[發明專利]一種多因素混凝土凍融的粒子濾波壽命預測方法

有效

• 申請號: 202110242646.0
• 申請日: 2021-03-05
• 公開（公告）號: CN112949185B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發明（設計）人: 楊偉博;高培偉;包永強;潘岳;潘奕蕊;宗昕;趙杰
• 申請（專利權）人: 南京工程學院
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06N3/00;G06F119/02;G06F119/04;G06F119/10
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 蘇良

本發明涉及一種多因素混凝土凍融的粒子濾波壽命預測方法，包括：以相對動彈性模量隨凍融循環的衰減規律構建凍融劣化過程的狀態方程；通過聲時與相對動彈性模量的關系，構建凍融劣化的觀測方程；最后，基于狀態和觀測方程，建立混凝土凍融損傷劣化過程的狀態空間模型，利用粒子濾波，實現多因素混凝土凍融的壽命預測。粒子濾波可消除多種不確定因素的影響，對模型復雜度要求較低，且不需要大量訓練數據，相比傳統方法具備更高的壽命預測精度，對改進混凝土結構設計、延長使用壽命和增強維護保障具有重要的應用價值與經濟效益。

技術領域

本發明屬于混凝土耐久性分析與評估領域，涉及一種多因素混凝土凍融的粒子濾波壽命預測方法。

背景技術

對混凝土耐久性的研究顯示，引起混凝土結構劣化的破壞因素，按重要性程度依次遞減，分別為：鋼筋銹蝕、凍融破壞和海水侵蝕作用。目前，我國“三北”等嚴寒地區，大量的高速公路、機場跑道、跨海及沿海工程等結構由于長期受風霜雨雪等季節性凍融破壞的侵蝕，面臨著嚴峻的耐久性考驗。

剩余壽命預測作為混凝土結構耐久性評估的重要組成部分，不僅可以揭示潛在危險，及時制定維護策略，避免重大事故的發生，而且研究成果可以直接用于指導結構設計。凍融損傷的壽命預測模型是建立在凍融損傷模型的基礎上，然而，混凝土凍融損傷的演化過程中，受材料屬性、載荷、氯離子侵蝕、碳化、磨蝕、堿骨料反應、測試誤差等眾多因素的影響，其演化過程具有高度的不確定性，若考慮眾多因素的影響，將使得構建的確定性壽命預測模型變得異常復雜，難以應用于實際工程中。同時，傳統的可靠性凍融壽命預測方法，將耗費昂貴的實驗資源，且只適用于某些特定條件下，適用性較差。

發明內容

本發明提出一種適用性強、預測準確的多因素混凝土凍融的粒子濾波壽命預測方法。

本發明所采用的技術方案為：

一種多因素混凝土凍融的粒子濾波壽命預測方法，包括如下步驟：

步驟1、以單段模式的相對動彈性模量衰減模型為基礎，構建描述多因素凍融損傷劣化規律的狀態方程及其噪聲模型；

步驟2、采用超聲波無損檢測方法，對混凝土中的超聲波聲時進行監測；通過相對動彈性模量與超聲波聲時之間的關系，構建觀測方程；同時，結合步驟1中的狀態方程，構建描述凍融劣化的狀態空間模型；

每一試件在多因素凍融循環開始前，先進行一次超聲無損檢測，采集基準聲時；

步驟3、判斷聲時檢測是否更新，以進行壽命預測；

對模型參數和粒子群進行初始化；在多因素凍融循環過程中，

若未進行超聲無損檢測，則將粒子群代入狀態方程中，生成先驗估計，再將先驗估計與粒子權值進行加權求和，獲得后驗估計，并更新粒子群，后驗估計可看作是凍融循環次數的預測值；

若進行超聲無損檢測，獲得新的聲時信號，則將當前粒子群代入狀態空間模型中，生成N個聲時預測值；令聲時預測值與實驗檢測值作差，若差值滿足高斯分布，即可計算得到N個聲時預測值對應的歸一化權值；

步驟4、對粒子群及其歸一化權值進行多項式重采樣，獲得更新后的粒子群及其權值；

步驟5、重復步驟3和4，直至達到設定條件，停止凍融實驗與預測過程；上述過程所經歷的總時間即為混凝土凍融的剩余壽命。

進一步地，步驟1中，狀態方程的表達式為：

公式(1)中，E_t表示凍融循環t時刻的相對動彈性模量；C表示損傷加速度，A表示損傷初速度，二者可通過實驗擬合獲得；Δt表示t時刻與t+1時刻的時間間隔；ω_t+1表示加性的零均值高斯白噪聲，滿足為狀態噪聲方差。