混凝土结构空间多尺度相对湿度值.pdf

第 3 4卷第 1期 2 0 1 2年 2月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g Vo 1 3 4 No 1 Fe b2 O1 2 混凝土结构空间多尺度相对湿度值 徐 宁， 黄庆华 ， 张伟 平 ， 顾祥林 ( 同济大学 建筑工程 系， 上海 2 0 0 0 9 2 ) 摘 要 ： 针 对环境 作 用具有 空 间分 布特 性 ， 借 鉴 空间 多尺度环 境作 用模 型 框 架 ( 包括 全局 环境 、 地 区 环境、 工程环境、 构件表面环境、 内部环境) 及其数学模型， 对相对湿度进行 了空间多尺度研究： 在分 析 空间各尺度上相对湿度的不同影响因素的基础上， 由全局环境尺度 开始， 通过地 区环境尺度、 工 程环境尺度 以及构件表 面环境尺度上环境 因素的逐步调整 ， 最终计算得到混凝土 内部 的相对湿度 值。研究结果表明， 采用“ 常规统计模型+空间残差” 的方法， 可有效建立地 区环境尺度上的相对湿 度值与工程环境尺度上相对湿度值 的定量关系； 混凝土结构构件的表 面相对湿度与表面温度有关； 实际工程结构应考虑构件表 面相对湿度与 内部相对湿度之间的不同。 关键词 ： 结构 ； 空间 多尺度 ； 环境作 用 ； 相对 湿度 中图分 类号 ： T U3 7 5 文 献标 志码 ： A 文章 编号 ： 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 1 - 0 0 3 5 - 0 7 S pa t i a l M u l t i - s c a l e Re l a t i v e Hu mi d i t y Va l u e s f o r Co n c r e t e S t r u c t u r e s xU Ni n g， HUANG Qi n g - h u a， zHANG We i p i n g， GU Xi a n g - l i n ( De p a r t me n t o f Bu i l d i n g En g i n e e r i n g， To n g j i Un i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， P R C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ac c o r d i n g t O t he s p a t i a l f e a t u r e s o f e nv i r o nme n t a l a c t i o ns ，o n t he ba s i s of t he s pa t i a l mul t i s c a l e mod e l f r a m e wo r k (i n c l u di n g t he g l ob a l e n v i r o nme nt ， r e g i on a l e nv i r o nme nt ， e n gi n e e r i n g e n v i r on m e nt ， s u r f a c e e n v i r o nme nt a n d i nt e r na l e n v i r on m e nt o f c o nc r e t e ) a n d t he ma t h e ma t i c mo de I f o r e nv i r o nme n t a l a c t i o nst h e s pa t i a l m u l t i s c a l e r e l a t i v e hu mi d i t y va l u e s f o r c on c r e t e s t r uc t ur e s we r e s t ud i e d Tha t i S ，ba s e d o n t h e i n f l u e n t i a l f a c t o r s o f r e l a t i v e h u mi d i t y o n t h e d i f f e r e n t s p a t i a l s c a l e s ，t h e r e l a t i v e h u mi d i t y v a l u e s i n c o n c r e t e we r e d e d u c e d b y a d j u s t me n t s t e p b y s t e p f r o m t h e v a l u e s o n t h e g l o b a l e n v i r o n me n t t o t h e r e g i o n a l e n vi r on m e nt ，t he e ng i ne e r i n g e nv i r o nme n t a n d t he s ur f a c e e nv i r o nme n t o f c o nc r e t e I t wa s f ou nd t h a t us i n g t h e s u p e r p o s i t i o n me t h o d o f c o n v e n t i o n a l s t a t i s t i c mo d e l a n d s p a t i a l r e s i d u a l e r r o r ， t h e q u a n t i t i v e r e l a t i o n s h i p o f r e l a t i v e h u mi d i t y v a l u e s i n t h e r e g i o n a 1 e n v i r o n me n t a l s c a l e a n d t h e e n g i n e e r i n g e n vi r on m e nt a l s c a l e c a n be e s t a bl i s he d e f f e c t i v e l y M o r e o v e r ，t he r e l a t i v e hu m i d i t y v a l ue s o n t h e s u r f a c e o f c on c r e t e s t r uc t u r a l e l e me nt s a r e r e l a t e d wi t h t he t e m p e r a t u r e v a l ue s o n t he s u r f a c e o f c on c r e t e s t r uc t ur a l e l e m e nt s ，an d t he di f f e r e nc e of r e l a t i v e hu m i d i t y va l u e s b e t we e n t he s ur f a c e a n d t he i nn e r p a r t o f c o nc r e t e s h o ul d be c o ns i de r e d i n t h e du r a bi l i t y a s s e s s m e nt o f c o nc r e t e s t r uc t ur e s Ke y wo r d s： s t r uc t ur e； s pa t i a l mul t i s c a l e； e nv i r o nme nt a l a c t i on； r e l a t i v e hu m i d i t y 混凝 土结构 的耐 久性 已成 为土木 工 程 界 日益关 注的问题 。在影响混凝土结构耐久性能 的环境 作用 中， 相对湿度成为重要的环境作用之一。混凝 土 中的不均 匀 湿度 分 布 不 仅会 引起 干缩 变 形 ， 导 致 混凝土表面产生拉应力 出现裂缝 ， 为外部 复杂环境 作用的渗入提供便利 ； 而且 ， 相对湿度本身也对引 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 6 0 3 基金项 目： 国家重 点基 础研 究发 展计 划 ( 9 7 3计划 ) 项 目( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 0 ) ； 国家 高 技术 研究 发 展计 划 ( 8 6 3计 划) 项 目 ( 2 0 0 6 AA0 4 Z 4 1 5 ) 作者简介 ： 徐宁( 1 9 8 0 一 ) ， 男 ， 博士生 ， 主要从事混凝 土结构 的耐 久性研究 ， ( E - ma i D1 2 3 x n t o n g j i e d u e n 。 顾祥林 ( 通讯作者) ， 男 ， 教授 ， 博士生导师( E - ma i l ) g x l t o n g j i e d u C I 1 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 4 卷 起材料或结构性能劣化的各种作用 ， 如混凝土碳化、 氯盐侵蚀 、 钢筋锈蚀等产生影响。 对混凝 土碳 化作用来说 ， 环 境相对 湿度通 过温 湿 平衡决定着混凝土的孔隙水饱和度， 一方面影响 C O 。 的扩散 速度 ， 另 一方 面 ， 由于 混凝 土碳 化 化学 反应 均 需在溶液中或固液界面上进行， 相对湿度也是决定碳 化反应 快慢 的主 要 因素 之一 5 。当环 境 相对 湿 度过 高时， 混凝土接近饱水状态， C O 。的扩散速度缓慢； 当 相对湿 度过低 时 ， 混凝 土处 于 干燥状 态 ， 虽 然 C O2 的 扩散速度快， 但缺少碳化反应所需的液相环境， 碳化 也难 以发展 。混凝土 的相对 湿 度对 氯离 子在 混凝 土 中的传输有重要影响 。混凝土相对湿度较低时 ， 混 凝土内部的氯离子传输速度将显著降低 ， 这是 由于相 对湿度降低， 混凝土孔溶液水分减少 ， 离子在孔隙中 传输更加困难。如果混凝土相对湿度很低， 当有外界 环境介质渗入时 ， 离子以毛细管吸人机制占据主导地 位 ， 离子的吸人速度反而随混凝土相对湿度降低而加 快 。环境相对湿度对钢筋锈蚀速度也有影响： 孔隙水 饱 和度 是影响混凝 土电阻抗 的主要 因素 ， 相对 湿度 越 高 ， 孔隙水饱和度越大 ， 混凝土的电阻抗越小 ， 有利于 OH 的扩散 ； 另 一 方 面 ， 孔 隙水 饱 和 度 又 是 影 响 O 扩散速 度的主要 因素 ， 孔 隙水饱 和度越 大 ， O 2 扩 散越 缓慢 ， 不 利于阴极反应 的进行 。 可见 ， 昆 凝土内部环境作用特别是湿度分布的研 究是混凝土结构耐久性研究 的一项重要内容。为描 述混凝 土 内部不 同湿度 场 ， 可在混凝 土 内部布设 湿 度 传感器进行测量 ， 但是混凝土耐久性是个 日积月累的 长期过程， 仅仅通过布设数量有限的传感器以及采集 有限周期的混凝土内部相对湿度值， 不能完全描述相 对湿度对混凝土性能的整个影响过程 。在中国， 具有 历史记录的相对湿度数据存在于全国各个气象站点 内。在 不考虑时 间因素 影响 的前 提下 ， 建立从 已有 气 象站点 的相对湿 度值 到 混凝 土 内部 各个 位 置处 的湿 度值的理论模型， 成为混凝土结构耐久性研究 中的关 键科学问题之一。本文根据建立的空 间多尺度环境 作用模型框架及其数学模型， 对相对湿度的空间特性 进行研究 ， 即通过空间各尺度上影响相对湿度的不同 环境因素的逐步调整 ， 计算混凝土结构内部任意位置 处的相对湿度值， 为正确预估影响混凝土结构耐久性 的各种作用效果提供基本依据。 1 空 间多尺度环境作用模型 中国地形条件 复杂 ， 气候多种多样。不 同地 区 的混凝土结构所受环境作用不 同， 即便是 同一地 区 的混凝土结构构件 ， 其不 同部位的环境作用也不尽 相同。为此 ， 作者在文献E 5 中建立 了空间多尺度环 境作用模型用于描述混凝土结构环境作用 的空间特 性 ， 该模型具体包括全局环境、 地区环境、 工程环境、 构 件表 面环境及 内部 环境 5个不 同尺度 。 具有历史记录的相对湿度数据可 由各气象站点 获得 。利用建立 的空间多尺度环境作用模型， 通过 各种环境尺度上环境 因子的逐步修正 ， 最终可 以较 准确地获得混凝土内部任意点处的相对湿度值。 由于前期环境作用研究采用的气象资料 的统计 年 限为 1 9 7 6 - 2 0 0 5 年 ， 所 以 ， 以初始年 1 9 7 6 年 的年 均相对湿度为例， 进行相对湿度的空间多尺度分析。 2 全局环境及地区环境 尺度上的相对 湿度值 由于 1 9 7 6年年平均相对湿度值可通过 全国分 布的各气象站点获得， 而现有 中国气象站点的观测 距 离均 在 1 0 0 0 k m 之 内 ， 按照混 凝 土结 构空 间多尺 度环境作用模型框架， 此范围属于地 区环境范畴， 所 以可以直接从地区环境尺度开始逐步进行以下几个 尺度 的研究 。此 时 ， 全局 环 境 尺 度 系 指混 凝 土结 构 所 在 的中 国版 图范 围 。 3 工程环境尺度上 的相对湿度值 考虑地区环境尺度上的各种环境条件的影响， 通 过地区环境尺度上已有气象站点的大气相对湿度值 ， 利用地 理 信 息 系 统 ( G e o g r a h p i c I n f o r ma t i o n S y s t e m， 简称 G I S ) 技术 ， 获得 中国区域 内工程环境尺度上( 1 k m1 k m) 任意位置处的大气相对湿度值。 大气相对湿度在地区环境尺度上的影响因素主 要为空间分布的地理要素 ， 如地理位置( 包括经度 、 纬度、 海拔和离海远近) 、 大的山脉走 向等 。一个地 区的相 对湿度 值 与 该地 区的 经 度 、 纬 度 和 海拔 高度 具 有较 好 的线 性 相 关关 系 ， 可 用 以下 多 元 线 性 回归 方 程表 示_ 8 ： RH o a o + l X + 口 2 Y + a 3 Z ( 1 ) 式 中： RH。 为常规统计模型模拟的相对湿度值， ； x为经度 ； y为纬度 ； Z为海拔高度， m； n 。为常数 ； a 1、 a 2、 0 3 为 回归系数。 采用“ 常规统计模型+空间残差” 的方法可消除 直接采用空间插值方法 的不足_ 1 ， 更加准确地建立 由地区环境尺度到工程环境尺度上相对湿度 的定量 描述 。具 体步骤 如下 ： 1 ) 基于中国气象科学数据共享服务 网( h t t p ： c d c c ma g o v c n ) ， 统计中国间距为 1 0 0 k m 以上的 2 0 0个气象站点 1 9 7 6年的平均相对湿度值 ， 剔 除塔 中、 米林、 温州、 桦甸 4个不连续站点数据 ， 选取 1 8 0 个气象站点的相对湿度值按式 ( 1 ) 进行 回归统计分 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 徐 宁 ， 等 ： 混 凝土 结构 空间 多尺 度相 对 湿度值 析( 其余 1 6 个站点用作模型验证) ( 图 1 ) ， 得到如下 常规统计模型： RH 。一 4 9 5 6 8+ 0 5 3 4 X 一 1 2 0 1 Y 一 0 O O 2 Z ( 2) 点 。 t 1 6 个榆验站点 p 0 图 1 计算和检验气象站点分布 图 2 ) 基于美 国太 空 总署 和国防 部 国家测 绘 局联 合 测 量 的 中 国 S R T M 数 据 ( 全 称 为 S h u t t l e R a d a r To p o g r a p h y Mi s s i o n ， 即航 天 飞机 雷 达 地形 测 绘 使 命h t t p ： s r t m c s i c g i a r o r g S E L E C T I ON i n p u t C o o r d a s p ) ， 采用 Ar c G I S软件进行转化处理 ， 得到中国数字高程模型( D i g i t a l E l e v a t i o n Mo d e l ， 简 称 DE M) ， 并 由此可提取全 国 1 k m1 k m 范围上 各采样点的地理信息( 如经度 、 纬度和海拔信息等) 。 代入式( 2 ) 可得到全 国任意 1 k m1 k m 采样 点范 围内的 1 9 7 6年年平均相对湿度值( 图 2 ) 。 图 2常 规 统 计 模 型 计 算 图 ( 1 9 7 6年 年 平 均 相 对 湿 度 ) 3 ) 将 1 8 0个残差值 ( 实测值与通 过统计模型获 得的计算值的差值) 在 中国区域内进行空间插值 ， 得 到全国任意 1 k m1 k m采样点上 的残差值 z Z R H ( 图 3 ) 。将此空间残 差值 与步骤 ( 2 ) 中得到 的计算 值 ( 图 2 ) 进行叠加， 即获得工程环境尺度上全 国范 围内 1 9 7 6年平均相对湿度的分布图( 图 4 ) 。 4 ) 选取剩余 1 6 个检验站点 ( 实测值与计算值见 表 1 )， 分 别 通 过 相 关 系数 ( R )、 平 均 绝对 误 差 鼻 ， 1 图 3 1 9 7 6年全国年平均相对湿度残差分布 图 图 4 1 9 7 6年 全 国年 平 均 相 对 湿 度 分 布 图 ( Me a n Ab s o l u t e E r r o r ， 简 称 MAE) 和 均 方 根 误 差 ( R o o t Me a n S q u a r e E r r o r ， 简称 RMS E ) 3个统计值 进行检验 ， 检验结果如表 2所示 。从 表 2中可 以看 出， 采用“ 常规统计模型 +空间残差” 的方法计算得 到的中国 1 9 7 6年平均相对湿度值的计算精度较直 接统计计算值有明显提高 。 表 1 检验站点的大相对湿 度度值 气象站点 实测值 常规统计值 常规统计值 +空间残差 鸡 西 6 1 临 汾 6 4 高 邮 7 6 金 华 7 6 麻 城 7 4 广 卅 l 7 9 达尔罕茂 明安联合旗 5 0 中 宁 5 4 广 元 6 9 贵 阳 7 8 格 尔木 3 O 且 末 3 9 额尔古纳右旗 6 9 精 河 6 2 德 钦 7 2 拉 萨 4 2 H 一 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 4卷 表 2 检 验指标 列表 4 工程环境尺度上相对湿度的修正 通过 地 区环境尺 度到 工程环 境 尺度 的研 究所 得 到 的全 国每 1 k m x 1 k m 范 围 内 1 9 7 6年 年 平 均 相 对湿度分布图， 是从全国 1 8 0个城市市区气象站点 的环境作用值开始计算的， 没有考虑工程环境尺度 上其它环境条件( 如热岛效应 、 湿 岛和干岛效应等) 的影响， 城 、 郊环境作用差别没有体现。对 于大气相 对湿度 ， 需要考虑城市干 、 湿岛效应造成 的城、 郊相 对湿 度差 的影 响 。 为此 ， 可 统 计 1 9 7 6年 全 国 3 1个 省会 城 市 城 区 与郊区气象站点的大气相对湿度值 ， 并定义城 区气 象站点与郊区气象站点的相对湿度差为当年的干湿 岛强度值。剔除南宁、 沈阳、 天津 由于站点迁移或区 站号 变 动带 来 的干 湿 岛强 度突 变点 ， 用 剩余 全 国 2 8 个省会城市干湿岛强度值作为初始值 ， 采用 Ar c GI S 地理 信 息 处 理 软 件 ， 通 过 反 距 离 权 重 ( I n v e r s e Di s t a n c e We i g h t e d ， 简称 I D w) 插值方法l_ 7 ， 可计算 得到 1 9 7 6年干湿岛强度分布图， 如图 5所示 。 、 一 b 图 5 1 9 7 6年全国干湿 岛强度分 布图 从图 5中可 以提取全国任意经纬度处 1 9 7 6年 的干湿岛强度值 。将图 4中的相对湿度值减去图 5 中对应点处的干湿岛强度值 ， 即可准确获得 1 9 7 6 年 郊区混凝土结构所处的相对湿度值 。 5构件表面环境 尺度上 的相对湿度值 自然环境下混凝土结构表面各点处的环境作用 不同， 其影响因素主要有 2 种 ： 1 ) 混凝土构件的外部 条件 ， 如结构所在的地理位置和所处的季节、 云、 雪、 雾、 雨等 ； 2 ) 混凝土构件的 内部 因素 ， 包括构件表面 材料 、 构件材料物理特性等 。 混凝土表面相对湿度 R H 可通过 以下方程求 得 ： R Hs 一些 ( 3 ) 式 中： R H出为大 气相对 湿度 ， ； 7 2 ( T) 为 指定 温度 下饱和水蒸汽含量 ， g m。 ； T a 为大气温度 ， K； T s 为 混凝 土 表面温 度 ， K。 指定温度下空气饱和蒸汽含量 ( T) 与饱和蒸 汽压 P ( T)的关系可 由理想气体状态方程 ( 式( 4 ) ) 变换 得 到( 式 ( 5 ) ) ： PV n RT 一 T ( 4 ) 一 一 一 7 J 一= 一 【 h J RT 尺T 式中： 为气体质量 ， g ； V为气体体积 ， m。 ； M 为气 体摩尔质量 ， g mo l ； R 为 比例系数 ， 一般取 8 3 1 4 J ( too l K) ； T为气体温度， K。 饱和蒸汽压 ( 丁) 可用以下公式表示 ： l n ( 丁)一 6 8 1 4 8一 一 6 2 9 7 3 I n T ( 6) 由式( 3 ) 可以看到， 混凝土表面相对湿度值与混 凝土周围环境相对湿度值、 周围环境温度值和混凝 土表面温度值密切相关 。选取上海市 中山北二路上 的一座公路桥( 经度 ： 1 2 1 5 。 E， 纬度： 3 1 3 。 N) 进行计 算。从图 4中提取的该经纬度处的大气相对湿度为 7 7 9 2 ， 从图 5中提取的此经纬度处的干湿岛强度 为一0 9 4 。考虑城市干湿 岛效应后 ， 该经纬度处 修 正 后 的 大 气 相 对 湿 度 为 R H i 一 7 7 9 2 ( 一0 9 4 )一 7 8 8 6 。假 定 桥 梁 所 处 周 围 环 境 1 9 7 6 年 年均温 度 为 T 一 1 5 1 4， 对 应 的绝对 温 度 为 T 一 1 5 1 4 +2 7 3 1 5 ： 2 8 8 2 9 K ， 则 由式 ( 6 ) 可 计算该桥梁所处周 围环境温度下的空气饱和蒸汽压 为 ： l n p ( T 。 )一 l n p ( 2 8 8 2 9 )一 6 8 1 4 8 一z 2 9 7 3 1 n ( 2 8 8 2 9 ) 7 4 5 5 P ( T a i )一 e 1 7 2 7 9 k P a 由式( 5 ) 得饱和蒸汽含量为： ( T a T n一 一 一 面 1 7 丽2 7 9 丽X1 8 O 0 1 2 9 8 k g m3 1 2 9 8 g m3 同理， 假定该经纬度处桥梁行车道板上表面 1 9 7 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 徐 宁， 等 ： 混 凝土 结构 空 间多尺度相 对 湿度值 年年均温度为 T ， 一2 1 1 4 C， 对 应 的绝 对温度 为 一 2 1 1 4 [phone] K， 则此温度下的空气饱和蒸 汽压为 ： l n p 。 ( )一 l n p 。 ( 2 9 4 2 9 )一 6 8 1 4 8一 _ 6 2 9 73 1 n ( 2 9 4 2 9 ) 7 _ 8 6 声 。 ( T )一 e 。 2 5 9 1 5 2 k Pa 对 应 的饱 和蒸汽 含量 为 ： r个、 一m PM p M 一 2 5 9 1 5 2 1 8 一 一 亍 一 丁 一 0 0 1 9 0 7 k g m 一1 9 0 7 g m。 将上述参数代人式 ( 3 ) 得该经纬度处桥梁行车 道板 的表 面相对 湿度 为 ： RHs一 一 5 3 6 8 同理 ， 由该桥 梁结 构翼板 和底 板 底 面 1 9 7 6 年 年 平 均 温度 1 8 4 2 ， 可 计 算 得 到 对 应 的此 经 纬 度 处 混凝 土桥梁 结 构翼 板 和 底 板 底 面 1 9 7 6年年 平 均 相 对 湿度 为 6 4 6 3 ； 由阴影 腹板 表 面 1 9 7 6年年 平 均 温度 1 5 3 7 ， 可 计算 得 到对 应 的 阴影腹 板 表 面 1 9 7 6 年年平均相对湿度值为 7 7 7 5 ； 由受 日照腹 板表面位置处 1 9 7 6年年平均温度 1 8 9 3 ， 可计算 得到对应的受 日照腹板表面位置处 1 9 7 6年年平均 相对湿度为 6 2 6 9 。 6构件 内部环境 尺度上 的相对湿度值 对于大气相对湿度而言， 进行构件表面环境尺 度到 内部环境尺度的研究即为相对湿度 由混凝土表 面 向混凝 土 内部 扩散 的研 究 。 基于经典的 F i c k第二定律 ( 式 ( 7 ) ) ， 将上节得 到的混凝土构件表面相对湿度值作为内部湿度场计 算 的边界 条件 ， 求 解 特 定 环境 ( 恒湿 ) 下 混凝 土构 件 内部 环境 相对 湿度 。 下 3 RH 一一 D( _3 2 RH + 3 2 RH + 0 2 ， ， RH ， ) ( 7 ) dr dz dY dz 式 中 ： R H 为相 对湿度 ， ； r 为 时间 ， S ； D 为 湿气在 混凝土内的扩散系数 ， r n s ， 可按下式计算口 ： 。 一 。 r 。 + 式中各 系数 参 照 1 m ClO C E B F I P模 式 规 范 给 出：a 。一 令 混凝 土试件 内部 初始相 对 湿度 为 R H。， 混 凝 土表面相对湿度为 R H 。为简化计算 ， 暂按一维扩 散方程进行求解 ， 即： 一 D r dZ ( 9 ) 其 中， 初始条件 ： r 一0 时 ， 对所有 值， R H RH。 ； 边 界 条 件 ：z 一 0时 ， 对 所 有 r值 ， R H R H ； C 3时 ， 对所 有 r 值 ， R H R H。 由上式 解得混 凝 土 内部 相对 湿 度 随时 间 r的变 化规律为 ： RH R H 一 ( H 一R H。 ) e r r ( 兰=) 2 D r ( 1 0 ) 式 中 ， e r f ( ) 为 误差 函数 ； z为距 离混凝 土表 面 的深 度 ， m。 选取强度等级为 C 3 o的混凝土 ， 其强度标准值 为 一2 0 1 MP a ； 假定混凝土 内部初始相对湿度 为 RH。 一 1 0 0 9 6 ， 混 凝 土 表 面 相 对 湿 度 为 RH 一 5 3 6 8 。由式( 1 0 ) ， 可得任意时刻混凝 土内部任意 位 置处 的相 对 湿 度 RH 。整 个 过 程通 过 Ma t l a b软 件 实现 ， 最终 计算 结果 如 图 6及表 3所 示 。 1 1 霞 霹 5 3 o 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 l 2 0 0 时间， d 图 6 混凝土 内部相对湿度随时变化规律 表 3混凝 土内部相对湿度计算值 时间0 0 2 1T I 处0 0 5 m处0 1 0 r l l 处0 1 5 r f l 处0 2 0 m处 1 d 9 8 5 6 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 5 d 8 4 5 0 9 9 2 6 1 0 0 1 O 0 1 O 0 1 0 d 7 7 0 6 9 5 9 2 99 9 7 1 O 0 1 O 0 1 5 d 7 3 2 5 9 2 4 1 9 9 7 5 1 O 0 1 O 0 5 0 d 6 4 7 8 7 9 3 6 9 4 i 1 9 8 8 7 9 9 8 9 I O 0 d 61 5 9 7 2 6 8 8 6 9 9 9 5 1 0 9 8 5 6 3 6 5 d 5 7 8 4 6 3 9 7 73 4 9 8 1 6 1 8 8 O 1 5 4 5 d 57 0 9 6 2 1 4 7 0 1 7 7 7 3 8 8 3 5 3 7 3 O d 5 6 6 3 6 1 0 1 6 8 O 5 7 4 5 6 8 0 3 3 1 0 9 5 d 5 6 0 9 5 9 6 8 65 5 2 7 1 O 5 7 6 1 7 。 。5； RH = = =。 8 ； 一 1 5 ；D 一 D ， 。 一 图 6描述了 3 内混凝土内部不同深度相对湿 1 1 0 一 。 m s； f o k 。一 1 0 MP a； f 为混凝 土强 度标 度 值 的随 时变 化规 律 。表 3列 出 了部 分 计 算 结果 。 准值) 。 从图 6可以看到 ， 由于混凝土 内外相对湿度差 的影 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 0 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 4 卷 响 ， 混凝土内部不 同深度处 的相对湿度值 由初始值 的 1 0 0 发生了不同程度的降低； 2 a 后 ， 不同深度处 的相对湿 度值 变化近趋平缓 。结合表 3还可 以看 出 ， 表层 混 凝 土 ( z一 0 0 2 m) 较 深 层 混 凝 土 ( z一 0 2 0 m) 对相 对湿 度 的感 应迅 速 ， 表层混凝 土 相对湿 度值 降低程度较快 ， 经过 5 0 d的时 间， 表层混凝土 相对湿 度值 已经降至初 始湿度值 的 2 3左 右 ( 为 6 4 7 8 ) ， 而深层混凝土相对湿度基本没有变化 ； 由 于初 始混 凝土 表面相 对湿 度 ( 5 3 6 8 ) 与混凝土 内部 相对湿度( 1 0 0 ) 差值较大， 所以经过 3 a ( 1 0 9 5 d ) 的 时间， 距混凝土表面 0 0 2 I n处的混凝土相对湿度值 ( 5 6 0 9 ) 还未 达到 初始 混凝 土表 面相 对湿 度值 ( 5 3 6 8 ) 。 根 据 图 6中各 曲线 与时 间轴所 围成 的面积 和 年 均相对湿度值 与时间轴围成的面积相等的原则 ， 可 计 算得 到混凝 土 内部 不 同深 度 的年 均 相 对 湿度 值 ， 如 表 4所示 。 表 4混凝土 内部年均相对湿度值 深度 m 第 1年 第 2年 第 3年 由表 4可以看出， 就相对湿度而言， 从年平均意 义上讲 ， 即便混凝土结构构件处于外部恒定 的相对 湿度下， 内部相对湿度值也不相同。因此 ， 对于非恒 定相 对湿 度 下 的混 凝 土 结 构 构 件 更 应 考 虑 混 凝 土 内、 外部环境 的不同 ， 明确环境 作用 时间变化的影 响 ， 进一步开展混凝土结构环境作用时间特性 的研 究 。 7 结 论 1 ) 应用多尺度环境作用模 型， 可以将全 国范 围 内具有历史记录的气象站点 的相对湿度值 ， 通过各 尺度上的逐步修正 ， 计算得 到混凝土 内部的相对湿 度值 。 2 ) 采用“ 常规统计模 型+空 间残差” 的方法 ， 可 有效建立地区环境尺度上相对湿度值与工程环境尺 度上 相对 湿度 的定量 关 系 。 3 ) 混 凝土 结构构 件 的表面相 对 湿度 与混 凝 土表 面 温度有 关 ， 混 凝 土 桥 梁结 构 行 车 道 板 、 翼 缘 、 腹 板 等不 同部 位处 的表 面相对 湿度值 不 同 。 4 ) 实际工程中的混凝土结构构件 ， 应该考虑表 面相对湿度与混凝土内部相对湿度 的不 同， 相对湿 度值随时间变化的特性有待进一步深入研究。 参考 文献 ： 1 张誉 ， 蒋 利 学 ， 张伟 平 ， 等混 凝 土 结 构 耐 久 性 概 论 M 上海 ： 上海科学技术 出版社 ， 2 0 0 3 r 2TEP LY B， V0RE CH0VS KA D， KERS NE R Z P e r f o r ma n c e b a s e d d e s i g n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s ： d u r a b i l i t y a s p e c t s J S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g a n d M e c h a n i c s ，2 0 1 0， 3 5 ( 4 ) ： 5 3 5 5 3 8 r 3V0RECHOVS KA D， TEP LY B， CHROMA M P r o b a b i l i s t i c a s s e s s me n t o f c o n c r e t e s t r u c t u r e d u r a b i l i t y u n d e r r e i n f o r c e me n t c o r r o s i o n a t t a c k J J o u r n a l o f P e r f o r ma n c e o f Co n s t r u c t e d F a c i l i t i e s ， 2 0 1 0， 2 4( 6) ： 5 71 57 9 r 4RYU D W ， KO J W ， N0GUCHI T Ef f e c t s o f s i mul a t e d e n vi r o nme nt a l c on di t i o ns on t he i nt e r na l r e l at i v e h umi di t y a n d r e l a t i v e moi s t u r e c on t e nt d i s t r i b u t i o n o f e x p o s e d c o n c r e t e J C e me n t & C o n c r e t e Co m p o s i t e s ，2 0 1 1 ， 3 3 ( 1 ) ：1 4 2 1 5 3 5 徐宁 ， 顾祥林 ， 黄庆华 ， 等混凝土结构环境作 用研究方 法 J 结构工程师 ， 2 0 1 0 ， 2 6 ( 2 ) ： 1 6 2 1 6 7 XU NI NG，GU XI ANG L I N，HUANG QI N( 、rHUA， e t a 1 S t u d y me t h o d o f e n v i r o n me n t a l a c t i o n f o r c o n c r e t e s t r u c t u r e s J S t r u c t u r a l E n g i n e e r s ，2 0 1 0 ， 2 6 ( 2 ) ： 1 6 2 1 67 6 张庆章 ， 黄庆华 ， 张伟平 ， 等海水潮汐 区混凝 土氯盐侵 蚀加速试验方 法研 究 I- J 结 构工 程师 ，2 0 1 0 ， 2 6 ( 3 ) ： 1 45 1 5 3 ZHANG QI NG Z HANG， HUANG QI N( 、rHUA， ZHANG W EI PI NG， e t a 1 St ud y o n a c c e l e r a t e d c h l o r i d e p e n e t r a t i o n t e s t i n g me t h o d s f o r c o n c r e t e i n t i d a l z o n e J