[發明專利]鋼混結構鋼筋點蝕的三維元胞自動機實時定量預測方法

有效

• 申請號: 201310667531.1
• 申請日: 2013-12-04
• 公開（公告）號: CN103699932A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發明（設計）人: 喬國富;李惠;歐進萍;關新春
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06N3/00
• 分類號: G06N3/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種鋼混結構鋼筋點蝕的三維元胞自動機實時定量預測方法，其特征在于，

方法如下：

(1)、EN信號的小波分解

EN離散信號x(kT)，k＝0，1，2，…N進行二進小波分解，子空間上的能量按下式計算，

Ejn=Σk(dj,kn)2---(1)]]>

Ejn=Σk(fin(t))2---(2)]]>

式中，為子空間上的重構信號；當小波基是完備正交基時，式(1)與(2)所得能量相等，即利用子空間上的重構信號與小波變換系數計算相應頻段上的小波能量是相等的：

Ejn‾=EjnΣnEjn---(3)]]>

進而得到離散信號x(kT)，k＝0，1，2，…N的小波能量的特征參量

E‾=[E1‾,E2‾,...,E2j-1‾]---(4)]]>

對于點蝕而言，外部環境、混凝土本身、鋼混體系腐蝕反應等耦合因素會體現在EN的時頻分布特性上，這些時頻分布上的差異最終會體現在EN信號的小波能量譜上，通過觀察鋼筋服役過程中EN的小波能量譜變化情況，即定性判定點蝕的發生；

(2)、基于實時監測信息的三維元胞自動機模型

鋼筋點蝕發展演化的三維元胞自動機預測模型的建立，包括元胞空間、元胞狀態、元胞鄰居、演化規則四部分：

(2.1)元胞空間

采用與鋼筋點蝕實際物理意義相匹配的3-D立方體網格，表征與具有腐蝕性混凝土環境接觸的鋼筋表面，模型中元胞分布在離散三維空間的格點上，由于周期型空間與無限空間最為接近，所以采用周期型邊界；

(2.2)元胞狀態

每個元胞的狀態Cell(x，y，z).S由該點上的元胞屬性來確定，元胞種類主要有：代表金屬Fe的元胞表示為金屬元胞M；代表混凝土孔溶液環境的酸元胞H；代表被鈍化的Fe金屬的P元胞；代表Fe²⁺和具有侵蝕性的粒子Cl^-以及二者形成FeCl⁺絡合物的元胞D；代表OH^-、H₂O、Na⁺不具有侵蝕性的粒子本體溶液元胞W；

(2.3)元胞鄰居

每個元胞具有26個鄰居元胞；

(2.4)演化規則

混凝土中鋼筋點蝕生長演化過程中，τ時刻的任一元胞在τ+1時刻的狀態用下式描述，

S^τ+1=f(C，S^τ，N，R_MC，R_Parallel)??(5)

這里，τ為時間；C為元胞空間；S為元胞狀態；N為元胞鄰居；R_MC為隨機規則；R_Parallel為并行處理規則；

對于鋼筋局部點腐蝕而言，演化規則主要包括：反應規則、酸化規則、鈍化規則和擴散規則：

A)反應規則：當M元胞的鄰元胞至少有一個H元胞時，以下反應會以一定的概率p_d發生：

M→PdD---(6)]]>

由于點蝕瞬態峰在小波的子空間上聚集的能量，代表了混凝土孔溶液與鋼筋之間的“相互作用勢”，因此，根據電化學噪聲有效的小波能量在小波總能量中所占的能量比得到金屬基底元胞的溶解及鈍化概率，其中溶解的概率p_d可以等價為而發生鈍化的概率p_p為

B)酸化規則：以Cl^-為代表的侵蝕性粒子的局部催化酸化作用，會加速混凝土中鋼筋的點蝕進程，即具有侵蝕性的元胞D與代表本體溶液的元胞W相鄰時，會提供酸元胞H擴散到溶液中，即：

Dnk+W→H+D(nk-1)---(7)]]>

此時，釋放出的H⁺會維持蝕坑內局部的酸環境，系數n_k表示D最多能夠提供的H元胞數量；

C)鈍化規則：當M元胞的鄰元胞為代表非侵蝕性粒子的W元胞時，M元胞會以一定的概率p_p鈍化為P元胞，而當P元胞遇到H元胞時，又會以一定的概率p_d轉變回M元胞；

D)擴散規則：當其鄰元胞已經被另一個元胞占用時，該元胞仍停留在原位置，會以相同的概率擴散至任意一個鄰元胞；當其鄰元胞為空單元，但是有不止一個元胞欲跳向空元胞時，該單元仍然停留在原位置，仍具有向其任意一個鄰單元跳躍的趨勢；當其鄰單元為空單元，并且只有一個元胞欲跳向空單元時，則該元胞據空單元，之后仍具有向其任意一個鄰單元跳躍的趨勢；

采用電化學噪聲的在不同尺度上的小波能量比作為驅動力，建立了基于實時電化學噪聲監測信息的三維元胞自動機定量預測方法。