CN111638322B - 一种基于Birnbaum-Saunders分布的混凝土耐久性寿命预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于Birnbaum‑Saunders分布的混凝土耐久性寿命预测方法，该方法简便、可靠性高、适用范围广，其简便性体现在只需检测得到混凝土动弹性模量值便可通过该方法进行寿命预测，而无需做大量实验获得相应的参数，可靠性高体现在在寿命预测过程未对动弹性模量值进行拟合或采用数学假设，适用范围广体现在可对各类混凝土服役环境进行寿命预测，既包括腐蚀环境，也包括因气候变化产生的冻融损伤、干湿循环环境，解决了目前寿命预测技术适用范围窄，计算复杂，预测成本高等一系列问题。
Description
技术领域
本发明属于土木工程技术领域，更具体的说是涉及一种基于Birnbaum-Saunders分布的混凝土耐久性寿命预测方法。
背景技术
在土木工程领域，精确预测混凝土服役寿命，不仅对混凝土结构的安全使用具有重要保证作用，而且还可在其失效破坏之前进行必要的加固维修。然而由于我国地域广阔，气候复杂多变，影响混凝土耐久性因素众多，且不同因素损伤劣化机理不同，使得实现混凝土寿命精准预测较为困难。同时，目前混凝土寿命预测方法多基于Fick第二定律建立起来的数学模型，不仅需要通过破损方法得到氯离子、CO2等的扩散深度，而且数学模型复杂，考虑因素较多，需要较多参数，不利于实现快速、准确地寿命预测。此外，还有一部分寿命预测基于损伤演化方程，该方法不仅需要大量的、系统实验确定各项参数，而且该方法只能针对某种特定的损伤过程，因此在实际工程中也难广泛应用。
因此研发一种准确、方便、快捷且适用范围广的混凝土耐久性寿命预测方法是本领域人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于Birnbaum-Saunders分布的混凝土耐久性寿命预测方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于Birnbaum-Saunders分布的混凝土耐久性寿命预测方法，包括以下步骤：
(1)检测混凝土初始动弹性模量E0、在某一服役环境中服役t时刻的动弹性模量Ej(t)和相邻tj-1时刻的动弹性模量Ej-1(t)；
(2)输入Ej(t)和Ej-1(t)，根据公式Erj(t)＝Ej(t)/E0和Erj-1(t)＝Ej-1(t)/E0计算t时刻的相对动弹性模量Erj(t)和相邻tj-1时刻的相对动弹性模量Erj-1(t)；
(3)输入Erj(t)和Erj-1(t)，根据公式ΔEj＝(Erj(t)-Erj-1(t))/Δt计算第j次测试相邻两时刻相对动弹性模量经时变化值；
其中，1≤j≤n，n为正整数，n＞1，Δt为t时刻和tj-1时刻间隔的天数；
(4)输入ΔEj，根据公式
计算n次测试相邻两时刻相对动弹性模量经时变化值的均值；
输入ΔEj和μ，根据公式
计算n次测试相邻两时刻相对动弹性模量经时变化值的标准差；
(5)取
T表示基于Birnbaum-Saunders分布混凝土动弹性模量首次到达安全阈值
的时间，取安全阈值
(6)输入
μ和σ，根据公式
和
计算Birnbaum-Saunders分布的形状参数α与尺度参数β；
(7)输入形状参数α与尺度参数β，根据公式
计算基于Birnbaum-Saunders分布混凝土动弹性模量退化指标在不同服役时间下可靠度，并绘制混凝土寿命分布预测曲线，评估混凝土寿命，定义可靠度值降为零时所用时间为混凝土耐久性寿命，其中，Φ(·)为标准正态分布函数。
本发明的有益效果是：本发明提供了一个简便、可靠性高、适用范围广的寿命预测方法，其简便性体现在只需检测得到混凝土动弹性模量值便可通过该方法进行寿命预测，而无需做大量实验获得相应的参数，可靠性高体现在在寿命预测过程未对动弹性模量值进行拟合或采用数学假设，适用范围广体现在可对各类混凝土服役环境进行寿命预测，既包括腐蚀环境，也包括因气候变化产生的冻融损伤、干湿循环环境，解决了目前寿命预测技术适用范围窄，计算复杂，预测成本高等一系列问题。
附图说明
图1为C35试件、C40试件、C45试件可靠度图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种基于Birnbaum-Saunders分布的混凝土耐久性寿命预测方法，包括以下步骤：
(1)检测混凝土初始动弹性模量E0、在某一服役环境中服役t时刻的动弹性模量Ej(t)和相邻tj-1时刻的动弹性模量Ej-1(t)；
(2)输入Ej(t)和Ej-1(t)，根据公式Erj(t)＝Ej(t)/E0和Erj-1(t)＝Ej-1(t)/E0计算t时刻的相对动弹性模量Erj(t)和相邻tj-1时刻的相对动弹性模量Erj-1(t)；
(3)输入Erj(t)和Erj-1(t)，根据公式ΔEj＝(Erj(t)-Erj-1(t))/Δt计算第j次测试相邻两时刻相对动弹性模量经时变化值；
其中，1≤j≤n，n为正整数，n＞1，Δt为t时刻和tj-1时刻间隔的天数；
(4)输入ΔEj，根据公式
计算n次测试相邻两时刻相对动弹性模量经时变化值的均值；
输入ΔEj和μ，根据公式
计算n次测试相邻两时刻相对动弹性模量经时变化值的标准差；
(5)取
T表示基于Birnbaum-Saunders分布混凝土动弹性模量首次到达安全阈值
的时间，取安全阈值
(6)输入
μ和σ，根据公式
和
计算Birnbaum-Saunders分布的形状参数α与尺度参数β；
(7)输入形状参数α与尺度参数β，根据公式
计算基于Birnbaum-Saunders分布混凝土动弹性模量退化指标在不同服役时间下可靠度，并绘制混凝土寿命分布预测曲线，评估混凝土寿命，定义可靠度值降为零时所用时间为混凝土耐久性寿命，其中，Φ(·)为标准正态分布函数。
实施例2
(1)采用如下成分配比成型混凝土，混凝土成分配比见表1：
表1混凝土成分配比(Kg/m3)
| 试件编号 | 水泥 | 粉煤灰 | 粗骨料 | 细集料 | 水 | 减水剂 | 阻锈剂 | 水胶比 |
| C35试件 | 300 | 90 | 1153 | 621 | 148.2 | 1.8 | 36 | 0.38 |
| C40试件 | 320 | 96 | 1111 | 681 | 145.6 | 2.1 | 36 | 0.35 |
| C45试件 | 340 | 102 | 1100 | 720 | 141.5 | 3.5 | 36 | 0.32 |
(2)进行耐久性试验
将标准养护28天混凝土试件，置于格尔木盐渍土环境中进行现场试验，每隔150天检测混凝土试件动弹性模量值，获得动弹性模量数据见表2：
表2动弹性模量数据(GPa)
| 试件编号 | 0天 | 150天 | 300天 | 450天 | 600天 | 750天 | 900天 | 1050天 |
| C35试件 | 34.80 | 37.59 | 34.94 | 34.39 | 33.02 | 33.29 | 30.67 | 29.54 |
| C40试件 | 39.40 | 43.01 | 40.89 | 41.97 | 38.19 | 37.09 | 35.98 | 35.17 |
| C45试件 | 43.60 | 48.19 | 46.56 | 47.15 | 44.00 | 43.51 | 41.41 | 40.74 |
(3)计算不同测量周期下混凝土相对动弹性模量值，j表示测量动弹性模量的次数，其相邻次数分别为为j-1、j+1，且1≤j≤n，n为正整数，n＞1，E0为试验开始前混凝土动弹性模量值，Ej(t)为试验开始后第j次所测混凝土动弹性模量值，Erj(t)为试验开始后第j次混凝土相对动弹性模量值，则Erj(t)＝Ej(t)/E0，计算结果见表3：
表3相对动弹性模量值
| 试件编号 | 0天 | 150天 | 300天 | 450天 | 600天 | 750天 | 900天 | 1050天 |
| C35试件 | 1.0000 | 1.0801 | 1.0041 | 0.9884 | 0.9489 | 0.9567 | 0.8813 | 0.8489 |
| C40试件 | 1.0000 | 1.0917 | 1.0377 | 1.0653 | 0.9692 | 0.9414 | 0.9133 | 0.8926 |
| C45试件 | 1.0000 | 1.1054 | 1.0680 | 1.0814 | 1.0092 | 0.9979 | 0.9498 | 0.9344 |
(4)计算相对动弹性模量经时变化值，记相对动弹性模量经时变化值为ΔEj；Δt为相邻试件间隔天数，本实施例中Δt＝150天；则ΔEj＝(Erj(t)-Erj-1(t))/Δt，计算结果见表4：
表4相对动弹性模量经时变化值
(5)计算相对动弹性模量经时变化值的均值与方差，
计算结果见表5：
表5动弹性模量退化量均值与方差
(6)计算形状α参数与尺度参数β，其中
式中
为相对动弹性模量阈值，其值
可得各混凝土形状形状参数与尺度参数见表6：
表6形状参数与尺度参数计算表
| 试件编号 | α | β |
| C35试件 | 7.059E-02 | 6.406E+03 |
| C40试件 | 6.191E-02 | 3.911E+03 |
| C45试件 | 5.434E-02 | 2.780E+03 |
(7)将表6形状参数与尺度参数带入式
中利用Matlab软件计算可靠度，并利用Origin9.0绘图，如图1所示；
(8)定义可靠度值降为零时所得时间为混凝土耐久性寿命，可得格尔木盐渍土环境中C35、C40、C45三类强度等级混凝土耐久性寿命分别为3160天、4520天、7550天。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (1)
1.一种基于Birnbaum-Saunders分布的混凝土耐久性寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)检测混凝土初始动弹性模量E0、在某一服役环境中服役t时刻的动弹性模量Ej(t)和相邻tj-1时刻的动弹性模量Ej-1(t)；
(2)输入Ej(t)和Ej-1(t)，根据公式Erj(t)＝Ej(t)/E0和Erj-1(t)＝Ej-1(t)/E0计算t时刻的相对动弹性模量Erj(t)和相邻tj-1时刻的相对动弹性模量Erj-1(t)；
(3)输入Erj(t)和Erj-1(t)，根据公式ΔEj＝(Erj(t)-Erj-1(t))/Δt计算第j次测试相邻两时刻相对动弹性模量经时变化值；
其中，1≤j≤n，n为正整数，n＞1，Δt为t时刻和tj-1时刻间隔的天数；
(4)输入ΔEj，根据公式
计算n次测试相邻两时刻相对动弹性模量经时变化值的均值；
输入ΔEj和μ，根据公式
计算n次测试相邻两时刻相对动弹性模量经时变化值的标准差；
(5)取
T表示基于Birnbaum-Saunders分布混凝土动弹性模量首次到达安全阈值
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μ和σ，根据公式
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计算基于Birnbaum-Saunders分布混凝土动弹性模量退化指标在不同服役时间下可靠度，并绘制混凝土寿命分布预测曲线，评估混凝土寿命，定义可靠度值降为零时所用时间为混凝土耐久性寿命，其中，Φ(·)为标准正态分布函数。
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| CN112949185B (zh) * | 2021-03-05 | 2022-03-08 | 南京工程学院 | 一种多因素混凝土冻融的粒子滤波寿命预测方法 |
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| CN110568167B (zh) * | 2019-09-10 | 2022-08-30 | 中国长江三峡集团有限公司 | 一种预判自然环境下混凝土长期耐久性能的无损检测方法 |
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2020
- 2020-07-14 CN CN202010675026.1A patent/CN111638322B/zh active Active
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