基于多项式混沌展开的海工混凝土结构多尺度不确定性腐蚀可靠性分析方法

为解决海洋环境中钢筋混凝土(RC)结构因氯离子(Cs)空间变异导致的腐蚀评估难题，研究人员提出融合多项式混沌展开(PCE)与时空克里金法的多尺度不确定性分析框架。该方法通过蒙特卡洛模拟生成随机场输入，结合自适应局部代理模型，成功量化杭州湾大桥桥墩的腐蚀失效概率分布，为海工结构耐久性评估提供了高效计算工具。

　　

海洋环境中的钢筋混凝土结构长期面临氯离子侵蚀的严峻挑战。表面氯离子浓度(C_s)的空间变异会显著影响钢筋脱钝时间和腐蚀形态，但现有模型多采用确定性边界条件，导致评估结果失真。更棘手的是，C_s的变异同时受海浪高度、风速等环境因素和混凝土细观结构的双重影响，传统单尺度分析方法难以捕捉这种复杂相互作用。

针对这一难题，浙江大学的研究团队在《Ocean Engineering》发表创新研究，提出融合多项式混沌展开(PCE)的多尺度不确定性分析方法。该研究通过杭州湾大桥暴露站获取的耐久性监测数据，构建时空克里金模型表征C_s随机场，再结合自适应局部代理模型，实现了从环境变异到结构失效概率的高效传递。关键技术包括：基于蒙特卡洛模拟的随机场生成、Morris筛选法的敏感性分析、核密度估计的概率量化，以及PCE代理模型的构建。

多尺度不确定性分析方法
通过分层整合环境监测数据、随机场建模和不确定性传播，建立了从毫米级混凝土孔隙到千米级海洋环境的跨尺度分析框架。时空克里金法将离散监测点数据转化为连续变异场，解决了传统"挖洞法"的拓扑不连续问题。

杭州湾大桥监测系统验证
利用世界最长的跨海大桥——36公里杭州湾大桥的三层暴露站数据，验证了C_s与海风风速、浪溅区高度的强相关性。监测系统包含钻孔桩和钢管桩基础，能同步采集潮位、温度等多参数数据。

空间氯离子分布影响
数值模拟表明：C_s随机场作为边界条件输入时，钢筋腐蚀产物呈现非均匀分布特征，这与Zhu等学者关于膨胀压力空间差异的研究相符。PCE分析显示，浪溅区C_s变异对腐蚀萌生的敏感性系数达0.78。

结论与意义
该研究首次实现了从环境监测到结构失效的全链条不确定性量化，其创新性体现在：1）提出空间变异场驱动的多尺度分析范式，相比传统单尺度方法计算效率提升12倍；2）通过杭州湾实体工程验证，证实浪溅区腐蚀概率是大气区的3.2倍；3）开发的PCE代理模型可推广至其他海洋基础设施评估。这项工作为"一带一路"沿海工程建设提供了重要的可靠性分析工具，相关方法已应用于深中通道等国家重大工程耐久性设计。