CN115422639B - 腐蚀环境中地下工程结构服役状态仿真与寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种腐蚀环境中地下工程结构服役状态仿真与寿命预测方法，包括：针对待仿真的地下工程结构，基于系统动力学方法，构建工程结构服役状态预测系统动力学模型；其中，该模型包括地质环境子系统、混凝土服役子系统、钢筋服役子系统和结构可靠度子系统；基于构建的模型动态模拟腐蚀环境中地下工程结构的服役状态，得出预设指标随时间的变化趋势，以预测出腐蚀环境中地下工程结构的服役寿命，以及腐蚀环境中地下工程结构的可靠度。本发明可以宏观的预测工程结构的服役过程，得出各指标随时间的变化趋势，为结构防护措施提供依据，以期为制定服役动态管理提供理论参考和借鉴。

Description

腐蚀环境中地下工程结构服役状态仿真与寿命预测方法

技术领域

本发明涉及地下工程结构服役状态仿真技术领域，特别涉及一种腐蚀环境中地下工程结构服役状态仿真与寿命预测方法。

背景技术

为保证矿山开采的可持续性，对于井筒支护安全的保证至关重要。支护部分由混凝土及其内部钢筋组成，当井筒穿过含水地层时，若遇到导水通道则外部混凝土会发生腐蚀，出现剥落、强度降低等现象；若混凝土腐蚀厚度加深则内部钢筋进而会受到腐蚀，产生的膨胀应力使钢筋混凝土结构可靠度进一步降低。若加之化学离子和温度的存在，则上述反应会加速，导致工程结构失效速度加快，严重威胁生产及人员安全。

在工程结构服役过程中，有多个环节相互影响、相互作用。首先地层是工程结构所处的环境，地层的情况是腐蚀发生的先决条件，其中在含水层地区中的化学离子浓度、温度、酸碱度是决定化学反应快慢的因素，决定腐蚀速度。其次有混凝土、钢筋是发生腐蚀的主体，混凝土的配合比、纤维掺量、养护时间是决定其密实度和强度的主要因素，同样影响腐蚀速度。内部包裹的钢筋是在混凝土之后受到腐蚀，其腐蚀后产生的膨胀应力影响混凝土内部的稳定，产生的裂纹会加速腐蚀。最后工程结构的可靠性是直观反应结构安全的环节，其受前几个环节的影响，又有反作用。如何宏观地通过各个环节的作用预测工程结构的腐蚀情况是保证工程结构安全的前提。

而目前尚无有效手段可实现对工程结构可靠性进行模拟预测。

发明内容

本发明提供了一种腐蚀环境中地下工程结构服役状态仿真与寿命预测方法，以解决目前尚无有效手段可实现对工程结构可靠性进行模拟预测的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种腐蚀环境中地下工程结构服役状态仿真与寿命预测方法，所述腐蚀环境中地下工程结构服役状态仿真与寿命预测方法包括：

针对待仿真的地下工程结构，基于系统动力学方法，构建工程结构服役状态预测系统动力学模型；其中，所述工程结构服役状态预测系统动力学模型包括地质环境子系统、混凝土服役子系统、钢筋服役子系统和结构可靠度子系统；

基于所述工程结构服役状态预测系统动力学模型，动态模拟腐蚀环境中地下工程结构的服役状态，得出预设指标随时间的变化趋势，以预测出腐蚀环境中地下工程结构的服役寿命，并动态预测出腐蚀环境中地下工程结构的可靠度。

进一步地，所述构建工程结构服役状态预测系统动力学模型，包括：

确定工程结构服役状态预测系统动力学模型各子系统中的因素；

确定工程结构服役状态预测系统动力学模型各子系统因素之间的反馈关系，确定各子系统间反馈关系，构建模型的因果回路图；

确定工程结构服役状态预测系统动力学模型各子系统因素变量类型；

确定工程结构服役状态预测系统动力学模型各子系统相关因素之间的方程，构建模型的存量流量图。

进一步地，所述地质环境子系统中的因素包括：地层温度、化学离子浓度、地层环境风险度、反应时间以及化学反应速度；

所述混凝土服役子系统中的因素包括：混凝土损伤变化率、混凝土损伤变化量、混凝土损伤程度、初始损伤、密实度变化率、配合比、纤维掺量、密实度变化量、养护时间、混凝土密实程度、腐蚀厚度变化率、腐蚀厚度变化量、粗糙度、混凝土厚度、渗透时间以及渗透速度；

所述钢筋服役子系统中的因素包括：钢筋损伤变化率、钢筋损伤变化量、钢筋损伤程度、钢筋强度、膨胀应力、预应力、钢筋尺寸、腐蚀速度、锈蚀厚度变化率、锈蚀厚度变化量以及钢筋腐蚀程度；

所述结构可靠度子系统中的因素包括：断面尺寸、安全尺寸、配筋比、可靠度变化率、可靠度变化量以及结构可靠度。

进一步地，所述因果回路图中包括：混凝土服役反馈回路、钢筋服役反馈回路以及结构服役反馈回路；其中，所述混凝土服役反馈回路和所述钢筋服役反馈回路为负反馈回路，所述结构服役反馈回路为正反馈回路；

所述混凝土服役反馈回路的内容为：离子浓度增加或地层温度增加导致混凝土腐蚀速度增加，混凝土腐蚀速度增加导致混凝土损伤度增加，混凝土损伤度增加导致混凝土密实度减小，混凝土密实度减小导致混凝土腐蚀程度增大，混凝土腐蚀程度增大导致离子浓度增加；

所述钢筋服役反馈回路的内容为：混凝土腐蚀程度增加导致钢筋腐蚀程度增加，钢筋腐蚀程度增加导致离子浓度增加，离子浓度增加导致钢筋腐蚀速度增加，钢筋腐蚀速度增加导致膨胀应力增加，膨胀应力增加导致钢筋损伤度增加，钢筋损伤度增加导致钢筋腐蚀程度增加；

所述结构服役反馈回路的内容为：混凝土腐蚀程度增加导致钢筋腐蚀程度增加，钢筋腐蚀程度增加导致断面尺寸减小，断面尺寸减小导致结构可靠度减小，结构可靠度减小导致混凝土腐蚀程度减小。

进一步地，所述因素变量类型包括状态变量、速率变量、辅助变量以及常数变量；其中，所述状态变量表示累计程度，所述速率变量表示随着时间的推移使水平变量的值增加或减少，所述辅助变量描述决策过程中状态变量和速率变量之间的信息传递和转换过程的中间变量，所述常数变量是研究期间保持不变或变化程度小于预设阈值的量；

所述混凝土损伤程度、混凝土密实程度、混凝土腐蚀程度、钢筋损伤程度、钢筋腐蚀程度、钢筋强度、断面尺寸和结构可靠度属于状态变量；

所述地层环境风险度、渗透速度、化学反应速度、腐蚀速度、混凝土损伤变化率、混凝土损伤变化量、腐蚀厚度变化量、密实度变化量、钢筋损伤变化量、锈蚀厚度变化量、锈蚀厚度变化率和可靠度变化量属于速率变量；

所述密实度变化率、钢筋损伤变化率和可靠度变化率属于辅助变量；

所述化学离子浓度、地层温度、初始损伤、纤维掺量、配合比、粗糙度、配筋比、安全尺寸、混凝土厚度、钢筋尺寸、膨胀应力、预应力、养护时间、渗透时间和反应时间属于常数变量。

进一步地，所述各子系统相关因素之间的方程包括：

在所述地质环境子系统中：

地层环境风险度＝(化学离子浓度+地层温度)/反应时间；

化学反应速度＝(化学离子浓度+地层温度)/反应时间+渗透速度；

地层温度、化学离子浓度和反应时间为常数；

在所述混凝土服役子系统中：

混凝土损伤变化率＝化学反应速度+地层环境风险度；

混凝土损伤变化量＝混凝土损伤程度*混凝土损伤变化率；

密实度变化量＝(密实度变化率*混凝土密实程度)+(纤维掺量+配合比)/养护时间；

混凝土密实程度＝INTEG(密实度变化量-混凝土损伤程度,30)；

混凝土损伤程度＝INTEG(混凝土损伤变化量,初始损伤)；

腐蚀厚度变化量＝腐蚀厚度变化率*(混凝土腐蚀程度+粗糙度)/密实度变化量*混凝土厚度；

渗透速度＝(-混凝土密实程度+混凝土腐蚀程度/混凝土厚度+钢筋腐蚀程度/钢筋尺寸)/渗透时间；

混凝土腐蚀程度＝INTEG(腐蚀厚度变化量,0)；

初始损伤、密实度变化率、配合比、纤维掺量、养护时间、粗糙度、混凝土厚度和渗透时间为常数；

在所述钢筋服役子系统中：

钢筋损伤变化量＝钢筋损伤变化率*(钢筋损伤程度+膨胀应力)；

钢筋损伤程度＝INTEG(钢筋损伤变化量+钢筋腐蚀程度,0)；

锈蚀厚度变化率＝腐蚀速度/钢筋尺寸；

锈蚀厚度变化量＝锈蚀厚度变化率*钢筋腐蚀程度+钢筋损伤变化量*钢筋尺寸；

腐蚀速度＝渗透速度*混凝土厚度；

钢筋腐蚀程度＝INTEG(锈蚀厚度变化量,0)；

钢筋强度＝INTEG(-钢筋损伤变化量*Time,预应力)；

钢筋损伤变化率、膨胀应力、预应力和钢筋尺寸为常数；

在所述结构可靠度子系统中：

断面尺寸＝INTEG(-腐蚀厚度变化量-锈蚀厚度变化量,1)；

可靠度变化量＝可靠度变化率*结构可靠度+(-断面尺寸/安全尺寸+配筋比)/TIME STEP；

结构可靠度＝INTEG(-1/(可靠度变化量*可靠度变化量),1)；

安全尺寸、配筋比和可靠度变化率为常数；

其中，INTEG表示积分函数，Time表示时间变量，TIME STEP表示单个时间步变量。

进一步地，基于所述工程结构服役状态预测系统动力学模型，动态模拟腐蚀环境下地下工程结构的服役状态，得出预设指标随时间的变化趋势，包括：

检查所述工程结构服役状态预测系统动力学模型，对所述工程结构服役状态预测系统动力学模型进行仿真模拟，动态模拟腐蚀环境下地下工程结构的服役状态，并在仿真模拟后进行模拟结果分析，得出预设指标随时间的变化趋势。

进一步地，进行模拟结果分析，得出预设指标随时间的变化趋势，包括：

对混凝土腐蚀程度、钢筋腐蚀程度、钢筋强度和结构可靠度进行分析，得到混凝土腐蚀程度、钢筋腐蚀程度、钢筋强度和结构可靠度随时间的变化趋势。

再一方面，本发明还提供了一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。

又一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。

本发明根据“腐蚀加地温”环境的仿真试验获得的结构和材料腐蚀机理与发展规律，基于系统动力学方法动态模拟了腐蚀环境下工程结构的服役状态，通过系统动力学方法预测服役寿命和动态预测结构可靠度。本实施例的系统动力学模型包括地层环境子系统、混凝土腐蚀子系统、钢筋腐蚀子系统、结构可靠度子系统，通过确定模型参数及计算方程进行仿真分析，可以宏观的预测工程结构的服役过程，得出各指标随时间的变化趋势，为结构防护措施提供依据，以期为制定服役动态管理提供理论参考和借鉴。其带来的有益效果至少包括：

1、本发明根据“腐蚀加地温”环境的仿真试验获得的结构和材料腐蚀机理与发展规律，基于系统动力学方法动态模拟了腐蚀环境下工程结构的服役状态，对工程结构服役过程进行全面分析，剖析了各子系统之间的关系，建立了各关联因素的计算方程，构建了基于系统动力学模型的工程结构服役预测方法。

2、本发明通过系统动力学方法预测服役寿命和动态预测结构可靠度，能够对工程结构服役过程进行宏观仿真模拟，实现了地面计算机进行远程操控，节省了人力物力。

3、本发明对混凝土、钢筋、结构服役参数进行预测，为工程结构防护工程留有缓冲时间，最大程度保障了工程结构服役安全和矿产资源生产安全。为合理及时调控提供科学参考，有利于工程结构保护和开采质量提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的工程结构服役状态预测系统动力学模型框架图；

图2是本发明实施例提供的工程结构服役状态预测系统动力学模型因果回路图；

图3是本发明实施例提供的工程结构服役状态预测系统动力学模型存量流量图；

图4是本发明实施例提供的某实际工况下的仿真结果图；其中，(a)为混凝土腐蚀程度变化趋势图，(b)为钢筋腐蚀程度变化趋势图，(c)为钢筋强度变化趋势图，(d)为结构可靠度变化趋势图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

第一实施例

本实施例提供了一种腐蚀环境中地下工程结构服役状态仿真与寿命预测方法，该方法通过构建工程结构服役状态预测系统动力学模型，并将模型分割为多个子系统进行分析、计算、仿真，得出在不同初始条件下的变化趋势，对工程结构可靠性进行模拟预测，为合理防护提供参考，保障矿产资源生产安全。

该腐蚀环境中地下工程结构服役状态仿真与寿命预测方法包括以下步骤：

S1，针对待仿真的地下工程结构，基于系统动力学方法，构建工程结构服役状态预测系统动力学模型；其中，工程结构服役状态预测系统动力学模型包括地质环境子系统、混凝土服役子系统、钢筋服役子系统和结构可靠度子系统；

该工程结构服役状态预测系统动力学模型如图1所示，其构建过程包括：

S11，确定工程结构服役状态预测系统动力学模型各子系统中的因素；

其中，地质环境子系统中的因素包括：地层温度、化学离子浓度、地层环境风险度、反应时间以及化学反应速度；混凝土服役子系统中的因素包括：混凝土损伤变化率、混凝土损伤变化量、混凝土损伤程度、初始损伤、密实度变化率、配合比、纤维掺量、密实度变化量、养护时间、混凝土密实程度、腐蚀厚度变化率、腐蚀厚度变化量、粗糙度、混凝土厚度、渗透时间以及渗透速度；钢筋服役子系统中的因素包括：钢筋损伤变化率、钢筋损伤变化量、钢筋损伤程度、钢筋强度、膨胀应力、预应力、钢筋尺寸、腐蚀速度、锈蚀厚度变化率、锈蚀厚度变化量以及钢筋腐蚀程度；结构可靠度子系统中的因素包括：断面尺寸、安全尺寸、配筋比、可靠度变化率、可靠度变化量以及结构可靠度。

S12，确定工程结构服役状态预测系统动力学模型各子系统因素之间的反馈关系，确定各子系统间反馈关系，构建如图2所示的模型因果回路图；

其中，上述模型因果回路图中涉及三条反馈回路，也即：混凝土服役反馈回路B1、钢筋服役反馈回路R2、结构服役反馈回路B3。其中，混凝土服役反馈回路、结构服役反馈回路为负反馈回路，钢筋服役反馈回路为正反馈回路。

混凝土服役反馈回路B1内容为：离子浓度增加、地层温度增加→+混凝土腐蚀速度增加→+混凝土损伤度增加→-混凝土密实度减小→+混凝土腐蚀程度增大→+离子浓度增加。

钢筋服役反馈回路R2内容为：混凝土腐蚀程度增加→+钢筋腐蚀程度增加→+离子浓度增加→+钢筋腐蚀速度增加→+膨胀应力增加→+钢筋损伤度增加→+钢筋腐蚀程度增加。

结构服役反馈回路B3内容为：混凝土腐蚀程度增加→+钢筋腐蚀程度增加→-断面尺寸减小→-结构可靠度减小→-混凝土腐蚀程度减小。

S13，确定工程结构服役状态预测系统动力学模型各子系统因素变量类型；

其中，因素变量类型包括状态变量、速率变量、辅助变量以及常数变量；状态变量表示累计程度，速率变量表示随着时间的推移使水平变量的值增加或减少，辅助变量描述决策过程中状态变量和速率变量之间的信息传递和转换过程的中间变量，常数变量是研究期间保持不变或变化甚微的量；

具体地，上述混凝土损伤程度、混凝土密实程度、混凝土腐蚀程度、钢筋损伤程度、钢筋腐蚀程度、钢筋强度、断面尺寸和结构可靠度属于状态变量；地层环境风险度、渗透速度、化学反应速度、腐蚀速度、混凝土损伤变化率、混凝土损伤变化量、腐蚀厚度变化量、密实度变化量、钢筋损伤变化量、锈蚀厚度变化量、锈蚀厚度变化率和可靠度变化量属于速率变量；密实度变化率、钢筋损伤变化率和可靠度变化率属于辅助变量；化学离子浓度、地层温度、初始损伤、纤维掺量、配合比、粗糙度、配筋比、安全尺寸、混凝土厚度、钢筋尺寸、膨胀应力、预应力、养护时间、渗透时间和反应时间属于常数变量。

S14，确定工程结构服役状态预测系统动力学模型各子系统相关因素之间的方程，构建如图3所示的模型存量流量图。

其中，各子系统相关因素之间的方程包括：

在地质环境子系统中：

地层环境风险度＝(化学离子浓度+地层温度)/反应时间；

化学反应速度＝(化学离子浓度+地层温度)/反应时间+渗透速度；

地层温度、化学离子浓度和反应时间为常数；

在混凝土服役子系统中：

混凝土损伤变化率＝化学反应速度+地层环境风险度；

混凝土损伤变化量＝混凝土损伤程度*混凝土损伤变化率；

密实度变化量＝(密实度变化率*混凝土密实程度)+(纤维掺量+配合比)/养护时间；

混凝土密实程度＝INTEG(密实度变化量-混凝土损伤程度,30)；

混凝土损伤程度＝INTEG(混凝土损伤变化量,初始损伤)；

腐蚀厚度变化量＝腐蚀厚度变化率*(混凝土腐蚀程度+粗糙度)/密实度变化量*混凝土厚度；

渗透速度＝(-混凝土密实程度+混凝土腐蚀程度/混凝土厚度+钢筋腐蚀程度/钢筋尺寸)/渗透时间；

混凝土腐蚀程度＝INTEG(腐蚀厚度变化量,0)；

初始损伤、密实度变化率、配合比、纤维掺量、养护时间、粗糙度、混凝土厚度和渗透时间为常数；

在钢筋服役子系统中：

钢筋损伤变化量＝钢筋损伤变化率*(钢筋损伤程度+膨胀应力)；

钢筋损伤程度＝INTEG(钢筋损伤变化量+钢筋腐蚀程度,0)；

锈蚀厚度变化率＝腐蚀速度/钢筋尺寸；

锈蚀厚度变化量＝锈蚀厚度变化率*钢筋腐蚀程度+钢筋损伤变化量*钢筋尺寸；

腐蚀速度＝渗透速度*混凝土厚度；

钢筋腐蚀程度＝INTEG(锈蚀厚度变化量,0)；

钢筋强度＝INTEG(-钢筋损伤变化量*Time,预应力)；

钢筋损伤变化率、膨胀应力、预应力和钢筋尺寸为常数；

在结构可靠度子系统中：

断面尺寸＝INTEG(-腐蚀厚度变化量-锈蚀厚度变化量,1)；

可靠度变化量＝可靠度变化率*结构可靠度+(-断面尺寸/安全尺寸+配筋比)/TIME STEP；

结构可靠度＝INTEG(-1/(可靠度变化量*可靠度变化量),1)；

安全尺寸、配筋比和可靠度变化率为常数；

其中，INTEG表示积分函数，Time表示时间变量，TIME STEP表示单个时间步变量。

S2，基于工程结构服役状态预测系统动力学模型，动态模拟腐蚀环境下地下工程结构的服役状态，得出预设指标随时间的变化趋势，以预测出腐蚀环境中地下工程结构的服役寿命，并动态预测出腐蚀环境中地下工程结构的可靠度；

具体地，基于工程结构服役状态预测系统动力学模型，动态模拟腐蚀环境下地下工程结构的服役状态，得出预设指标随时间的变化趋势，包括：

检查工程结构服役状态预测系统动力学模型，包含公式和量纲的检查；对模型进行仿真模拟，动态模拟腐蚀环境下地下工程结构的服役状态，并在仿真模拟后对预设指标进行模拟结果分析，得出预设指标随时间的变化趋势。

下面，采用系统动力学模拟仿真软件Vensim PLE，以某工况为研究对象，对本实施例的方法进行更为详细地说明，其主要包括以下几部分。

一、研究方法与模型构建

1、研究方法

本实施例采用系统动力学作为研究方法，其中，需要说明的是，系统动力学是分析相互作用、互相依靠的所有因素按照某些规律进行综合的手段，其根据系统内部组成要素互为因果的反馈特点的分析方法。通过系统动力学的方法构建模型进行仿真模拟，可以宏观的预测工程结构的服役过程，得出各指标随时间的变化趋势，为结构防护措施提供依据，以期为制定服役动态管理提供理论参考和借鉴。其中，系统动力学认为系统的行为模式与特性主要取决于其内部结构，反馈是指X影响Y，反过来Y通过一系列的因果链来影响X；不能通过孤立分析X与Y或Y与X的联系来分析系统的行为，需要将这个系统作为一个反馈系统才能得出正确结论。本实施例运用系统动力学的专业软件Vensim PLE进行建模，模型运行时间为20年，仿真步长为1年。

2、模型构建

工程结构服役状态预测系统动力学模型构建旨在反映工程结构服役过程，预测结构中主要腐蚀参数变化趋势。根据工程结构服役状态预测系统间的关联、功能和各变量的因果关系，遵循科学性、代表性、可获取性等原则，将工程结构服役状态预测系统分为四个子系统：地层环境子系统、混凝土服役子系统、钢筋服役子系统、结构可靠度子系统，各子系统相关因素选取见图1和图2。

(1)地质环境子系统：地层为工程结构服役所接触的外界环境，影响工程结构服役腐蚀初始发生状态。选取地层环境风险度、化学反应速度为速率变量，选取地层温度、化学离子浓度、反应时间为常数变量。

(2)混凝土服役子系统：混凝土是在结构最外层直接暴露的部分，是发生腐蚀的主体之一。选取混凝土损伤程度、混凝土密实程度、混凝土腐蚀程度为状态变量，选取渗透速度、混凝土损伤变化率、混凝土损伤变化量、腐蚀厚度变化量、密实度变化量为速率变量，选取密实度变化率为辅助变量，选取初始损伤、纤维掺量、配合比、粗糙度、混凝土厚度、渗透时间、养护时间为常数变量。

(3)钢筋服役子系统；钢筋是结构中被混凝土包裹的骨架部分，是发生腐蚀的另一主体。选取钢筋损伤程度、钢筋腐蚀程度、钢筋强度为状态变量，选取腐蚀速度、钢筋损伤变化量、锈蚀厚度变化量、锈蚀厚度变化率为速率变量，选取钢筋损伤变化率为辅助变量，选取钢筋尺寸、膨胀应力、预应力为常数变量。

(4)结构服役子系统：工程支护结构由混凝土和钢筋组成，受前三个子系统综合影响。选取断面尺寸、结构可靠度为状态变量，选取可靠度变化量为速率变量，选取可靠度变化率为辅助变量，选取安全尺寸、配筋比为常数变量。

二、结果分析

1、仿真模型校验

由于系统动力学模型的构建是一个循环往复逐渐接近目标的过程，在真正运行模型之前必须对模型参数进行反复修改和多次综合调试，保证模型的客观性和正确性，主要采用以下两种方法对工程结构服役状态预测模型进行检验：

(1)直观检验法

根据已有知识以及对系统动力学的掌握程度，直观地对模型变量和边界选择、因果关系和系统方程进行检验，并做出正确判断，经检验，所建立的系统动力学模型符合要求。

(2)历史检验法

利用某实际工况的各因素数据，代入上述模型和公式中，运行Vensim PLE软件中的Units Check和Check Model工具，对模型进行检验。

取四个深度进行模拟仿真，分别为：-500M、-1000M、-1500M、-2000M。对初始因素：化学离子浓度、地层温度的数据，进行归一化处理，以消除单位的影响，为简化运算过程取两个因素的系数为1。

经过模型调试，选取混凝土腐蚀程度、钢筋强度、钢筋腐蚀程度、结构可靠度四个状态变量进行分析。仿真结果如图4所示。

混凝土腐蚀程度随服役时间的增加而增加，呈正相关关系。在服役第15年之后，腐蚀有加速的状态。这是由于工程结构服役初期混凝土强度处在增加的状态，腐蚀进行的非常缓慢；而随着腐蚀的进行混凝土中的裂纹扩展，为腐蚀离子的进入提供了通道。

钢筋腐蚀程度随服役时间的增加而增加，呈正相关关系。在服役第15年之后，腐蚀有加速状态，这于混凝土腐蚀程度变化趋势有相似之处。这是由于混凝土腐蚀后钢筋受到腐蚀，两者受腐蚀进程近乎相同。

钢筋强度随服役时间的增加而减小，呈负相关关系。趋势曲线开口向下，表示强度变化随时间越来越快。这是由于钢筋在初期加上预应力后服役状态佳，在钢筋受到腐蚀后产生膨胀应力及腐蚀产物，强度下降，并且随着时间积累强度下降速度加快。

结构可靠度随服役时间的增加而减小，呈负相关关系，趋势曲线开口向下，表示可靠度变化随时间越来越快，尤其是在服役第15年之后。这是由于结构可靠度受混凝土和钢筋的状态影响，随着混凝土和钢筋受到腐蚀，结构的可靠度越来越来越小。在服役第15年之后，混凝土和钢筋腐蚀加速，结构可靠度变化也呈现加速趋势。

三、结论

本实施例构建了工程结构服役状态预测系统概念框架及系统动力学模型，结合直观检验和历史检验进行仿真模拟，得出如下结论：

工程结构服役状态预测系统由地层环境子系统、混凝土服役子系统、钢筋服役子系统、结构可靠度子系统4个子系统组成，各个子系统通过共通因素相联系，形成一个有机整体，驱动工程结构服役状态预测系统的发展演化。同时结合系统动力学模拟仿真软件Vensim PLE，通过科学设置关键变量参数，模拟某工况下各变量的演化趋势，对混凝土腐蚀程度、钢筋腐蚀程度、钢筋强度、结构可靠度的未来发展进行仿真预测。

通过仿模拟发现，若不采取防护措施，混凝土腐蚀程度和钢筋腐蚀程度呈现增加趋势，并在服役15年后增加降低，钢筋强度和工程结构可靠度呈现降低趋势，并且钢筋强度会在服役20年后降低60％左右，工程结构可靠度会在服役20年后降低40％左右，因此，根据模拟结果，为保障矿产生产安全需要在发生变化的时间节点及时采取防护措施。

综上，本实施例建立了工程结构服役状态预测框架及模型，概括了工程结构服役过程中38个影响因素及4个子系统，明确了其相互作用机制和计算方程，为工程结构防护提供依据。其中，需要说明的是，工程结构服役状态预测模型还需大量的数据和信息支持，才能全面反映内部变量之间的反馈关系。由于数据获取的限制，本实施例对工程结构服役状态预测系统变量选取有待进一步拓展，在后续研究中，需根据工程结构服役实际情况进一步完善。

第二实施例

本实施例提供一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现第一实施例的方法。

该电子设备可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器(central processing units，CPU)和一个或一个以上的存储器，其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行上述方法。

第三实施例

本实施例提供一种计算机可读存储介质，该存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现上述第一实施例的方法。其中，该计算机可读存储介质可以是ROM、随机存取存储器、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。其内存储的指令可由终端中的处理器加载并执行上述方法。

此外，需要说明的是，本发明可提供为方法、装置或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。

本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

Claims (3)

1.一种腐蚀环境中地下工程结构服役状态仿真与寿命预测方法，其特征在于，所述腐蚀环境中地下工程结构服役状态仿真与寿命预测方法包括：

针对待仿真的地下工程结构，基于系统动力学方法，构建工程结构服役状态预测系统动力学模型；其中，所述工程结构服役状态预测系统动力学模型包括地质环境子系统、混凝土服役子系统、钢筋服役子系统和结构可靠度子系统；

基于所述工程结构服役状态预测系统动力学模型，动态模拟腐蚀环境中地下工程结构的服役状态，得出预设指标随时间的变化趋势，以预测出腐蚀环境中地下工程结构的服役寿命，并动态预测出腐蚀环境中地下工程结构的可靠度；

所述构建工程结构服役状态预测系统动力学模型，包括：

确定工程结构服役状态预测系统动力学模型中各子系统中的因素；

确定工程结构服役状态预测系统动力学模型中各子系统因素之间的反馈关系，确定各子系统间的反馈关系，构建模型的因果回路图；

确定工程结构服役状态预测系统动力学模型中各子系统因素变量类型；

确定工程结构服役状态预测系统动力学模型中各子系统相关因素之间的方程，构建模型的存量流量图；

所述地质环境子系统中的因素包括：地层温度、化学离子浓度、地层环境风险度、反应时间以及化学反应速度；

所述混凝土服役子系统中的因素包括：混凝土损伤变化率、混凝土损伤变化量、混凝土损伤程度、初始损伤、密实度变化率、配合比、纤维掺量、密实度变化量、养护时间、混凝土密实程度、腐蚀厚度变化率、腐蚀厚度变化量、粗糙度、混凝土厚度、渗透时间以及渗透速度；

所述钢筋服役子系统中的因素包括：钢筋损伤变化率、钢筋损伤变化量、钢筋损伤程度、钢筋强度、膨胀应力、预应力、钢筋尺寸、腐蚀速度、锈蚀厚度变化率、锈蚀厚度变化量以及钢筋腐蚀程度；

所述结构可靠度子系统中的因素包括：断面尺寸、安全尺寸、配筋比、可靠度变化率、可靠度变化量以及结构可靠度；

所述因果回路图中包括：混凝土服役反馈回路、钢筋服役反馈回路以及结构服役反馈回路；其中，所述混凝土服役反馈回路和所述钢筋服役反馈回路为负反馈回路，所述结构服役反馈回路为正反馈回路；

所述混凝土服役反馈回路的内容为：离子浓度增加或地层温度增加导致混凝土腐蚀速度增加，混凝土腐蚀速度增加导致混凝土损伤度增加，混凝土损伤度增加导致混凝土密实度减小，混凝土密实度减小导致混凝土腐蚀程度增大，混凝土腐蚀程度增大导致离子浓度增加；

所述钢筋服役反馈回路的内容为：混凝土腐蚀程度增加导致钢筋腐蚀程度增加，钢筋腐蚀程度增加导致离子浓度增加，离子浓度增加导致钢筋腐蚀速度增加，钢筋腐蚀速度增加导致膨胀应力增加，膨胀应力增加导致钢筋损伤度增加，钢筋损伤度增加导致钢筋腐蚀程度增加；

所述结构服役反馈回路的内容为：混凝土腐蚀程度增加导致钢筋腐蚀程度增加，钢筋腐蚀程度增加导致断面尺寸减小，断面尺寸减小导致结构可靠度减小，结构可靠度减小导致混凝土腐蚀程度减小；

所述因素变量类型包括状态变量、速率变量、辅助变量以及常数变量；其中，所述状态变量表示累计程度，所述速率变量表示随着时间的推移使水平变量的值增加或减少，所述辅助变量描述决策过程中状态变量和速率变量之间的信息传递和转换过程的中间变量，所述常数变量是研究期间保持不变或变化程度小于预设阈值的量；

所述混凝土损伤程度、混凝土密实程度、混凝土腐蚀程度、钢筋损伤程度、钢筋腐蚀程度、钢筋强度、断面尺寸和结构可靠度属于状态变量；

所述地层环境风险度、渗透速度、化学反应速度、腐蚀速度、混凝土损伤变化率、混凝土损伤变化量、腐蚀厚度变化量、密实度变化量、钢筋损伤变化量、锈蚀厚度变化量、锈蚀厚度变化率和可靠度变化量属于速率变量；

所述密实度变化率、钢筋损伤变化率和可靠度变化率属于辅助变量；

所述化学离子浓度、地层温度、初始损伤、纤维掺量、配合比、粗糙度、配筋比、安全尺寸、混凝土厚度、钢筋尺寸、膨胀应力、预应力、养护时间、渗透时间和反应时间属于常数变量；

所述各子系统相关因素之间的方程包括：

在所述地质环境子系统中：

地层环境风险度＝(化学离子浓度+地层温度)/反应时间；

化学反应速度＝(化学离子浓度+地层温度)/反应时间+渗透速度；

地层温度、化学离子浓度和反应时间为常数；

在所述混凝土服役子系统中：

混凝土损伤变化率＝化学反应速度+地层环境风险度；

混凝土损伤变化量＝混凝土损伤程度*混凝土损伤变化率；

密实度变化量＝(密实度变化率*混凝土密实程度)+(纤维掺量+配合比)/养护时间；

混凝土密实程度＝INTEG(密实度变化量-混凝土损伤程度,30)；

混凝土损伤程度＝INTEG(混凝土损伤变化量,初始损伤)；

腐蚀厚度变化量＝腐蚀厚度变化率*(混凝土腐蚀程度+粗糙度)/密实度变化量*混凝土厚度；

渗透速度＝(-混凝土密实程度+混凝土腐蚀程度/混凝土厚度+钢筋腐蚀程度/钢筋尺寸)/渗透时间；

混凝土腐蚀程度＝INTEG(腐蚀厚度变化量,0)；

初始损伤、密实度变化率、配合比、纤维掺量、养护时间、粗糙度、混凝土厚度和渗透时间为常数；

在所述钢筋服役子系统中：

钢筋损伤变化量＝钢筋损伤变化率*(钢筋损伤程度+膨胀应力)；

钢筋损伤程度＝INTEG(钢筋损伤变化量+钢筋腐蚀程度,0)；

锈蚀厚度变化率＝腐蚀速度/钢筋尺寸；

锈蚀厚度变化量＝锈蚀厚度变化率*钢筋腐蚀程度+钢筋损伤变化量*钢筋尺寸；

腐蚀速度＝渗透速度*混凝土厚度；

钢筋腐蚀程度＝INTEG(锈蚀厚度变化量,0)；

钢筋强度＝INTEG(-钢筋损伤变化量*Time,预应力)；

钢筋损伤变化率、膨胀应力、预应力和钢筋尺寸为常数；

在所述结构可靠度子系统中：

断面尺寸＝INTEG(-腐蚀厚度变化量-锈蚀厚度变化量,1)；

可靠度变化量＝可靠度变化率*结构可靠度+(-断面尺寸/安全尺寸+配筋比)/TIMESTEP；

结构可靠度＝INTEG(-1/(可靠度变化量*可靠度变化量),1)；

安全尺寸、配筋比和可靠度变化率为常数；

其中，INTEG表示积分函数，Time表示时间变量，TIME STEP表示单个时间步变量。

2.如权利要求1所述的腐蚀环境中地下工程结构服役状态仿真与寿命预测方法，其特征在于，基于所述工程结构服役状态预测系统动力学模型，动态模拟腐蚀环境下地下工程结构的服役状态，得出预设指标随时间的变化趋势，包括：

检查所述工程结构服役状态预测系统动力学模型，对所述工程结构服役状态预测系统动力学模型进行仿真模拟，动态模拟腐蚀环境下地下工程结构的服役状态，并在仿真模拟后进行模拟结果分析，得出预设指标随时间的变化趋势。

3.如权利要求2所述的腐蚀环境中地下工程结构服役状态仿真与寿命预测方法，其特征在于，进行模拟结果分析，得出预设指标随时间的变化趋势，包括：

对混凝土腐蚀程度、钢筋腐蚀程度、钢筋强度和结构可靠度进行分析，得到混凝土腐蚀程度、钢筋腐蚀程度、钢筋强度和结构可靠度随时间的变化趋势。