[发明专利]腐蚀环境中地下工程结构服役状态仿真与寿命预测方法

权利要求书

1.一种腐蚀环境中地下工程结构服役状态仿真与寿命预测方法，其特征在于，所述腐蚀环境中地下工程结构服役状态仿真与寿命预测方法包括：

针对待仿真的地下工程结构，基于系统动力学方法，构建工程结构服役状态预测系统动力学模型；其中，所述工程结构服役状态预测系统动力学模型包括地质环境子系统、混凝土服役子系统、钢筋服役子系统和结构可靠度子系统；

基于所述工程结构服役状态预测系统动力学模型，动态模拟腐蚀环境中地下工程结构的服役状态，得出预设指标随时间的变化趋势，以预测出腐蚀环境中地下工程结构的服役寿命，并动态预测出腐蚀环境中地下工程结构的可靠度；

所述构建工程结构服役状态预测系统动力学模型，包括：

确定工程结构服役状态预测系统动力学模型中各子系统中的因素；

确定工程结构服役状态预测系统动力学模型中各子系统因素之间的反馈关系，确定各子系统间的反馈关系，构建模型的因果回路图；

确定工程结构服役状态预测系统动力学模型中各子系统因素变量类型；

确定工程结构服役状态预测系统动力学模型中各子系统相关因素之间的方程，构建模型的存量流量图；

所述地质环境子系统中的因素包括：地层温度、化学离子浓度、地层环境风险度、反应时间以及化学反应速度；

所述混凝土服役子系统中的因素包括：混凝土损伤变化率、混凝土损伤变化量、混凝土损伤程度、初始损伤、密实度变化率、配合比、纤维掺量、密实度变化量、养护时间、混凝土密实程度、腐蚀厚度变化率、腐蚀厚度变化量、粗糙度、混凝土厚度、渗透时间以及渗透速度；

所述钢筋服役子系统中的因素包括：钢筋损伤变化率、钢筋损伤变化量、钢筋损伤程度、钢筋强度、膨胀应力、预应力、钢筋尺寸、腐蚀速度、锈蚀厚度变化率、锈蚀厚度变化量以及钢筋腐蚀程度；

所述结构可靠度子系统中的因素包括：断面尺寸、安全尺寸、配筋比、可靠度变化率、可靠度变化量以及结构可靠度；

所述因果回路图中包括：混凝土服役反馈回路、钢筋服役反馈回路以及结构服役反馈回路；其中，所述混凝土服役反馈回路和所述钢筋服役反馈回路为负反馈回路，所述结构服役反馈回路为正反馈回路；

所述混凝土服役反馈回路的内容为：离子浓度增加或地层温度增加导致混凝土腐蚀速度增加，混凝土腐蚀速度增加导致混凝土损伤度增加，混凝土损伤度增加导致混凝土密实度减小，混凝土密实度减小导致混凝土腐蚀程度增大，混凝土腐蚀程度增大导致离子浓度增加；

所述钢筋服役反馈回路的内容为：混凝土腐蚀程度增加导致钢筋腐蚀程度增加，钢筋腐蚀程度增加导致离子浓度增加，离子浓度增加导致钢筋腐蚀速度增加，钢筋腐蚀速度增加导致膨胀应力增加，膨胀应力增加导致钢筋损伤度增加，钢筋损伤度增加导致钢筋腐蚀程度增加；

所述结构服役反馈回路的内容为：混凝土腐蚀程度增加导致钢筋腐蚀程度增加，钢筋腐蚀程度增加导致断面尺寸减小，断面尺寸减小导致结构可靠度减小，结构可靠度减小导致混凝土腐蚀程度减小；

所述因素变量类型包括状态变量、速率变量、辅助变量以及常数变量；其中，所述状态变量表示累计程度，所述速率变量表示随着时间的推移使水平变量的值增加或减少，所述辅助变量描述决策过程中状态变量和速率变量之间的信息传递和转换过程的中间变量，所述常数变量是研究期间保持不变或变化程度小于预设阈值的量；

所述混凝土损伤程度、混凝土密实程度、混凝土腐蚀程度、钢筋损伤程度、钢筋腐蚀程度、钢筋强度、断面尺寸和结构可靠度属于状态变量；

所述地层环境风险度、渗透速度、化学反应速度、腐蚀速度、混凝土损伤变化率、混凝土损伤变化量、腐蚀厚度变化量、密实度变化量、钢筋损伤变化量、锈蚀厚度变化量、锈蚀厚度变化率和可靠度变化量属于速率变量；

所述密实度变化率、钢筋损伤变化率和可靠度变化率属于辅助变量；

所述化学离子浓度、地层温度、初始损伤、纤维掺量、配合比、粗糙度、配筋比、安全尺寸、混凝土厚度、钢筋尺寸、膨胀应力、预应力、养护时间、渗透时间和反应时间属于常数变量；

所述各子系统相关因素之间的方程包括：

在所述地质环境子系统中：

地层环境风险度＝(化学离子浓度+地层温度)/反应时间；

化学反应速度＝(化学离子浓度+地层温度)/反应时间+渗透速度；

地层温度、化学离子浓度和反应时间为常数；

在所述混凝土服役子系统中：

混凝土损伤变化率＝化学反应速度+地层环境风险度；

混凝土损伤变化量＝混凝土损伤程度*混凝土损伤变化率；

密实度变化量＝(密实度变化率*混凝土密实程度)+(纤维掺量+配合比)/养护时间；

混凝土密实程度＝INTEG(密实度变化量-混凝土损伤程度,30)；

混凝土损伤程度＝INTEG(混凝土损伤变化量,初始损伤)；

腐蚀厚度变化量＝腐蚀厚度变化率*(混凝土腐蚀程度+粗糙度)/密实度变化量*混凝土厚度；

渗透速度＝(-混凝土密实程度+混凝土腐蚀程度/混凝土厚度+钢筋腐蚀程度/钢筋尺寸)/渗透时间；

混凝土腐蚀程度＝INTEG(腐蚀厚度变化量,0)；

初始损伤、密实度变化率、配合比、纤维掺量、养护时间、粗糙度、混凝土厚度和渗透时间为常数；

在所述钢筋服役子系统中：

钢筋损伤变化量＝钢筋损伤变化率*(钢筋损伤程度+膨胀应力)；

钢筋损伤程度＝INTEG(钢筋损伤变化量+钢筋腐蚀程度,0)；

锈蚀厚度变化率＝腐蚀速度/钢筋尺寸；

锈蚀厚度变化量＝锈蚀厚度变化率*钢筋腐蚀程度+钢筋损伤变化量*钢筋尺寸；

腐蚀速度＝渗透速度*混凝土厚度；

钢筋腐蚀程度＝INTEG(锈蚀厚度变化量,0)；

钢筋强度＝INTEG(-钢筋损伤变化量*Time,预应力)；

钢筋损伤变化率、膨胀应力、预应力和钢筋尺寸为常数；

在所述结构可靠度子系统中：

断面尺寸＝INTEG(-腐蚀厚度变化量-锈蚀厚度变化量,1)；

可靠度变化量＝可靠度变化率*结构可靠度+(-断面尺寸/安全尺寸+配筋比)/TIMESTEP；

结构可靠度＝INTEG(-1/(可靠度变化量*可靠度变化量),1)；

安全尺寸、配筋比和可靠度变化率为常数；

其中，INTEG表示积分函数，Time表示时间变量，TIME STEP表示单个时间步变量。