论文题目：基于可靠性和可持续性的混凝土结构全寿命设计与优化
摘要：混凝土结构的全寿命设计与优化要求在结构设计时考虑其在服役过程中的环境和荷载作用,评估并预测结构性能劣化发展;以时变性能指标和全寿命成本为目标,优化结构初始设计和维护方案,使得混凝土结构建造、运营、维护和拆除活动的环境污染和社会干扰降到最低。而现行设计方法对混凝土结构的长期性能关注不够,忽略了结构全寿命成本控制以及可持续性的评估,无法满足用户对全寿命性能的多目标精细化设计要求。鉴于此,本文基于全寿命设计与优化方法,对钢筋混凝土结构时变可靠性设计方法、可持续性评估方法及其结合进行了理论研究和案例分析,主要研究工作如下:（1）分析了以往设计理论和设计方法中对随机变量不确定性的表征,介绍了结构全寿命设计目标指标体系从二元独立体系到综合关联体系的发展过程,以全寿命性能分析和成本分析为模块,采用改进后的经济、环境和社会成本指标提出了新的混凝土结构全寿命设计理论体系,引入风险指标联合性能模块与成本模块,以提高多目标优化设计与决策结果的可靠性。（2）基于离子传输、腐蚀电流密度和钢筋点蚀发展模型,介绍了耐久性设计中初始锈蚀、锈胀开裂、正常使用和承载能力极限状态方程的具体含义,采用Monte Carlo模拟方法计算了钢筋混凝土结构在氯离子侵蚀和车辆荷载共同作用下的时变可靠性,预测了结构耐久性、适用性和安全性使用寿命,并对影响结构使用寿命和可靠指标的初始设计参数和环境参数进行敏感性分析。（3）基于可持续性评估理论,分析了混凝土结构全寿命可持续性评估的系统边界、物质能源流以及利益相关者类别,研究了环境和社会影响的评估目标和范围、影响清单和评估方法,统计了以往文献中社会影响评估内容和社会成本类别频数,依据影响路径法建立了社会成本清单,采用统一的货币化指标对全寿命可持续性评估的三个维度进行整合。（4）采用直接或间接成本评估技术将环境成本和社会成本纳入到全寿命成本分析中,补充完善了包含建筑材料、机械燃料、车辆延误的环境成本模型,采用初始桥型方案比选说明了环境成本计算流程。基于社会成本清单,提出了工程活动对建筑工人、交通用户、当地社区和公共组织的社会成本模型,统计得到了适用于浙江省的社会成本关键参数取值,并对某公路桥梁维护工程的经济成本和社会成本进行计算。（5）明确钢筋混凝土结构在不同劣化阶段适用的耐久性维护提升措施,采用Monte Carlo抽样方法模拟了混凝土表面环氧涂层、裂缝封堵、电化学除氯、双向电迁移和粘贴钢板措施对耐久性、适用性和安全性极限状态的延寿效果,计算了各类耐久性维护措施的经济成本和环境成本,结合工程案例设置并计算了环氧涂层和电化学除氯维护计划的全寿命可持续性成本,对两种维护方案进行比选。（6）将全寿命管理框架应用于桥梁结构200年长寿命设计与优化分析中,提出了两种可行的初始设计方案（a.采用不锈钢筋,b.扩大钢筋横截面积和提高混凝土强度）和一种组合维护方案（采用环氧涂层、双向电迁移和粘贴钢板的组合维护）,并将长寿命初始设计和维护方案的全寿命可持续性成本与结构重建方案进行对比,分析了可持续性成本的不确定性来源和统计参数,采用效用理论计算不同风险态度下的多属性效用值,以评估不同长寿命设计和维护方案的综合可持续性表现。（7）基于多目标优化设计理论,提出了包含经济、环境、社会成本和失效成本的优化目标函数,采用MATLAB中的遗传算法对锈蚀钢筋混凝土结构的初始配筋和粘贴钢板维护时间进行单目标（最小化全寿命可持续性成本）、双目标（最小化全寿命可持续性成本和最大化可靠指标）和三目标（最小化全寿命经济、环境和社会成本）优化分析,为结构设计人员提供“性能—寿命—经济—环境—社会”协同的全寿命优化设计与管理方法。
关键词：混凝土结构;全寿命设计;时变可靠性;可持续性;多目标优化设计;环境成本;社会成本;多属性决策
学科专业：结构工程
致谢
摘要
ABSTRACT
符号清单
缩略词清单
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 国内外研究现状
1.3 目前研究中存在的问题
1.4 本文的主要研究工作
参考文献
第2章 混凝土结构全寿命设计目标指标体系
2.1 引言
2.2 结构设计理论与方法的发展方向
2.3 全寿命设计目标与指标体系的演化
2.4 改进的全寿命设计理论框架与指标体系
2.5 全寿命设计指标之间的内在关系
2.6 本章小结
参考文献
第3章 基于耐久性的混凝土结构可靠性分析及寿命预测
3.1 引言
3.2 钢筋混凝土结构的耐久性劣化阶段
3.3 氯离子侵蚀作用下结构耐久性劣化模型
3.4 钢筋混凝土结构时变可靠性分析
3.5 氯盐环境下桥梁结构的使用寿命预测
3.6 本章小结
参考文献
第4章 混凝土结构全寿命可持续性分析及影响评估
4.1 引言
4.2 可持续性评估概念与框架
4.3 混凝土结构的环境影响及评估方法
4.4 混凝土结构的社会影响及评估方法
4.5 集成的全寿命可持续性评估方法
4.6 本章小结
参考文献
第5章 基于可持续性的混凝土结构全寿命成本计算模型
5.1 引言
5.2 混凝土结构的经济成本构成
5.3 混凝土结构的环境成本构成及计算模型
5.4 混凝土结构的社会成本构成及计算模型
5.5 基于可持续性的全寿命成本预测模型
5.6 本章小结
参考文献
第6章 混凝土结构维护提升措施的维护效果及成本
6.1 引言
6.2 混凝土结构耐久性提升措施及其分类
6.3 典型维护措施的可靠性和可持续性分析
6.4 基于耐久性和可持续性的维护措施案例对比
6.5 本章小结
参考文献
第7章 基于效用理论的混凝土结构全寿命管理决策
7.1 引言
7.2 基于全寿命管理的多属性决策理论
7.3 长寿命设计与组合维护措施可靠性分析
7.4 考虑失效风险的可持续性成本分析
7.5 基于效用理论的全寿命设计与维护决策分析
7.6 本章小结
参考文献
第8章 基于多目标优化的混凝土结构全寿命设计方法
8.1 引言
8.2 全寿命优化设计问题的基本概念
8.3 案例一:基于可持续性成本的单目标维护时间优化
8.4 案例二:初始设计变量与维护设计变量的单目标优化
8.5 案例三:基于可靠指标和可持续性成本的双目标维护时间优化
8.6 案例四:基于经济、环境和社会成本的三目标维护时间优化
8.7 本章小结
参考文献
第9章 结论与展望
9.1 主要研究成果
9.2 主要创新点
9.3 研究展望
附录A. 环境类别和作用等级
附录B. 案例桥梁钢筋数量统计表
附录C. 成本明细表