北方海洋混凝土工程寿命设计及配比研究—基于新理论和大数据集的分析

工程17（2022）123研究土木工程材料―文章基于氯离子扩散修正理论模型和大数据集的北方海洋环境混凝土工程寿命设计冯涛涛a，b，于鸿发a，刘晓波，谭永山a，c，刘晓波，马海燕a，徐梅a，岳成军aa南京航空航天大学土木与机场工程系，南京211106b东南大学材料科学与工程学院，南京211189c扬州大学土木科学与工程学院，江苏扬州225127阿提奇莱因福奥文章历史记录：2020年12月1日收到2021年2月17日修订2021年3月25日接受2021年10月8日网上发售保留字：大型数据集修正理论模型可靠性理论使用寿命边界条件扩散系数A B S T R A C T本文通过试验研究和对海洋工程耐久性参数大数据集的调查，确定了北方海洋工程耐久性设计所采用基于改进的氯离子扩散理论模型和可靠度理论，计算了飞溅区、潮汐区和水下区混凝土结构的使用寿命。设计了满足100年和120年使用寿命要求的混凝土配合比，提出了保护层厚度要求。此外，还比较了边界条件（Cs）和扩散系数（Df）的不同时变关系对使用寿命的影响;结果表明，本研究中使用的时变关系（即，Cs先增大后保持稳定，Df先减小后保持稳定）有利于海洋环境下混凝土结构的耐久性设计。©2021 THE COUNTORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇CCBY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍渤海湾是中国最大的内海海湾阻隔了从东北各省到我国东部和南部沿海的所有为缓解这一交通状况，2012年，中国科学院启动了渤海海峡跨海通道建设研究项目。渤海海峡跨海通道连接烟台和大连，工程方案采用海底铁路隧道，全长110沿线的天气和海洋条件差异很大，因此需要高度耐用的结构。为给渤海海峡跨海通道混凝土配合比设计提供理论依据，开展相关海域混凝土结构耐久性研究尤为重要。大连位于中国北部，是渤海湾跨海通道的终点。根据《混凝土结构耐久性设计标准》（GB/T 50476-2019）[2]的设计要求位于III类海洋氯化物腐蚀环境中。此外，功能等级从严重（D级）到非常严重（E级），要求极高用于这些结构的混凝土的耐久性。因此，必须制定科学合理的耐久性设计方案，以确保大连地区混凝土结构的安全。混凝土结构耐久性分析的理论基础是以Fick第二定律为基础的氯离子扩散理论目前混凝土结构使用寿命设计模型主要是基于Fick第二扩散定律的改进模型DuraCrete设计模型是一种基于概率的混凝土结构耐久性设计方法，模型公式表示如下：20x13*Cx1/4Cs641-erfB@2qKKDð1Þhttps://doi.org/10.1016/j.eng.2021.03.0302095-8099/©2021 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/eng通讯作者。电子邮件地址：yuhongfa@nuaa.edu.cn（H. Yu），ystan@nuaa.edu.cn（Y.eCM00-T. Feng，H.Yu，Y.Tan等人工程17（2022）123124·¼·其中Cx（以粘结剂的质量百分比计）是某一深度x（m）处的氯化物浓度，Cs是表面氯化物浓度（以粘结剂的质量百分比计），KM是材料影响系数，Ke是环境影响系数，Kc是氯化物扩散影响系数，t0是参考年龄（28 d），D0是暴露时间t0（m2s-1）时的氯化物扩散系数，m是氯化物扩散系数的时间依赖性指数，t是结构元件的暴露年龄，erf是数学误差函数。DuraCrete设计模型已成功应用于海洋工程结构的耐久性分析，例如丹麦-瑞典的中国[11]。然而，DuraCrete设计模型具有以下特点比较了船舶的边界条件和扩散系数对使用寿命的影响。研究结果可为北方地区海工混凝土结构2. 理论模型和实验方法2.1. 氯离子扩散本研究所采用的混凝土结构使用寿命设计理论是基于一个修正的氯离子扩散理论模型。理论推导过程如下：混凝土中氯离子扩散方程的基本形式[21]可以表示为：特点：①模型假设氯离子扩散@Ctotal@@Cfree¼Dfð3Þ系数（Dt）随时间减小，但实际上达到一定年龄后Dt趋于稳定[8];②模型假设边界条件保持不变，即Cs不随时间变化，但实际上Cs随时间逐渐增大，并在一定时间后趋于稳定[12-Life-365使用寿命预测模型[8]考虑了Dt和Cs随时间的变化，这两个值在变化一段时间后接近恒定值模型之一@t@x@x式中，Cfree是深度x处的游离氯离子浓度（以混凝土的质量百分比计），Ctotal是总氯离子浓度（以混凝土的质量百分比计），Df是游离氯离子的扩散系数（m2·s-1）。混凝土中游离碳、总碳和结合氯离子浓度（Cb）之间的关系如下：Ctotal¼CbC free其中Cb是结合氯离子浓度（以混凝土的质量百分比计）。代入Eq的导数（4）在Eq.（3）产量公式表示如下：@C免费Df@2C免费- 是的x2mm.X阿克斯.x2条exp-4D t@t1/41Ω @ C b=@ C free ·@x2小时50分钟Cx¼k0t12Dterf2pDt-ppDtð2Þtt tt其中k0是常数。Life-365使用寿命预测模型已应用于氯离子对混凝土具有吸附和结合作用，在运输过程中Tuutti[22]，Arya and Newman[23]、Mohammed和Hamada[24]、Yu[19]发现混凝土的氯离子吸附关系主要是线性的：许多海工混凝土结构的耐久性分析[17、18]。 然而，该模型使用实验室数据来评估Cb¼RbC免费ð6Þ混凝土结构在实际环境中的耐久性，而不考虑室内外环境差异引起的混凝土劣化。也不考虑氯离子结合行为因此，Eq。 （5）可以写成如下：@CfreeDf@2Cfree@t1/4Rb·@x2ð7ÞYu等人[19，20]提出了一个基于Fick第二定律的氯离子在混凝土中扩散的理论模型该模型还解决了Fick扩散理论与混凝土结构实际使用寿命不一致的长期问题混凝土结构的耐久性参数直接关系到结构的使用寿命分析结果然而，迄今为止，对东北亚地区混凝土结构耐久性参数的研究还很不系统，表面氯离子浓度和氯离子浓度混凝土作为一种非均质材料，由于温度应力、化学腐蚀、冻融循环等外部因素和自收缩、碱骨料反应等内部因素，混凝土会出现微裂纹等这些微裂纹加速了氯离子在混凝土中的扩散因此，在理论建模时必须考虑混凝土的劣化。引入综合劣化系数K来描述多个复杂因素。K为混凝土在实际环境中的游离氯离子扩散系数与实验室标准条件下混凝土的游离氯离子扩散系数之比，反映实际使用环境对氯离子扩散的影响扩散系数对使用寿命的影响尚不清楚。本文研究了海洋KDfDt实验室ð8Þ中国北方的工程得到了证实。基于应用改进的氯离子扩散理论和可靠度理论，预测了大连海域不同服役环境下混凝土中钢筋的腐蚀时间，失效概率分别为5%和10%。确定了满足100年和120年使用寿命要求的配合比，提出了保护层厚度要求摆姿势此外，还研究了不同时变关系对系统性能的影响。式中Dtlab为标准实验室条件下混凝土中游离氯离子的扩散系数（m2 s-1）。Thomas和Bamforth[25]发现，氯化物扩散系数随暴露时间呈指数下降，可表示为：. t0m不Dt¼D0ð9ÞT. Feng，H.Yu，Y.Tan等人工程17（2022）123125··2CQC¼¼-××2≤当暴露条件为室内环境时，D t等于D tlab。通过将等式（8）和（9）在Eq.（7），可以得到氯离子扩散的修正理论模型[19，20]：@C免费KD0tm@2C免费@t ¼10t-m孟加拉国b@x2ð10Þ在实际的氯化物暴露环境中，修改的理论模型的边界Cs）并不保持恒定，也不连续增加;相反，它随着时间的推移从低浓度到高浓度变化，并逐渐达到饱和[12Xu等[26]对从中国、韩国、日本、英国、美国、加拿大和沙特阿拉伯的实验室、现场展览站和实际工程结构中获得的144组Cs分析结果表明，C_s和曝光时间符合方程（1）。（十一）：Fig. 1. Df和Cs的时间变化。则混凝土结构的失效概率可为公司简介kt1-mð11Þ获得：P故障¼U-b故障14式中C0为混凝土中初始氯离子浓度（占混凝土的质量百分比），Cs为表面氯离子浓度，其单位为本研究进行寿命分析时混凝土的质量百分比。k是CS的时间相关常数.根据Life-365使用寿命预测模型[8]，Cs值在7.5、15或25年后不会增加（用t1表示），但保持稳定。此外，在Life-365使用寿命预测模型中，Df在整个使用期内不会连续下降，而是在达到一定暴露时间（t2）后保持稳定;通常，t2= 25或30年。 图 1给出了Df和Cs随时间的变化规律。根据Cs和Df的时变关系，初边值条件的变化规律可分为三个阶段：(1)0tt1：（初始条件：t<$0;x> 0;无C<$0;其中U是标准正态分布函数，P失效是失效概率，b是可靠性指标。2.2. 原料P.O42.5波特兰水泥购自大连水泥厂。Ⅰ级粉煤灰取自大连华能电厂，S95级磨细矿渣取自大连金桥公司。河砂，细度模数2.6作为细骨料，粗骨料是大连当地的碎石，连续级配为5-公司此外，青岛科力建材有限公司生产的松香公司和大连市自来水。混凝土配合比见表1。1-M边界条件：x¼ 0; 0 0;CfreeCfree-freezt1Ω;1m边界条件：x<$0;t1≤tt2;Cs<$C0kt12;Df<$D t<(3)t≥t2：将外加剂和外加剂在混合器中均匀干混1分钟，然后与水混合3分钟。在混合后将新拌混凝土放入模具中，振动30秒，最后使其形成混凝土试样。的尺寸（初始条件：t<$t2;x>0;C免费1/4Cfre2° C ;1-M所有的测试样品在脱模之前在室温下固化前24小时边界条件：x<$0;t≥t2;Cs<$C0kt12 ;Df¼Dftð12Þ在三个阶段的初始和边界条件下，修改后的理论模型的计算方法详见在耐久性分析中，采用了工程分析中常用的可靠性理论阻力系数是钢的临界氯离子浓度（Ccr），载荷效应是钢表面无C因此，可以获得以下函数：Z¼Ccr-无碳13英寸其中Z是可靠性函数。如果满足CcrCfree，即，如果钢表面上的游离氯离子浓度达到临界氯离子浓度，ing.脱模后，将试样在温度为（21 ± 1）°C、相对湿度超过95%的标准室内进行固化。养护龄期为28 d，养护后进行力学性能和耐久性试验。2.4. 暴露试验和分析方法在标准固化之后进行暴露测试。海洋环境复杂，海水中含有多组分离子，如表2所示。与单离子迁移相比，多离子间的电化学耦合效应对氯离子在混凝土中的迁移有一定的影响[28因此，实际海洋环境用于暴露测试。曝光地点为中交一航局预制厂，公司位于大连市甘井子区，毗邻大连湾。大连位于东北部，平均气温10.5°C，（0T. Feng，H.Yu，Y.Tan等人工程17（2022）123126-表1混凝土配合比··W/B：表2大连湾海水化学组成。pHCl-（mg·L-1）SO42-（mg·L-1）Na+（mg·L-1）K+（mg·L-1）CO32-（mg·L-1）HCO3-（mg·L-1）Ca2+（mg·L-1）Mg2+（mg·L-1）7.819 179.42 481.110 633.7384.817.799.64131 612最低气温19.13 °C。暴露环境分为三个区域：飞溅区、潮汐区和水下区。将具有每种混合物比例的试样放置在三个区域中进行暴露试验，如图所示在图2中。在实验室进行了平行暴露试验。以大连湾海水为浸泡液，室内温度是保持在(21± 1）°C。试件养护28 d后，其力学性能随养护时间的延长而降低。试验结果表明，根据相关标准[31]进行了抗压强度试验。在暴露到一定年龄后，对样本进行钻孔和取样。使用的钻头是直径为6mm的合金钻头，并且暴露的钻头具有10mm的直径。在两个相对侧上的固定位置对角地钻立方体试样。每个试样的取样深度为0 图 3表示试样的取样位置，其中数字1表示第一次暴露年龄的取样位置，数字2表示第二次暴露年龄的取样位置。根据相关标准[32]测定混凝土中总氯离子浓度和游离氯离子浓度。在样品取样后，用研钵将其砂浆的配合比与原始混凝土混合物的配合比相同，没有任何图二、现场暴露试验。（a）照射站的位置;（b）飞溅区;（c）潮汐区;（d）水下区。样品W/B水泥粉煤灰渣砂粗水减水剂引气A-10.34（kg·m-3）265质量（kg m-663）用量（%）15质量（kg m110-3）剂量（%）25（kg·m-3）688骨料（kg·m-3）1106（kg·m-3）150（kg·m-3）3.97药剂（kg·m-3）0.022A-20.3424366151323068811061503.970.022A-30.3422166151543568811061503.970.0265B-10.3228270151172566011101504.220.075B-20.3225870151413066011101504.220.075B-30.3223570151643566011101504.220.075C-10.3030075151252563011111505.000.090C-20.3027575151503063011111505.000.090C-30.3025075151753563011111505.000.090T. Feng，H.Yu，Y.Tan等人工程17（2022）123127L1xsinL2ysinL3Z第2章不3. 结果和讨论3.1. 海工混凝土3.1.1. 氯离子扩散系数（D0）和时间相关指数（m）表3给出了不同配合比的试件的抗压强度，图4给出了室内海水浸泡试件的氯离子浓度变化。Cfree随扩散深度的增加而呈二次曲线下降。计算Cs值所采用的方法如下。使用在2.5、7.5、12.5和17.5 mm的平均深度处的无C值的回归分析，获得了与无C和扩散深度相关的二次函数通过设置扩散在回归公式中将深度降到0，得到Cs值。Yu等人[19，33，34]基于三维条件建立了具有恒定均匀边界条件的有限体中的氯化物扩散模型，如下所示：Cfree¼C sXX XQ64ijqp3C0-Cs1;3; 5j; 1; 3; 5; 1; 3; 515Þ图三. 样本的取样位置. ip.JP. qp“的 。i2p2L21j2p22q2 p2！ 联系我们L23粗骨料堵孔14 d后，将试件置于暴露部位继续暴露试验。由于测试样本数量较多，不同样本在每个暴露年龄的具体采样时间略有不同。式中，L1、L2和L3分别为混凝土试样在x、y和z方向上的长度使用等式（15），可以得到混凝土在暴露时间t表4中列出了不同暴露时间下各混合比例的Dt实验室值。表3不同配合比的立方体抗压强度（单位：MPa）。样品A-1A-2A-3B-1B-2B-3C-1C-2C-3抗压强度55.256.655.658.255.063.657.467.458.2见图4。 室内自然扩散条件下游离碳的扩散表4试验室测试不同的混合料比例。样品A-1A-2A-3B-1B-2B-3C-1C-2C-3t（d）220200188200200185218218220Dtlab（×10- 12m2·s-1）0.6570.6690.6600.6330.6300.6550.5860.5490.519·sin·exp-DtþT. Feng，H.Yu，Y.Tan等人工程17（2022）123128在混凝土结构的耐久性设计和寿命分析中，计算结果的可靠性是以各参数的合理性为依据的。Yu等人[34]调查了20个国家2207个海洋暴露站和实际项目中氯离子浓度的数据。系统地研究了Dt随时间的变化规律，提出了普遍适用的m值为0.6304。 五、混凝土样本数量足够大，暴露时间跨度较宽（7 d至91年）;因此，使用寿命设计选择该m结合表4所示的不同暴露时间的Dt实验室值和长期时间依赖性指数m值（0.6304），可以根据扩散系数演变公式（Eq.（9））。具体结果见表5。结果表明，在相同水胶比下，混凝土的氯离子扩散系数随矿渣掺量的增加而3.1.2. 氯离子结合力（Rb）通过化学分析，得到了不同配合比的游离碳和总碳值使用公式根据公式（4）和（6），获得游离碳和总碳之间的关系，如公式（4）和（6）所示。（16），然后可以获得Rb图6显示了从化学分析中获得的每种混合比例的游离碳和总碳结果此外，使用回归分析，确定Rb为0.36。Ctotal1RbCfree163.1.3. 临界氯离子浓度（Ccr）Ccr是指能够破坏钢表面钝化膜的临界氯离子浓度，对海洋工程耐久性分析具有重要意义[38]。在我国近年来建造的几座大型海工结构物的耐久性设计分析中，对Ccr值进行了系统的讨论和分析。Jin等[39]对胶州湾海底隧道的使用寿命进行了分析预测，Ccr值设定为0.85%（占胶凝材料的质量分数）。在港珠澳大桥的设计过程中，C cr值如下：大气区0.85%，飞溅区和潮汐区0.75%，水下区2.00%（占胶凝材料的质量分数）【11，40】。图五. Dt的时间变化[34]（n是样本数）。表5D0为不同的混合比例。样品A-1 A-2 A-3 B-1 B-2 B-3C-1C-2C-3D0（×10-12m2·s-1）2.412.312.192.182.172.152.142.001.90见图6。氯离子结合能力。为研究大连海域混凝土结构的Ccr混凝土保护层厚度为60 mm，码头位于潮汐区。钻取了5个混凝土芯样，根据相关标准[32]进行化学分析，发现混凝土保护层处钢筋表面的游离碳平均值为0.13%（占混凝土质量分数）。从芯样中取出钢，钢筋表面无腐蚀，如图7所示。因此，Ccr值大于0.13%。结合上述研究结果和安全考虑，在飞溅区和潮差区采用相对保守的0.13%（占混凝土质量分数）作为Ccr值。由于饱和水环境中氧含量较低，钢腐蚀时阴极反应不能顺利进行。因此，在水下区域的钢筋比在水下区域的钢筋更不易生锈。[41]《易经》：“以德为先，以德为先。水下区的Ccr值比飞溅区和潮汐区的因此，使用质量分数为0.15%的混凝土。通过将Ccr值转换为A-3、B-3和C-3混合比例的胶凝材料的质量分数，飞溅区（潮汐区）中的Ccr值分别约为0.70%、0.66%和0.62%，而水下区中的Ccr这些值均略低于上述文献中的值，对海洋环境中混凝土结构的使用寿命设计将产生相对保守的估计。3.1.4. 降解系数（K）劣化系数反映了在外界环境影响下混凝土劣化对氯离子扩散的影响为了分析混凝土结构的使用寿命，T. Feng，H.Yu，Y.Tan等人工程17（2022）123129ðÞð见图7。 大连某服役40年混凝土码头钢筋腐蚀状况室内和室外混凝土进行了分析。此外，还调查了大连地区海工混凝土结构的通过结合这些结果，可以确定K值在暴露实验中，将不同暴露环境下的氯离子由于试样数量较多，对于相同的配合比，不同暴露环境下的具体暴露时间略有差异，如表6所示。图8显示了室内和现场暴露环境下所有混合比例的氯离子扩散规律。根据氯化物扩散理论模型（Eq. （15）），计算了实际使用环境中不同配合比的Df通过与实验室标准条件下相应的Dt实验室值比较，确定了大连海洋环境中K值。尽管比曝光时间存在一些差异，但考虑到当曝光时间彼此接近时扩散系数的差异较小，可以忽略比曝光时间的微小差异。因此，不同曝光环境下的K水层，相应的标准偏差分别为0.85、0.94和0.87Feng[43]计算了大连地区使用11年的高性能混凝土码头的K值，确定飞溅区为1.52，潮汐区为1.32，变异系数不超过20%。试验K值与从现场获得的长期数据相似因此，大连地区混凝土结构使用寿命设计的K值为：飞溅区1.61，潮汐区1.58，水下区1.59。3.1.5. 表面游离氯离子浓度的时变常数（k）为了确定k值，收集了大连地区使用年限为11、28、40、50和82年的码头混凝土表面氯离子浓度（Cs）的长期数据和东北亚海洋工程或暴露站的数据在某些报告中，列出了总表面氯化物浓度（Cs（总）），而不是自由表面氯化物含量（Cs（游离））。为了统一结果，使用公式将Cs （ 总 ）值转换为Cs （ 游 离 ） （17 ），这是由徐等人提出的【26】：直接使用Eq.（八）、对于少量测试室内和野外暴露下的暴露次数Cs free ¼0： 9092Cs总计电话号码：471;传真号码：0：9586传真号码：17环境有显著差异（表6中用 * 标记），在计算K时未考虑这些标本。计算结果列于表7中。通过对表7数据的统计分析，确定大连海域混凝土的平均K值为：飞溅区1.61，潮汐区1.58，水下区1.59转换后海工混凝土的Cs（自由）值的统计结果见表8【44在将Cs的时变模型（Eq.（11））和先前提出的扩散系数的普遍时间依赖指数（m= 0.6304）[34]，考虑不同的暴露环境进行回归分析，其中C0一般为0.01%表6不同混凝土样品的具体暴露时间（单位：d）。暴露年龄曝光环境A-1A-2A-3B-1B-2B-3C-1C-2C-3第一年龄室内8181109101828282137137飞溅区81-103117-81132*132130潮间带7878103113118*78131*132130水下地带-81103112112*81130*131131二纪元室内220200188200200188218218220飞溅区187*187---181211--潮间带186*187-214214180-195*195*水下地带185*187195207210182208207204‘‘-”表7混凝土在大连海洋环境中的劣化系数K暴露年龄曝光环境A-1A-2A-3B-1B-2B-3C-1C-2C-3第一年龄飞溅区1.97-1.250.85-3.67-1.761.59潮间带0.982.123.360.90-1.14-1.221.66水下地带-2.631.011.17-0.99-0.911.53二纪元飞溅区-0.99---1.071.36--潮间带-3.27-1.060.900.82---水下地带-1.111.123.981.042.292.051.191.19ÞT. Feng，H.Yu，Y.Tan等人工程17（2022）123130-[54]第54段。 拟合关系如图所示。拟合参数的具体值见表9。结果表明，随着暴露时间的增加，Cs按（1m）/2幂律边界条件拟合，飞溅区k的拟合值为0.2567，潮汐区k的拟合值为0.2885。然而，对于水下区域，表8中的数据量相对较小，不具有代表性;因此，不能直接用于耐久性分析。由于潮差区的环境更接近于水下环境，而不是飞溅区的环境，因此采用潮差区的边界条件来确定水下混凝土结构的使用寿命。见图8。不同暴露环境下混凝土中氯离子的扩散。(a)A系列;（b）B系列;（c）C系列。3.2. 耐久性参数3.2.1. 模型参数在海工混凝土结构使用寿命的可靠度分析中，计算结果的准确性与设计模型中各参数的分布类型有关，如保护层厚度x0、Cs、D0等。因此，必须系统地分析模型参数的统计分布类型。表10[10，40，55以往的研究表明，耐久性参数主要服从正态分布。表8海工混凝土Cs（free）的文献值曝光专区服务时间（年）Cs（游离）（%）数据源飞溅区110.3937[第四十四届]400.5552-500.6651-820.6240-300.6204[45个]20.2060[46个]20.2091-40.2660-40.2219-40.3589-730.3644[47个]110.3241[48个]270.3177220.3930[49个]390.6169[50个]390.6290-390.3945-390.4228-350.4511-400.6088-400.5926-190.3622-190.5684-190.5158-190.4956-210.5926-210.4228-290.6088-潮间带110.5857[第四十四届]280.6816-400.8644-820.4621-0.650.2277[五十一]0.650.28090.650.2425-0.650.2661-0.650.2691-2.220.2425-2.220.2661-2.220.2824-8.990.3148-8.990.2735-22.540.3030-44.360.4167-48.650.4137-160.4667[五十二]160.6837-160.5930-400.6286-400.8381-400.7107-410.7323-220.4262[49个]水下地带210.6516[五十三]230.9199-251.0559-731.0073[47个]731.1492-731.2244-T. Feng，H.Yu，Y.Tan等人工程17（2022）123131图9.第九条。不同曝光区域中Cs（自由）的时间变化（a）飞溅区;（b）潮汐区;（c）水下区。表9不同暴露区域中随时间变化形式的Cs（游离）的回归分析结果曝光专区参数值相关系数R样品编号临界相关系数R *飞溅区C0= 0.01%，m= 0.6304，k= 0.25670.7025280.6618潮间带C0= 0.01%，m= 0.6304，k= 0.28850.7129240.6880水下地带C0= 0.01%，m= 0.6304，k= 0.49790.71296-临界相关系数R * 的显著性水平，a= 0.02。3.2.2. 施工企业质量控制水平(1) 保护层厚度（x0）。混凝土保护层厚度和耐久性参数的控制主要与施工单位的管理水平有关。图10为中交一航局三局近年来施工的海工混凝土结构保护层厚度统计分布图。有限公司、在大连地区承接了多个海港项目。图10（a）为317#处设计保护层厚度为80 mm的混凝土结构保护层厚度泊位在丹东端口 图10（b）为①大连中远川崎船务工程有限公司舾装码头CX 7 -2#沉箱及胸墙保护层厚度图。有限公司的;②大姚北岸四期工程22#泊位沉箱结果表明，当设计覆盖厚度为80mm时，实际覆盖厚度的平均值为80.8 mm，标准差为2.0 mm，变异系数为2.5%。当设计覆盖厚度为50 mm时，实际覆盖厚度的平均值为54.1mm，标准差为3.8 mm，变异系数为7.0%。无论其设计值如何，混凝土保护层厚度基本上遵循正态分布。(2) 氯离子扩散系数（Dt）。图11为中交一航局第三工程公司配制的一批混凝土试件Dt的Dt值可以被认为是遵循正态分布和对数正态分布。为了便于分析，本研究使用正态分布来分析使用寿命。(3) 表面游离氯离子浓度（Cs（游离））。图12为中交一航局三公司一批混凝土试件的Cs（free）值质量控制水平。公司结果表明，Cs（free）值既服从正态分布，又服从对数正态分布.为便于可靠性计算，采用正态分布进行寿命分析。3.2.3. 模型参数根据文献中报告的结果（表10）和建筑公司的质量控制水平，观察到使用寿命设计模型的耐久性参数主要呈现正态分布。关于初始氯离子浓度C0的研究还比较有限，本研究假定其服从正态分布。因此，在寿命设计的理论模型中，除暴露时间为常数外，其他参数均为正态分布的随机变量变化表10文献中模型参数概率分布类型的统计模型分布类型参数正常对数正均匀BetaWeibull广义Gumbel截短恒定分布分布分布分布分布极值分布分布分布x0的[10，40，55 -63][57，64，65]-[10，66 -68]-----Cs[55- 57，59，61，62，66 -68][40，57，60，53 -65]---[10个国家]---了c0-------CCR[55- 57，59，61，66 -68][57，65][64个]【40，57，60，62，63】--[10个国家]--D0[2019 - 05 - 15]【2019 - 05 -15】[57，59，64，65]--[10个国家]----M[2019 - 05 - 15]-[62，63]---[第六十一届][57，65]K[10，66 -68]-------T. Feng，H.Yu，Y.Tan等人工程17（2022）123132图10个。不同设计覆盖厚度的质量控制水平：（a）80 mm和（b）50 mm。l：平均值;r：标准差。见图11。 Dt的质量控制水平。见图12。 C的质量控制水平（自由）。k、C0、Ccr、Rb、x0、m和D0的系数均设定为20%。对于K的变异系数，使用基于表11使用寿命分析的模型参数。海洋暴露环境之间的差异。x0的设计值为70 mm，使用寿命分析模型的耐久性参数值及分布类型见表11。The ‘‘Standard for Design of Concrete Structure Durability”根据该标准，结构的可靠度范围为90%~因此，在本研究中，服务时间定义为腐蚀概率（即，破坏概率）分别达到5%和10%。模型参数平均值分配类型3.3. 海工混凝土结构使用寿命可靠度分析3.3.1. 不同暴露环境下混凝土结构的使用寿命分析图表13和表12显示了不同暴露区混凝土结构内部钢筋的腐蚀概率和相应的可靠指标。随着服役时间的延长，失效概率增大，可靠性指标N：正态分布;括号中的两个数据分别为平均值和标准差。C0（%）0.01N（0.01，0.002）混凝土质量分数D0（×10- 12m2·s-1）2.192.15N（2.19，0.44）N（2.15，0.43）A-3B-31.90N（1.90，0.38）C-3t0（d）28t1（年）15t2（年）30Rb0.36N（0.36，0.07）K0.2567N（0.2567，0.0513）飞溅区0.2885N（0.2885，0.0577）潮汐和水下带M0.6304N（0.6304，0.1261）K1.61N（1.61，0.85）飞溅区1.58N（1.58，0.94）潮间带1.59N（1.59，0.87）水下地带Ccr（%）0.13N（0.13，0.026）飞溅和潮汐带(mass分数混凝土）0.15N（0.15，0.030）水下地带(mass分数混凝土）T. Feng，H.Yu，Y.Tan等人工程17（2022）123133逐渐减少。对于飞溅区的混凝土结构，当腐蚀概率为5%时，A-3、B-3和C-3配合比的使用寿命分别为102、105和122年，当腐蚀概率为10%时，它们分别为110、112和130年。所有配合比均满足100年寿命设计要求，C-3混凝土满足120年寿命设计要求。对于潮汐环境中的混凝土结构，当腐蚀概率为5%时，A-3、B-3和C-3配合比的使用寿命分别为101、102和121年，当腐蚀概率为10%时，它们分别为107、110和127年。虽然使用寿命低于飞溅区，但所有配合比仍满足100年寿命设计要求，C-3的使用寿命达到120年。为在水下混凝土结构中，当腐蚀概率为5%时，A-3、B-3和C-3配合比的使用寿命分别为105、106和126年;当腐蚀概率为10%时，A-3、B-3和C-3配合比的使用寿命分别为112、115和132年。基于上述结果，A-3混凝土可用于设计寿命为100年的海工混凝土结构，C-3混凝土可用于设计寿命为120年的结构在潮区使用寿命最短，在水下使用寿命最长因此，基于潮汐区服役环境对海工混凝土结构进行耐久性分析，可以得到可靠、保守的结果。因此，为了便于制造和质量控制，潮汐区被选为海工混凝土结构设计的环境基础。图13岁不同服役环境下钢材的腐蚀概率和可靠性指标：（a，b）飞溅区;（c，d）潮汐区;（e，f）水下区。T. Feng，H.Yu，Y.Tan等人工程17（2022）123表134134不同服役环境下混凝土结构中钢筋的锈蚀时间。样本服务时间（年）腐蚀概率5%腐蚀概率10%飞溅区潮间带水下地带飞溅区潮间带水下地带A-3102101105110107112B-3105102106112110115C-31221211261301271323.3.2. 海工混凝土结构使用寿命的差异--Cs的不断增加和Df的不断减少在海工混凝土结构的使用寿命分析中，考虑了Df和Cs之间的时变关系，具体地说，Cs在t1之后持续增加并保持稳定，而Df在t2之后持续减小并保持稳定（模型1）。随着Cs不断增加和Df不断减少（模型2），如图所示。 14、使用寿命的计算结果可能会发生一定程度的变化。为了阐明模型差异对使用寿命的影响，下文讨论了基于不同边界条件和氯离子扩散行为的使用寿命以潮差区为使用环境，重新计算了不同配合比的海工混凝土结构的使用寿命图15显示了腐蚀概率和相应的可靠性指标。当腐蚀概率为5%时，A-3、B-3和C-3混合比例的使用寿命分别为185、195和262年;具体使用寿命见表13。在结构的使用寿命期间，即使Cs不断增加，Df不断减小，当腐蚀概率分别为5%和10%时，预测的使用寿命比模型1（Cs不断增加 后 保 持 稳 定 ，Df不断减小后保持稳定）分别延长83.2%~显然，这两种影响不会导致实际工程寿命低于预期使用寿命。考虑到Cs在t1后不断增大并保持稳定，Df在t2后不断减小并保持稳定，计算结果是保守可靠的，这对海工混凝土结构的耐久性设计是有益见图14。边界条件和扩散系数的不同时变关系。3.3.3. 潮汐区混凝土结构保护层厚度计算混凝土保护层厚度对海工混凝土结构的使用寿命有重要根据前面的计算结果，当混凝土保护层厚度为70 mm时，A-3、B-3、C-3配合比可以保证钢筋在100年或120年内不生锈，即使在条件比较恶劣的潮汐地区也是如此。为确保符合使用寿命方面的设计要求，对潮汐区环境中A-3、B-3和C-3配合比的海工混凝土结构的使用寿命进行了检查，保护层厚度从60 mm变化到80 mm，增量为5 mm。图16和表14显示了不同保护层的钢的腐蚀概率和相应的可靠性指标。图十五岁两种计算条件下（a）腐蚀概率和（b）可靠性指标的比较模型1：Df先减小后保持稳定，Cs模型2：Cs连续增大，Df连续减小。T. Feng，H.Yu，Y.Tan等人工程17（2022）123135表13两种计算条件下钢筋锈蚀次数（年）样品Cs和Df的连续变化C_s和D_f在达到一定年龄腐蚀概率为5%腐蚀概率10%腐蚀概率为5%腐蚀概率10%A-3185210101107B-3195220102110C-3262295121127图十六岁不同保护层厚度的混凝土结构腐蚀概率和可靠性指标的比较：（a，b）A-3;（c，d）B-3;和（e，f）C-3。T. Feng，H.Yu，Y.Tan等人工程17（2022）123136≥厚度。结果表明，腐蚀时间随保护层厚度的增加而增加。对于5%的腐蚀概率，A-3、B-3和C-3混凝土结构的腐蚀时间分别为81、82和91年，当保护层厚度为65 mm时;这些值不满足100或120年的设计要求。而当覆盖层厚度为70和75 mm时，腐蚀时间分别为101、102和103次。121年，分别为120年、121年和141年随着保护层厚度的增加，钢的锈蚀时间进一步增加根据JTG/T B 07 -01-2006标准[69]中提到的要求D是根据施工要求的严格性确定的，预制构件使用0-5 mm的范围。假设混凝土结构使用预制施工方法生产，保护层厚度的D值为5mm，最小厚度为70 mm，根据之前给出的计算结果。因此，建议保护层厚度为x075mm。这符合JTS 151-2011标准的要求3.3.4. 基于Cs的潮汐区敏感性分析计算水下混凝土结构由于大连及东北亚地区水下混凝土结构的应力应变统计资料有限，本文选取了与水下结构相似的潮汐区的应力应变数据为了分析选择这