文档介绍：南京航空航天大学
博士学位论文
混凝土结构中钢筋腐蚀光纤光栅传感器设计与结构耐久性分析
姓名:李俊
申请学位级别:博士
专业:道路与铁道工程
指导教师:朱金福;吴瑾
20081101
南京航空航天大学博士学位论文

摘要
钢筋混凝土结构的耐久性是交通、土木工程领域广为关注的问题之一,耐久性不足将引起
结构性能的劣化,直接影响结构安全,导致钢筋混凝土结构达不到预定的服役年限,提前失效。
钢筋锈蚀是导致钢筋混凝土结构耐久性劣化的最重要因素之一。特别是沿海及近海地区和
除冰盐环境下的钢筋混凝土结构,由于氯离子侵蚀引起混凝土中钢筋腐蚀,导致结构混凝土保
护层膨胀、开裂,甚至剥落。另外,由于钢筋和混凝土之间粘结性能的降低及钢筋截面的减少
会导致结构的承载力下降,最后不可避免的导致结构倒塌。
为了对这一问题作一个定量的分析,本文结合江苏省自然科学基金及国家自然基金项目,
在钢筋腐蚀监测的传感器设计及钢筋混凝土结构耐久性评估方面做了部分研究工作,研究内容
包括如下几个方面:
①从电化学角度分析了海洋环境中钢筋腐蚀机理,通过腐蚀物成分推导了钢筋腐蚀后体积
膨胀率。进一步讨论重量腐蚀率与钢筋腐蚀后膨胀直径的关系;基于 Fick 第二定律建立了氯离
子渗透模型,并进行氯离子渗透模型的随机分析和钢筋腐蚀的不均匀性分析;讨论并定义了判
断腐蚀开始的指标;最后,采用法拉第定律定量分析了腐蚀量、腐蚀速率与腐蚀电流的关系。
②在理论方面,将钢筋及周围混凝土简化为多层空心厚壁圆筒模型,采用弹塑性方法分析
了钢筋腐蚀过程(钢筋腐蚀引起混凝土胀裂、完全开裂、裂缝达到一定宽度),从而定量预测钢
筋腐蚀量、锈胀力及混凝土位移的关系。
③基于钢筋腐蚀体积膨胀的原理,设计了两种钢筋腐蚀光纤光栅传感器,并进行了封装方
法的讨论与试验。同时在实验基础上标定了传感器监测数据与腐蚀程度的关系,最后提出了改
进传感器的方法并进行了实验验证。
④为了充分利用钢筋腐蚀监测系统中来自不同时间与空间的多传感器信息资源,获得被测
对象的一致性腐蚀估计,提高准确率,建立多个腐蚀监测数据融合模型。提出采用模糊区间代
替平均腐蚀率来定义钢筋腐蚀程度。
⑤由于钢筋腐蚀造成结构承载力下降,采用灰色关联理论分析了影响承载力的相关因素及
影响腐蚀率的相关参数,重点建立了受弯构件的承载力模型。
⑥对钢筋混凝土结构基于可靠度的耐久性分析方法进行了研究,建立在役混凝土结构由于
钢筋腐蚀导致的抗力随时间衰减变化的模型,并结合混凝土结构荷载与抗力的随机性特点,同
时考虑钢筋腐蚀的不均匀性,提出了结构的时变可靠度分析方法。这一方法简便易行,能够与
I
混凝土结构中钢筋腐蚀光纤光栅传感器设计与结构耐久性分析
现行可靠度设计统一标准的方法相协调,可用于老化结构的可靠度分析与评估。
⑦讨论了海洋环境下混凝土耐久性评估的多项指标,并基于这些指标预测钢筋混凝土结构
的耐久性和剩余寿命。
⑧将设计、制作的光纤光栅腐蚀传感器运用在实际工程中,重点讨论了其封装、埋设及标
定工作,并通过测量结果证实了传感器的稳定性。

关键词:混凝土结构,钢筋腐蚀,光纤光栅传感器,数据融合,耐久性

II
南京航空航天大学博士学位论文
ABSTRACT
Attention is being paid globally to the durability of traffic and civil engineering.
Due to undesirable durability, the safety of reinforced concrete structures decreases, and
even concrete structures fail early.
One of the most predominant factors responsible for the structural deterioration in
concrete structures is identified as corrosion of reinforcement. Especially in the marine
and de-icing salt environment, corrosion may result in damage to the structures in the
form of expansion, cracking and eventually spilting of the cover concrete. In addition, the