混凝土性能的随机性对混凝土结构的服役寿命有重要影 响。在考虑混凝土的氯离子扩散系数和临界氯离子浓度的随
机性基础上，利用摄动技术研究建立 了混凝土中氯离子扩散分析的摄动随机有限元法 ，结合混凝土内钢筋锈蚀极限状态方程，建
立氯盐腐蚀环境下混凝土结构服役寿命分析的可靠度分析方法。通过算例分析，验证了本研究方法具有较高的计算精度和效率，
同时分析了保护层厚度 、扩散系数变异性等因素对氯离子扩散过程和混凝土服役寿命的影响。
关键词： 混凝土；氯离子 ；随机有限元 ；服役寿命 ；可靠度
中图分类号 ： TU528．01 文献标志码 ： A 文章编号： 1002—3550(2013)03—0014—04
Stochastic finite element reliability analysis for service life of concrete structure in chloride environm ent
GE Ruo-dong",b,HONG Bin
(a．School ofCivil Engineering and Architecture；
b．KeyLaboratoryofDisasterPrevention and Structural SafetyofChinaMinistryofEducation，Nanning 530004，China)
Abstrect： The uncertainty ofconcrete plays a significant role in service life prediction ofconcrete structures under chloride environment．It
developed the perturbation stochastic fmite element method to dea1 with the ran domness ofthe chloride diffusion coem cient and the critical
concentration by m eans of the perturb~ion technique．The service life concrete was analyzed by the perturb~ion stochastic finite element
reliability method based on the equation of limit state accounting for the threshold of chloride concentration．A numerica1 example was
consideredtodemonstratetheaccuracyand efficiencyoftheproposedmethod，theparametric studywas conductedtoinvestigatethe effectof
the covering thickness an d the coem cient ofvari~ion ofthe diffusion coeffi cient on the service 1ife ofthe concrete structures．
Key words： concrete；chloride ion；stochastic finite element method(SFEM)；service life；reliability
0 引 言
处于氯盐环境下 的混凝土结构经常早于设计使用年
限而耐久性破坏 ，其重要 的原 因就是钢筋混凝土结构 中钢
筋的锈蚀 ，而氯离子在混凝土的侵入往往是造成混凝土结
构 中钢筋锈蚀的主要原因【”，所 以氯盐环境下混凝 土结构
的服役 寿命 与氯离子在混凝土 中的扩散以及 引发钢筋锈
蚀 的临界氯离子浓度有关。氯离子在混凝土中的扩散通常
可 以用 Fick第二定律描述 ，并利用试验得到的混凝土氯离
子扩散系数翻，可 以通过解析方法求解得到混凝 土中氯离
子 的分布[3]，但解析解仅适用于规则边界条件和均匀域 内
条件 ，因此在数值 分析领域 ，Funahashi采用有 限差分法嗍、
Sergi等 人采用最小平方法[5]、Han采用有 限元法 同研究 了
氯离子在混凝 土中的扩散规律 ，并进行 了数值模拟 ；杨绿
峰等人建立 了基 于补偿长度理论 的混凝土 中氯离子扩散
的边界元法阴和有 限元方法嘲，并据此对混凝土的服役寿命
进行 了评估 。
结构在规定时 间内，在规定 的条件下 ，完成预定功能
的概率 ，称为结构的可靠度 。由于所处环境的变异性和混
凝土材料 的不均匀性 ，氯离子在混凝土中的扩散过程实际
上是一种随机过程 ，因此 ，建立混凝土 中氯离子扩散过程
的随机分析方法 ，利用可靠度理论评估混凝土结构服役寿
命 已经成 为该领域 的发展 方 向。吴瑾 和施养 杭[11】利 用
Fick第二定律的一维解 析解和 Monte．Carlo方法 ，考虑 了
氯离子扩散系数 、表面氯离子浓度 等因素的随机特性对混
凝 土结构进行 了寿命的预测。但 Monte．Carlo方法是一种
抽样分析方法 ，需要大量的样本试验 和统计分析 ，计算效
率较低。
由于通常仅需一价至二 阶统计量 即可得到精度较高
的解 ，摄动 随机有 限元法(sFEM)开始广泛应用于随机数
值分 析中。Hisada等人㈣和 Marcint 3]先后对摄 动随机有 限
元法进行 了系统研究 ，发展了摄动随机有限元格式。本文将
混凝 土材料的氯离子扩散系数离散为一组随机变量 ，利用
泰勒级数展开式建立摄动随机有 限元方程 ，结合混凝土结
构的临界氯离子浓度 ，建立混凝土结构服役寿命分析的极
限状态方程和可靠度分析方法。
收 稿 日期 ：2012-09-05

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