mp ti o n of d iff u s i o n fi e l d f o r c h l o ri d e i o n i n c o n c m b a s e d o n t l 1 e F i c k S s e c o n d l a wT h i s p a p e r p r e s e n t s
6、t h e fi nit e e l e me n t e q u a t i o n s of c h l o ri d e d i ff u s i o n b y me a n s of the V a ri a ti o n a l P ri n c i p l e T h e c o n c e p t an d e x p r e s s i o n of c o mpe nsa t i o n l e n g t h i S d e fi n e d a l o n e w i th c o mp e n s a t i o n c o e ffic i e n t f o r
7、the fi nit e e l e me n t mo d e l b a s e d o n t h e e r r o r f u n c ti o n S O t l 1 a t the e l T o r c a u s e d b y t he semi i nfi n i t e ass u mp ti o n i s e l i mi n a t e d 皿l e p r e c i s e i n t e g r a t i o n t e c hn o l o g y i s i n c o r p o r a t e d i n t o t h e fi nit e e
8、l e me n t mod e l f o r c hlo r i d e d i ff usi o n i n c o n c r e t e S O as t o i mp r o v e t h e c o mp u t a t i o n al a c c u r a c y e ffic i e n c y a n d c o n v e r g e n c e o f the F EM n d i l ls i o n ma t ri x an d d i s t r i b u t i o n ma tr i x a r e d e fi n e d f o r t h e F
9、 E M mode 1 r h e l um ped a n d c o ns i s t e n t v e r s i o n s of d i s t ri b u t i o n ma t r i x a l e i n v e s t i g a t e d r e s pe c t i v e l yE x a mp l e s i n the p a p e r s h o w t h a t the p rop o sed me tho d y i e l & r e s u l t s a g r e e i n g w e l l w i th the c l o sed
10、f o r m s o l u t i o n Ke y wo r d s:c o n c r e t e ;c hlo rid e i o n;d i ffu s i o n;p r e c i s e i n t e gra ti o n;fi nit e e l e me n t 钢筋混凝土结构较长时间暴露于海洋等富含氯 离子环境后 , 氯离子会侵入混凝土 中并逐渐到达钢 筋表面 , 造成钢筋锈蚀 , 从而影响钢筋混凝土结构 的 使用性能和耐久性。由于钢筋锈蚀的过程并不持续 消耗氯离子 , 所以分析评估氯离子环境下钢筋混凝 土结构耐久性和使用寿命的关键是确定氯离子在混 凝土 中的分布和扩
11、散规律 。吴庆令等 1 通过现场海 洋暴露试验, 研究了混凝土中氯离子的扩散特性。 C o l l e p a r d i 等L 2 j 用 F i c k第二扩散定律 描述氯离子在 混凝土中的扩散过程, 得到在一定初始条件和边界 条件下的数学解 ; L i a n g 等l 考虑了水泥水化物对氯 离子扩散的影响 , 并对氯离子扩散系数进行了修正 ; 宋子健等_ 4 研究了溶液成分对混凝土中氯离子扩散 系数的影响 ; 彭国军等l J 考虑骨料形状 , 对 昆 凝土氯 离子扩散系数进行 了数值预测。余红发等l 6 1 提出了 考虑多因素扩散模型的一维解析解 。杨绿峰等l_ 7 j 研 究 了混凝
12、土时变条件下氯离子扩散 的封闭解 。 由于实际的钢筋混凝土结构通常具有复杂的几 何形状和边界条件 , 解析方法在应用中有较多困难 , 人们通常采用数值方法解决此类 问题。在 F i c k第 二定律及其数学模型的基础上 , 施养杭等_ 8 J 提 出了 氯离 子 侵 入 混 凝 土 计 算 的 有 限 差 分 法 模 型; F u n a J 1 a s 9 1 也在氯离子扩散分析的有限差分法方面 进行 了 研 究 ; S e r g i 等_ 1 o _ 应 用 最 小 平 方 法 ( 1 e a s t s q u a r e s m e t h o d s ) 对氯离子在混凝土 中的扩散
13、规律进 行了一维数值模拟; H a n l 1 1 j 采用有限元法分析氯离 基金项 目: 国家 自然科学基金( 5 1 1 6 8 o 0 3 ) ; 广西壮族 自治区主席基金 ( 2 0 1 0 G X N S F D 1 6 9 0 0 8 ) 作者简介 :杨绿峰( 1 9 6 6 一 ) , 男 , 河南 平顶 山人 , 教授 , 博士 , 主要从事混凝土结构耐久性 、 结构极 限承载力 和可靠度等研 究。E m a i l : l f y a n g g x u e d u c n 。 3 2 。 水利水 电科技进展 , 2 0 1 2 , 3 2 ( 2 ) T d: 0 2 5
14、8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a : h h u e d u m : k k b h h u e d u C n 子扩散问题, 并推导出具体计算格式; 杨绿峰等l 12 j 研究建立了氯离子扩散分析 的边界元法。但是上述 氯离子扩散分析的有限元法普遍存在两个问题 , 其 一 是忽视了基 于半无 限大扩散场的 F i c k第二定理 及其边界条件对数值分析模型的影响, 并造成计算 误差 ; 其二是在用有 限元求解氯离子扩散微分方程 时 , 通常采用 显式 的中央差分法或隐式 的 N e w I I l a r k 法 、 Wi l s o n 0法等, 但计算结果 的稳定性 和计算
15、精度 时常不尽如人意。时域精细积分方 法l 1 3 可 以将 时 域积分转换为矩阵相乘 , 能够取得非常高的计算精 度 ; 文献 1 4 利用三次样条插值 函数模拟积分项 中 的被积函数 , 建立了求解非齐次动力方程特解的一 种精细数值积分法。 由于氯离子侵入混凝土并发生扩散的过程非常 缓慢 , 直接利用精 细数值积分格式有时会带来明显 的误差。本文利用误差函数建立了混凝土中氯离子 扩散场的补偿长度和补偿系数 , 保证 了有限元法在 该类 问题 中的计算精度和计算效率 ; 同时, 在一致分 布矩阵的基础上建立 了集中分布矩阵 , 验证了集 中 分布矩阵具有更好的计算精度 。在此基础上利用精 细
16、积分技术研究建立了混凝土中氯离子扩散分析的 精细积分有限元法 , 克服 了普通有 限元法分析氯离 子扩散时存在的问题。 1 氯离子一维扩散的有限元方程 氯离子在混凝土 中的扩散过程 可以用 F i c k第 二定律来描述 : =D 雾 2 ( 1 ) a 一 a 、 其边界条件和初始条件分别为 r C ( =O ): C c ( = + ) =c 0 ( 2 ) 【 c( f:0 ): c 。 式中: D为混凝土中氯离子扩散系数 ; t 为混凝土持 续暴露于氯离子环境 中的时间; C=C( , t ) 表示 t 时刻混凝土试件 内深度为 处氯离子浓度 ; C 。 为初 始氯离子浓度 ; C 为
17、混凝土构件表面氯离子浓度。 根据变分原理可知 , 上述控制方程是泛函 1 1 = n c 瓦O C + 吉 D ( ) ( 3 ) 的变分极值条件。 将扩散场沿 方 向离散为 个单元 , 可以建立 典型单元( 图 1 ) 上 t 时刻的浓度分布函数 : 结 点1 结点2 CI C2 图 l 扩散单元 水利水 电科技进展 , 2 0 1 2 , 3 2 ( 2 ) T e l : 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 C ( , t )=NC ( 4 ) 式中 : 为形 函数矩 阵; C为单元节点 浓度参 数列 阵, 且有 : C =( C 1 , C 2 ) T N = ( l , 2
18、) 式 中: c 1 , C 2 分别为结点 1 和 2 上的氯离子浓度 ; Ni 为插值函数 , 其中 N1 =1 一贾 , N2 =元( =x l 。 为无 量纲化单元局部坐标 , f 为单元长度 ) 。 将式( 4 ) 代人式( 3 ) , 可得单元泛函: = j ( C T N T N C + D C T N T N c ) d zI。 ( 5 ) n 、 式中: n 表示单元域 ; 为 c对时间 t 的一阶导数 ; 为对坐标 的一阶导数。 根据变分原理 姗 =0可得混凝土 中氯离子扩 散: 分析 的有限元方程 : 肘 +K C : 0 ( 6 ) 其中 M :I 。 N T N d
19、x ( 7 ) : 鲁 , N d ( 8 ) e J O 式中: M 为氯离子分布矩阵; K为氯离子扩散矩阵。 当单元沿着与扩散方 向相正交的另一个方向的 尺寸取为单位值时 , 可求得式( 7 ) 为 M : ( 9 ) 2 一致分布矩阵和集 中分布矩阵 计算式( 7 ) 中分布矩阵 所用到的形 函数与计 算扩散矩阵 所用到 的形 函数一样 时, 称 为一 致分布矩阵。由于求解方程 ( 6 ) 时采用一致分布矩 阵 有时会导致计算结果不稳定 , 这里尝试通过近 似数值积分方法重新计算氯离子分布矩阵 。 考虑数值积分近似计算的梯形公式: F ( N i , ) = I ,F ( N i , E
20、 ) d x l F k ( N , ) ( 1 O ) 式中: z 为积分域 的长度 ; k为积分点 , 取积分域 的 两个端点 ; ( , ) 为被积 函数 F( , ) 在积分 点 k上的值 , 结合式 ( 7 ) 可以定义被积 函数 : F ( N i , N j ) ( 11 【 凡 ( , ) = ( ) ( ) 根据形函数 的性质可以求得分布矩阵: M= j 。 T d = 【 c 2 , 式( 1 2 ) 中只有对角元素不为零, 且等于式( 9 ) 中 相应行 的全部元素的叠加。称式( 1 2 ) 的分布矩阵为 集中分布矩阵。 E - m a : j z h h u e d u
21、 C n h t tp: k k b , h h u e d u m 。 3 3 按照普通有限元法标准步骤 , 可 以将单元分布 矩阵和单元扩散矩阵集成为总体分布矩阵和总体扩 散矩阵 , 相应地可将单元扩散方程集成 为总体扩散 方程。以下第 3节 、 第 4节的计算格式都是针对混 凝土中氯离子扩散分析的总体有限元方程。 3 精 细积分法 由于集 中分 布矩阵 M 存 在逆 矩阵 , 所 以由式 ( 6 ) 集成的总体有限元方程可以改写为 :一M I K C : A C ( 1 3 ) 式中 A 为定常矩阵, 且 A=一 。 按照微分方程求解理论 , 齐次方程( 6 ) 的通解为 C = C o
22、 e A ( 1 4 ) 式中 e 为矩阵A 的指数函数。当将时间域 t o , t 。 离散为 P个等步长的子域 , 则时 间步长 和时间 域内的第 i 个离散结点分别为 At=( t 一t o ) p t =( i 一1 ) A t ( = 1 , 2 , , P+1 ) ( 1 5 ) 与之相对应 , 在 时刻 , 结点 氯离子浓度 向量表示 为 C , 且有 : C = C 一 1 e A = 一 1 ( 1 6 ) 式中指数矩阵 :e A 。 根据矩阵加法定理有 : :( e A ) ( 1 7 ) 其中 m为正整数 , 可选择 m=2 , N为正整数 , 因此 m通常是非常大的正整
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