本發(fā)明涉及混凝土中鋼筋腐蝕速率的預(yù)測(cè)方法，具體是一種混凝土中鋼筋腐蝕速率的概率預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

受混凝土碳化和氯離子侵蝕作用的影響，在役鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)往往發(fā)生鋼筋腐蝕，導(dǎo)致耐久性退化。由于鋼筋腐蝕速率是決定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性退化快慢的關(guān)鍵參數(shù)，所以鋼筋腐蝕速率的分析與預(yù)測(cè)對(duì)于在役鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命評(píng)估和維護(hù)加固決策具有重要意義。

中國(guó)專利申請(qǐng)201010253580.7公開(kāi)了一種鋼筋混凝土在線腐蝕檢測(cè)儀及方法，利用由圓盤電極、極化回路和電流約束回路組成的檢測(cè)儀裝置測(cè)試混凝土中的鋼筋腐蝕速率。

中國(guó)專利申請(qǐng)201220065238.9公開(kāi)了一種測(cè)量混凝土中鋼筋宏電池電流腐蝕速率的裝置。該裝置由集成運(yùn)放、多階低通濾波器、ad轉(zhuǎn)換器、電腦連接線、液晶顯示屏、高速單片機(jī)、集成運(yùn)放、參比電極、溫度感應(yīng)器以及電阻和導(dǎo)線組成，能夠測(cè)量鋼筋腐蝕宏電流以及陽(yáng)極和陰極耦合后的腐蝕電位。

上述兩種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法均需要配置特殊的檢測(cè)儀裝置，而且由于鋼筋腐蝕速率的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試精度受測(cè)點(diǎn)位置、鋼筋空間分布、環(huán)境溫度和相對(duì)濕度、以及混凝土中氯離子含量的影響，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果離散性較大。鑒于此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于鋼筋腐蝕速率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了混凝土中鋼筋腐蝕速率的確定性經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型。

2004年蔣德穩(wěn)、李果、袁迎曙發(fā)表的一篇名稱為《混凝土內(nèi)鋼筋腐蝕速度多因素影響的試驗(yàn)研究》的論文中，基于人工氣候環(huán)境下的鋼筋加速腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合考慮水灰比、環(huán)境溫度和環(huán)境相對(duì)濕度的影響，建立了鋼筋腐蝕速率的確定性經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型。

2004年李果發(fā)表的一篇名稱為《鋼筋混凝土耐久性的環(huán)境行為與基本退化模型研究》的學(xué)位論文中，考慮環(huán)境相對(duì)濕度、水灰比和氯離子含量的影響，建立了氯鹽環(huán)境下鋼筋腐蝕速率的確定性經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型。

2009年pour-ghazm.、isgoro.b.和ghodsp.發(fā)表于《corrosionscience》的一篇名稱為《theeffectoftemperatureonthecorrosionofsteelinconcrete.part1:simulatedpolarizationresistancetestsandmodeldevelopment》的論文中，綜合考慮溫度、極限電流密度和混凝土電阻率的影響，建立了鋼筋腐蝕速率的確定性經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型。

2013年毋銘發(fā)表的一篇名稱為《混凝土中鋼筋的腐蝕機(jī)理及腐蝕速率實(shí)用預(yù)測(cè)模型研究》的學(xué)位論文中，以混凝土的水灰比、氯離子含量以及空氣相對(duì)濕度作為控制參數(shù)，建立了鋼筋腐蝕速率的確定性經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型，但是無(wú)法考慮環(huán)境溫度對(duì)鋼筋腐蝕速率的影響。

上述混凝土中鋼筋腐蝕速率的確定性經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型，是基于最小二乘法回歸分析確定的，只能從均值意義上保證預(yù)測(cè)結(jié)果的總體最優(yōu)，無(wú)法描述混凝土中鋼筋腐蝕速率的概率分布特性。然而，由于混凝土原材料、混凝土內(nèi)部缺陷和孔隙分布、以及鋼筋的空間分布存在隨機(jī)性，導(dǎo)致在相同的材料參數(shù)和環(huán)境條件下，混凝土中的鋼筋腐蝕速率往往具有顯著的隨機(jī)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種混凝土中鋼筋腐蝕速率的概率預(yù)測(cè)方法，能夠克服傳統(tǒng)確定性經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型所存在的缺陷。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種混凝土中鋼筋腐蝕速率的概率預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：

(1)產(chǎn)生概率模型參數(shù)的隨機(jī)樣本點(diǎn)：確定概率模型參數(shù)θi(i＝1,2,…,6)的概率分布類型、均值、標(biāo)準(zhǔn)差和相關(guān)系數(shù)，并利用蒙特卡洛法進(jìn)行隨機(jī)抽樣，每個(gè)概率模型參數(shù)θi(i＝1,2,…,6)產(chǎn)生n個(gè)隨機(jī)樣本點(diǎn)θij(i＝1,…2,j＝,6；n)；

(2)計(jì)算鋼筋腐蝕速率的隨機(jī)樣本點(diǎn)：根據(jù)混凝土的水灰比rw/c和氯離子含量ccl-，以及混凝土結(jié)構(gòu)所在環(huán)境的溫度t和相對(duì)濕度rrh，結(jié)合步驟(1)中概率模型參數(shù)θi(i＝1,2,…,6)的隨機(jī)樣本點(diǎn)θij(i＝1,2,…,6；j＝1,2,...,n)，利用鋼筋腐蝕速率icorr的隨機(jī)樣本點(diǎn)計(jì)算模型，計(jì)算鋼筋腐蝕速率icorr的n個(gè)隨機(jī)樣本點(diǎn)icorr,j(j＝1,2,...,n)，所述的鋼筋腐蝕速率icorr的隨機(jī)樣本點(diǎn)icorr,j(j＝1,2,...,n)的計(jì)算模型為：

式中，icorrj,(j＝1,2,...,n)為鋼筋腐蝕速率的第j個(gè)隨機(jī)樣本點(diǎn)，單位為μa/cm²；θij(i＝1,2,…,6；j＝1,2,...,n)為概率模型參數(shù)θi(i＝1,2,…,6)的第j個(gè)隨機(jī)樣本點(diǎn)；rw/c為水灰比；為混凝土中氯離子含量占混凝土質(zhì)量的百分比；t為混凝土結(jié)構(gòu)所在環(huán)境的溫度，單位為℃；rrh為混凝土結(jié)構(gòu)所在環(huán)境的相對(duì)濕度，單位為％；ξ為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布隨機(jī)變量；

(3)計(jì)算鋼筋腐蝕速率的均值和標(biāo)準(zhǔn)差：根據(jù)步驟(2)中鋼筋腐蝕速率icorr的n個(gè)隨機(jī)樣本點(diǎn)icorr,j(j＝1,2,...,n)，利用鋼筋腐蝕速率icorr的均值和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算模型，計(jì)算鋼筋腐蝕速率icorr的均值和標(biāo)準(zhǔn)差所述的鋼筋腐蝕速率icorr的均值和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算模型分別為：

式中，n為隨機(jī)樣本點(diǎn)的數(shù)目。

所述的概率模型參數(shù)θi(i＝1,2,…,6)的概率分布類型、均值標(biāo)準(zhǔn)差和相關(guān)系數(shù)為：

所述的隨機(jī)樣本點(diǎn)的數(shù)目n的范圍為5000到1000000。

本發(fā)明的有益效果在于：

綜合考慮混凝土的水灰比和氯離子含量，以及混凝土結(jié)構(gòu)所在環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度的影響，首次提出一種混凝土中鋼筋腐蝕速率的概率預(yù)測(cè)方法，不僅能夠合理描述混凝土中鋼筋腐蝕速率的概率分布特性，而且還能夠校準(zhǔn)傳統(tǒng)確定性經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)精度，從而克服傳統(tǒng)確定性經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型無(wú)法描述混凝土中鋼筋腐蝕速率的概率分布特性所存在的缺陷。

附圖說(shuō)明

圖1概率模型參數(shù)θ1的10000個(gè)隨機(jī)樣本點(diǎn)。

圖2概率模型參數(shù)θ2的10000個(gè)隨機(jī)樣本點(diǎn)。

圖3概率模型參數(shù)θ3的10000個(gè)隨機(jī)樣本點(diǎn)。

圖4概率模型參數(shù)θ4的10000個(gè)隨機(jī)樣本點(diǎn)。

圖5概率模型參數(shù)θ5的10000個(gè)隨機(jī)樣本點(diǎn)。

圖6概率模型參數(shù)θ6的10000個(gè)隨機(jī)樣本點(diǎn)。

圖7概率模型參數(shù)θ1和θ2之間的散點(diǎn)分布和相關(guān)系數(shù)

圖8概率模型參數(shù)θ1和θ4之間的散點(diǎn)分布和相關(guān)系數(shù)

圖9鋼筋腐蝕速率icorr的10000個(gè)隨機(jī)樣本點(diǎn)。

圖10本發(fā)明的預(yù)測(cè)值以及確定性經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型a1、a2和a3的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析。

圖11鋼筋腐蝕速率icorr的10000個(gè)隨機(jī)樣本點(diǎn)。

圖12本發(fā)明的預(yù)測(cè)值以及確定性經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型a1、a2和a3的預(yù)測(cè)值與鋼筋腐蝕速率的測(cè)試值的對(duì)比分析。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案以及有效性和優(yōu)越性作進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1

本實(shí)例為利用本發(fā)明確定混凝土中鋼筋腐蝕速率的概率預(yù)測(cè)值，并與傳統(tǒng)確定性經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型的計(jì)算值以及鋼筋腐蝕速率的實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析的具體實(shí)例，包括以下步驟：

(1)產(chǎn)生概率模型參數(shù)的隨機(jī)樣本點(diǎn)：

確定概率模型參數(shù)θi(i＝1,2,…,6)的概率分布類型、均值、標(biāo)準(zhǔn)差和相關(guān)系數(shù)，如表1：

表1θi(i＝1,2,…,6)的概率分布類型、均值標(biāo)準(zhǔn)差和相關(guān)系數(shù)

根據(jù)表1中概率模型參數(shù)θi(i＝1,2,…,6)的概率分布類型、均值、標(biāo)準(zhǔn)差和相關(guān)系數(shù)，利用蒙特卡洛法進(jìn)行隨機(jī)抽樣，每個(gè)概率模型參數(shù)θi(i＝1,2,…,6)產(chǎn)生n個(gè)隨機(jī)樣本點(diǎn)θij(i＝1,2,…,6；j＝1,2,...,n)。本實(shí)例的樣本數(shù)目選取為n＝10000。概率模型參數(shù)θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6各自的10000個(gè)隨機(jī)樣本點(diǎn)分別如圖1至圖6所示；利用概率模型參數(shù)θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6各自的10000個(gè)隨機(jī)樣本點(diǎn)，可以進(jìn)一步分析概率模型參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)，以概率模型參數(shù)θ1和θ2以及θ1和θ4為例，其散點(diǎn)分布和相關(guān)系數(shù)分別如圖7和圖8所示。

(2)計(jì)算鋼筋腐蝕速率的隨機(jī)樣本點(diǎn)：

根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的配合比設(shè)計(jì)資料和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)可知，混凝土的水灰比rw/c＝0.43、氯離子含量ccl-＝0.14，混凝土結(jié)構(gòu)所在環(huán)境的溫度t＝39.41℃、相對(duì)濕度rrh＝75％。將步驟(1)中概率模型參數(shù)的隨機(jī)樣本點(diǎn)θij(i＝1,2,…,6；j＝1,2,...,10000)，帶入鋼筋腐蝕速率icorr的隨機(jī)樣本點(diǎn)計(jì)算模型

計(jì)算得到鋼筋腐蝕速率icorr的10000個(gè)隨機(jī)樣本點(diǎn)，如圖9所示。

(3)計(jì)算鋼筋腐蝕速率的均值和標(biāo)準(zhǔn)差：

由步驟(2)中得到的鋼筋腐蝕速率icorr的10000個(gè)隨機(jī)樣本點(diǎn)icorr,j(j＝1,2,...,10000)，利用鋼筋腐蝕速率icorr的均值和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算模型計(jì)算鋼筋腐蝕速率icorr的均值和標(biāo)準(zhǔn)差

為了驗(yàn)證本發(fā)明的有效性和適用性，選取國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的混凝土中鋼筋腐蝕速率的三種確定性經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行對(duì)比分析，分別為：模型a1(參見(jiàn)論文(1)蔣德穩(wěn),李果,袁迎曙.混凝土內(nèi)鋼筋腐蝕速度多因素影響的試驗(yàn)研究[j].混凝土,2004,(7):3-4+11)、模型a2(參見(jiàn)論文(2)李果.鋼筋混凝土耐久性的環(huán)境行為與基本退化模型研究[d].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，2004.)和模型a3(參見(jiàn)論文(3)pour-ghazm.,isgoro.b.,ghodsp.theeffectoftemperatureonthecorrosionofsteelinconcrete.part1:simulatedpolarizationresistancetestsandmodeldevelopment[j].corrosionscience,2009,51(2):415-425.)。根據(jù)混凝土的水灰比rw/c＝0.43、氯離子含量以及混凝土結(jié)構(gòu)所在環(huán)境的溫度t＝39.41℃和相對(duì)濕度rrh＝75％，利用模型a1、模型a2和模型a3分別計(jì)算混凝土中的鋼筋腐蝕速率，分別記為和

根據(jù)本發(fā)明所確定的鋼筋腐蝕速率icorr的均值和標(biāo)準(zhǔn)差經(jīng)過(guò)k-s檢驗(yàn)，混凝土中鋼筋腐蝕速率不拒絕服從正態(tài)分布，所以可以根據(jù)本發(fā)明所確定的鋼筋腐蝕速率icorr的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，利用概率密度分布來(lái)描述鋼筋腐蝕速率icorr的概率分布特性，如圖10所示。由圖10可知，由本發(fā)明所確定的均值鋼筋腐蝕速率的實(shí)測(cè)值說(shuō)明本發(fā)明的均值與實(shí)測(cè)值吻合較好，預(yù)測(cè)精度較高；由模型a1、模型a2、模型a3計(jì)算的鋼筋腐蝕速率分別為和由圖10可知，三個(gè)確定性經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果相差較大，其中模型a1的預(yù)測(cè)結(jié)果明顯偏大，而模型a2的預(yù)測(cè)結(jié)果明顯偏小。

實(shí)施例2

本實(shí)例為確定混凝土中鋼筋腐蝕速率的概率預(yù)測(cè)值的具體實(shí)例，包括以下步驟：

(1)產(chǎn)生概率模型參數(shù)的隨機(jī)樣本點(diǎn)：

確定概率模型參數(shù)θi(i＝1,2,…,6)的概率分布類型、均值、標(biāo)準(zhǔn)差和相關(guān)系數(shù)，如表1。根據(jù)表1中概率模型參數(shù)θi(i＝1,2,…,6)的概率分布類型、均值、標(biāo)準(zhǔn)差和相關(guān)系數(shù)，利用蒙特卡洛法進(jìn)行隨機(jī)抽樣，每個(gè)概率模型參數(shù)θi(i＝1,2,…,)6產(chǎn)生n個(gè)隨機(jī)樣本點(diǎn)θij(i＝1,2,…,6；j＝1,2,...,n)。本實(shí)例的樣本數(shù)目選取為n＝10000。概率模型參數(shù)θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6各自的10000個(gè)隨機(jī)樣本點(diǎn)分別如圖1至圖6所示；利用概率模型參數(shù)θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6各自的10000個(gè)隨機(jī)樣本點(diǎn)，可以進(jìn)一步分析概率模型參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)，以概率模型參數(shù)θ1和θ2以及θ1和θ4為例，其散點(diǎn)分布和相關(guān)系數(shù)分別如圖7和圖8所示。

(2)計(jì)算鋼筋腐蝕速率的隨機(jī)樣本點(diǎn)：

根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的配合比設(shè)計(jì)資料和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)可知，混凝土的水灰比rw/c＝0.43、氯離子含量以及混凝土結(jié)構(gòu)所在環(huán)境的溫度t＝33℃、相對(duì)濕度rrh＝75％。將步驟(1)中概率模型參數(shù)的隨機(jī)樣本點(diǎn)θij(i＝1,2,…,6；j＝1,2,...,10000)，帶入鋼筋腐蝕速率icorr的隨機(jī)樣本點(diǎn)計(jì)算模型

計(jì)算得到鋼筋腐蝕速率icorr的10000個(gè)隨機(jī)樣本點(diǎn)，如圖11所示。

(3)計(jì)算鋼筋腐蝕速率的均值和標(biāo)準(zhǔn)差：

由步驟(2)中得到的鋼筋腐蝕速率icorr的10000個(gè)隨機(jī)樣本點(diǎn)icorr,j(j＝1,2,...,10000)，利用鋼筋腐蝕速率icorr的均值和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算模型計(jì)算鋼筋腐蝕速率icorr的均值和標(biāo)準(zhǔn)差

在混凝土結(jié)構(gòu)上選取兩個(gè)相鄰測(cè)試點(diǎn)測(cè)試鋼筋腐蝕速率，實(shí)測(cè)值分別為和說(shuō)明這兩個(gè)相鄰測(cè)點(diǎn)的鋼筋腐蝕速率的實(shí)測(cè)值存在差異，其主要原因在于混凝土原材料、混凝土內(nèi)部缺陷和孔隙分布、以及鋼筋的空間分布存在隨機(jī)性，從而導(dǎo)致在相同的材料參數(shù)和環(huán)境條件下，兩個(gè)相鄰測(cè)點(diǎn)的鋼筋腐蝕速率的實(shí)測(cè)值存在差異。

根據(jù)本發(fā)明所確定的鋼筋腐蝕速率icorr的均值和標(biāo)準(zhǔn)差經(jīng)過(guò)k-s檢驗(yàn)，混凝土中鋼筋腐蝕速率不拒絕服從正態(tài)分布，所以可以根據(jù)本發(fā)明所確定的鋼筋腐蝕速率icorr的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，利用概率密度分布來(lái)描述鋼筋腐蝕速率icorr的概率分布特性，如圖12所示。同時(shí)，利用概率密度分布還可以校準(zhǔn)傳統(tǒng)確定性經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)精度，如圖12所示。由圖12可知，模型a1的預(yù)測(cè)值遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)值和本發(fā)明的均值，說(shuō)明預(yù)測(cè)結(jié)果明顯偏大；相反，模型a2的預(yù)測(cè)值遠(yuǎn)小于實(shí)測(cè)值和本發(fā)明的均值，說(shuō)明預(yù)測(cè)結(jié)果明顯偏?。慌c模型a1和模型a2相比，模型a3的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值和本發(fā)明的均值更加接近，說(shuō)明模型a3的預(yù)測(cè)精度相對(duì)更高。

從以上兩個(gè)實(shí)例可以看出，本發(fā)明能夠根據(jù)混凝土的水灰比和氯離子含量，以及混凝土結(jié)構(gòu)所在環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度，確定混凝土中鋼筋腐蝕速率的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)而利用概率密度分布，不僅能夠合理描述混凝土中鋼筋腐蝕速率的概率分布特性，而且還能夠校準(zhǔn)傳統(tǒng)確定性經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)精度，從而可以克服傳統(tǒng)確定性經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型無(wú)法描述混凝土中鋼筋腐蝕速率的概率分布特性所存在的缺陷。