混凝土钢筋锈蚀量预测的投影寻踪回归模型.pdf

2 0 1 1年 第 6期 (总 第 2 6 0 期 ) Nu mb e r 6i n 2 01 l ( To t a l No ． 2 6 0) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEOR ETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ~ ． i s s n ． 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ．2 0 1 1 ． 0 6 ． 0 2 1 混凝土钢筋锈蚀量预测的投影寻踪回归模型 滕艳 ( 深圳市太科检验有限公 司，广东 深圳 5 1 8 0 4 9 ) 摘要： 造成钢筋锈蚀量预测值与交测值误差较大的原因在于以下两个方面： 其一， 由于混凝土开裂后钢筋锈蚀程度的离散性较大； 其 二， 混凝土中的钢筋锈蚀饥理非 常复杂 ， 影响因素繁多。 为解决以上问题， 将投影寻踪 回归方法应用于锈蚀开 裂后混凝土中钢筋锈蚀 量的 评估 ， 建立了评估钢筋锈蚀量 的投影寻踪 回归模型 ， 并通过实际工程检测结果验证 了该方法的实际可行性 ， 为钢筋锈蚀量的预测提供 了一 条新 的方法 关键词 ： 混凝土 ；投影寻踪 回归 ；钢筋锈蚀量 ；评估 中图分类号 ： T U5 2 8 ． 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 6 — 0 0 6 7 — 0 2 P r o j e c t i o n p u r s u i t r e g r e s s i o n mo d e l f o r p r e d i c t c o r r o s i v e d e g r e e o f c o n c r e t e e mb e d e d r e b a r l NG ya n ( S h e n z h e n Ta i k e Te s t Co ． ， Lt d ． ， S h e n z he n 5 l 8 0 4 9， Ch i n a) Abs t r a c t ：Th e r e t wo d i ffi c u l t pr o b l e ms f o r a s s e s s i n g c o r r os i v e d e g r e e o f c o n c r e t e e mb e d e d r e b a r a ft e r c o r r o s i o n c r a c k： fi r s t l y， d e gr e e o f c o n c r e t e i s l a r g e d i s p e r s i o n； s e c o n d l y ， i t wa s i n flu e n c e d b y t h e ma n y u n c e r t a int i e s， a n d t h e me c h a n i s m o f s t e e l c o rro s i o n i n c o n c r e t e i s v e r y c o mp l e x ．Ati e r t h e ma i n f a c t o r s a f f e c t i n g， t h e c o rro s i v e d e gr e e o f r e b a r i s a n a l y z e d， a n e w mo d e l wa s e s t a b l i s h e d ． T h e a d a p t i o n of t h e mo d e l i s d i s c u s s e d f r o m t h e a n g l e s o f p r o j e c t i o n p u r s u i t r e gre s s io n mo d e 1 ．T h e f e a s i b i l i t y i s v e r i fi e d a c c o r d i n g t o t h e d a t a fr o m p r a c t i c a l e n g i n e e ri n g i n v e s t i g a t i o n． I t p r o v i d e s a n e w wa y t o p r e d i c t c o rros i v e d e g r e e o fc o n c r e t e e m b e d e d r e b a r a ft e r c o r r o s i o n c r a c k K e y wo r d s ： c o n c r e t e ； p r o j e c t i o n p u r s u i t r e gre s s i o n mo d e l ； t h e a mo u n t o f s t e e l c o r r o s i o n ； a s s e s s me n t O 引言 钢筋腐蚀严重影 响着混凝土耐久性 和安全性_ 1 -6 1 。 一般混凝 土开裂以前 ， 钢筋锈蚀量较小 。 然而一旦混凝土保护层开 裂 ， 钢 筋锈蚀速度必然加快 。 由此看 出 ， 混凝土保护层是 否产生顺筋 开裂是钢筋混凝土结构T作状态的一个重要分水岭， 是结构由 正常使用期进入结构 老化期 的标志。 混凝 土保护层 fI顾 筋 ， 开裂 的研究意义重大。 在实际工程检测 中， 能够 比较容易发现的裂缝 宽度在 0 ． 1 mm左右。 然而实际 中， 大量产生锈蚀裂缝存在钢筋 混凝土构件中， 且钢筋锈蚀量已较大 ， 由于受诸如水和氧气等 寓蚀介质更易到达钢筋表面， 使其锈蚀速度加快， 从而使得其 结构构件 的耐久性 与可靠性 大大降低 。 鉴于以上原 因， 合理准 确估计此类构件 的锈蚀程度 ， 可 以对现有结构构件的可靠性与 耐 久性评估 及维修加 固决策具有较大的实用价值。 如果可 以借 鉴_T程类 比思想 ， 寻求规律则可降低工程鉴定费用 。 近年来发展 起来的各种投影寻踪方法就具有这方面的优势。 投影寻踪方法是 由 J e r o me H等[ ~ 1 9 8 1 提 出的 ， 陔方法把高 维数据投影 到低 维空 间 ， 通过计算 ， 极大化一个 反映数据聚集 程度的指标 ， 从而找到反映数据结构特征 的最优投影方 向。 它是 用来分析和处理高维观测数据， 尤其是对于非线性、 非正态高 维数据的一种新型统计方法。 为较准确地建立钢筋锈蚀程度与 裂缝宽度之间的关系 ， 本研究尝试利用投影 寻踪方法方法来评 估锈蚀开裂后混凝土 中钢筋的锈蚀程度。 收稿 日期 ：2 0 1 O - 1 2 - 1 9 本研究拟通过 MAT L A B平 台下编制应用程序， 在对原始数 据进行分析的基础 上， 提出既可以考虑趋势时间序列 ， 又可以拟 合非线性的时序一 投影寻踪 回归模型。 本成果对信息化施工 、 基 坑动态设计等方面具有重要的参考价值。 1 投影寻踪 回归模 型 设投影寻踪插值问题的多指标样本集为{ i ) ii = 1 ， ⋯， m； J_ = l ， ⋯ ， n } ， 其 中 ， m是样本 的个数 ， n为指标 个数 。 建立投影 寻 踪插值模 型的建立步骤如下 ： 1 ． 1 数 据预 处理 设根据已知样本信息， 产生的经验等级值为y ( i ) ， 对应的 样本属性值为X 。 消除各指标值的量纲和统一各指标值的变化 范围， 对原始数据进行预处理 ， 将指标值变换 到( 0 ， 1 ) 区间。 建立等级评价模型就是建立‰与 y ( i ) 之间的数学关系。 投 影 寻踪方法就是把 P维数据 { x ( i ， ) Ii M ， ⋯ ， m；j = l ， ⋯ ， n ) 综合 成以 r F( o ( 1 ) ， a ( 2 ) ， ⋯， a ( n ) ) 为投影方 向的一维投影值 ， 即 ： z ( ) = a ( j ) ‘ ( i 4) ( 1 ) J 1 然后根据z ( i ) ( ) 的散点图建立适当的数学模型， 其中a 为单位长度向量。 1 ． 2构造投 影指标 函数 在综合投影时， 要求投影值 z ( ) 应尽可能大地提取缸( ， 中 的变异信息， 即z ( i ) 的标准差 尽可能大， 同时要求z ( ) 与 ， ( ) 的 6 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 相关系数的绝对值 l l 达到尽可能大， 这样得到的投影值就可望能 尽可能多地携带预测因子系统的变异信息， 并且能保证投影值对预 测对象y ( ) 具有很好的解释l生。 基于此， 投影指标函数可构造为： Q ( o ) = s z IR l ( 2 ) 式中： —— ( i ) 的标准差； R —— z ( i ) 与 ， ( ) 的相关系数。 其 中： _ { 芝 )- z ]2／( ) } ( 3 ) R (／ ( ) 】 ( ) ) 【 ( ) 】 [y ( ) (4 ) m ＼ ， m m ＼n 式中： j ——序列z ( i ) 的均值； —— 序列 y ( i ) 的均值。 1 ． 3 估计最佳投影方向 当给定经验等级 y ( ) 及其评价指标的样本数据 ( √) } ， 不同的投影方向反映不同的数据结构特征， 最佳的投影方向就 是最大可能暴露高维数据某类特征结构的投影方向。 通过求解 下面的优化模型来计算最佳投影方向， 目标函数为： ma x Q( a ) = &[R I 约束条件为： ∑ 1 J =1 ( 5 ) ( 6 ) 2 混凝 土钢 筋锈蚀 量预测 的投 影寻踪 回归模 型应 用 大量研究指出， 混凝土保护层开裂后 ， 钢筋锈蚀量主要受 混凝土裂缝宽度 、 混凝土强度、 混凝土保护层厚度、 钢筋直径的 影响 ， 在本研究中分别用 加 ， C ， d表示。 在查阅大量研究资 料的基础上， 本研究采用文献【 1 — 2 】 提供的工程检测与试验数 据， 共 3 1 组， 以其中的2 1 组数据作为训练样本进行训练， 如表1 所示 ， 另外 1 0组样本作为测试样 本对本研究建 立的模型进 行 测试， 见表 2 。 为说明文模型的合理性及科学性， 同时在表 l 及 表 2中列出了回判预测值及测试预测值， 从表中可以看到， 由投 影寻踪回归模型得到的预测值与实测值的误差较小， 可见本研 究所建立的模型预测精度较高， 正确率高。 然而需要指出的是， 随着试验数据的增加 ， 模型的精度还会进一 步提高。 表 1 训练样本集及 回判预测结果 6 8 下转第 8 0页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 参考文献 ： [ 1 】杨嗣信． 高层建筑施工技术( 第二版) 【 M ] ． 北京 ： 中国建筑工业出版 社 ， 2 0 0 1 ． [ 2 】朱伯芳， 杨萍． 混凝土的半熟龄期——改善混凝土抗裂能力的新途 径[ J 】 ． 水利水电技术， 2 0 0 8 ， 3 9 ( 5 ) ： 3 0 — 3 5 ． 【 3 ] 袁润章． 胶凝材料学[ M 】 ． 武汉： 武汉工业大学出版社， 1 9 9 6 ． 【 4 ]F O L L I AR D K J ．He a t o f h y d r a t i o n mo d e l s f o r c e m e n t i t i o u s m a t e r i a l s [ J ] ． A C I Ma t e ri a l s J o u r n a l ， 2 0 0 5 ， l o 2 ( 1 ) ： 2 4 — 3 3 ． 【 5 】WA N G J C， YA N P Y．I n fl u e n c e o f i n i t i al c a s t i n g t e m p e r a t u r e a n d d o s a g e 0 f fly a s h o n h y d r a t i o n h e a t e v o l u t i o n o f c o n c r e t e u n d e r a d i a b a t i c c o n- d i t i o n [ J ] ． J o u rna l o f T h e r mal A n a l y s i s and C al o r i m e t r y， 2 0 0 6， 8 5 ( 3 ) ： 7 5 5 — 7 6 0 ． [ 6 ]K R S T U L O V I C R， D A B I C P ． A c o n c e p t u al m o d e l o f t h e c e m e n t h y d r a — t i o n p r o c e s s [ J ] ．C e m C o n c r R e s ， 2 0 0 0 ， 3 0 ( 5 ) ： 6 9 3 — 6 9 8 ． [ 7 】阎培渝， 郑峰．水泥基材料的水化动力学模型叨 ．硅酸盐学报， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 5 ) ： 5 5 5 — 5 5 9 ． [ 8 】Mc C A R 1 ’E R W J ， B R OU S S E AU R．T h e A ． C ． R e s p o n s e m e asu r e me n t s o n c e m e n t p ast e [ J ] ． C e m e n t C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 0 ， 2 0 ( 6 ) ： 8 9 1 — 9 0 0 ． [ 9 】L I Z o n g - j i n， L I We n — l a i ． C o n t a e t l e s s t r a n s f o rm e r — b ase d me a s u r e m e n t o f t h e r e s i s t i v i t y o f m a t e ri als ： U S P a t e n t ， 6 6 3 9 4 01 [ P 1 ．2 0 0 3 — 1 0 - 2 8 ． 【 l O 】 魏小胜， 肖莲珍， 李宗津． 采用电阻率法研究水泥水化过程[ J ] ． 硅酸盐 学报， 2 0 0 4 ， 3 2 ( 1 ) ： 3 4 — 3 8 ． 【 1 1 】 吕鹏 ， 翟建平， 聂荣， 等．环境扫描电镜用于硅酸盐水泥早期水化的 研究【 J J 圭 酸盐学报， 2 0 0 4 ， 3 2 ( 4 ) ： 5 3 0 — 5 3 6 ． 【 1 2 】 刘昌胜． 新型骨修复材料——磷酸钙骨水泥的制备及其应用基础研 究[ D 】 ． 上海： 华东理工大学， 1 9 9 6 ． 【 1 3 】 史美伦， 陈志源， 孙剑 ， 等．水泥水化过程的电化学研究( I I ) [ J ] ．建筑 上接第 6 8页 2 墓 芝 褂 噎 辍 基 蝮 器 3结论 预测样本 图 2 钢筋锈蚀截面损失率实测值与预测值 混凝土中的钢筋锈蚀是造成混凝土结构耐久性损伤的最 重要因素之一。 在一般情况下 ， 混凝土开裂以前 ， 钢筋锈蚀量较 小。 然而一旦混凝土保护层开裂 ， 钢筋锈蚀速度必然加快 。 由此 看出， 混凝土保护层是否产生顺筋开裂是钢筋混凝土结构工作 状态的一个重要分水岭， 是结构由正常使用期进入结构老化期 的标志。 鉴于此， 混凝土保护层顺筋开裂的研究意义重大。 经过 分析研究可知造成钢筋锈蚀量预测值与实测值误差较大的原 因在于以下两个方面： 其一 ， 由于混凝土开裂后钢筋锈蚀程度 8 0 材料学报 ， 2 0 0 0 ， 3 ( 3 ) ： 2 1 8 — 2 2 2 ． 【 1 4 ] MO U NA N G A P ， K HE L I D J A ， B AR O G HE L - B O U N Y A P r e d i c t i n g C a ( 0 n ) 2 c o n t e n t a nd c h e mi c al s h rin k a g e o f h y d r a - t i n g c e me n t p a s t e s u s i n g a ria - l y ri c a l a p p r o a c h [ J ] ． C e m e n t and C o n c r e t e R e s e a r c h， 2 0 0 4， 3 4 ( 2 ) ： 2 5 5 — 2 6 5 ． [ 1 5 ] 王培铭， 许乾慰．材料研究方法【 M ] ．] E 京： 科学出版社， 2 0 0 5 ． [ 1 6 ] B E R R Y E E， H E MMI N G S R T ， Z H AN G M H．Hy d r a t i o n i n h i g h - v o l - u me fl y ash b i n d e r s [ J ] ． A C I Ma t e ri als J o u r n al， 1 9 9 4 ， 9 1 ( 4 ) ： 3 8 2 — 3 8 9 ． 『 1 7 ] E S C AL A N T E — G AR C I A J I ， ME ND O Z A G， S H A R P J H ． I n d i r e c t d e t e r — m i n a t i o n o f t h e C a ／ S i r a t i o o f t h e C— S — H g e l i n P o a l a n d c e me n t s 叨． C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 9， 2 9 ( 1 2 )： 1 9 9 9 — 2 0 0 3 ． 【 1 8 】 王培铭， 丰曙霞， 刘贤萍． 水泥水化程度研究方法及其进展[ J ] ． 建筑材 料学报 ， 2 0 0 5 ， 8 ( 6 ) ： 6 4 6 — 6 5 2 ． [ 1 9 ] F E N G X， G AR B O C Z I E， B E N T Z D P ， e t a1．E s t i m a t i o n o f t h e d e g r e e o f h y d r a t i o n o f bl e n d e d c e me n t p as t e b y a s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p e p o i n t - c o u n t i n g p r o c e d u r e [ J ] ． C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e arc h， 2 0 0 4， 3 4 ( 1 O ) ： 1 7 8 7 — 1 7 9 3 ． [ 2 0 ] 王岩， 李旭东， 何忠茂． 水泥水化过程的计算机模拟[ J 】 ． 兰州理工大学 学报， 2 0 0 5 ， 3 0 ( 4 ) ： 1 1 2 一 I l 5 ． 【 2 1 ] B E N T Z D P ．T h r e e — d i me n s i o n c o m p u t e r s i mu l a t i o n o f P o a l a n d c e me n t h y d r a t i o n and mi c r o s t r u c t u r a l mo d e l 叨．C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 8 。 2 8 ( 5 ) ： 2 8 5 — 2 9 7 ． 作者简介 ： 联 系地址 ： 联 系电话 ： 李林香( 1 9 7 5 一 ) ， 女 ， 博士研究生。 北京市海淀区大柳树路 2 号 中国铁道科学研究院铁道建 筑研究所( 1 0 0 0 8 1 ) 1 3 6 8 3 6 6 28 3 5 的离散性较大； 其二， 混凝土中的钢筋锈蚀机理非常复杂， 影响 影响因素繁多。 本研究为解决以上问题， 将投影寻踪回归方法应 用于锈蚀开裂后混凝土中钢筋锈蚀量的评估， 建立了评估钢筋 锈蚀量的投影寻踪回归模型， 并通过实际工程检测结果验证了 该方法的实际可行性 ， 旨在为钢筋锈蚀量的预测提供了一条有 效地新途径 。 参考文献 ： 【 1 ] 牛荻涛． 混凝土结构耐久性与寿命预测【 M 】 ． ] E 京： 科学技术出版社， 2 0 0 3 ． 『 2 12 陈海斌， 牛荻涛， 浦聿修． 应用人工神经网络技术评估混凝土中的钢 筋锈蚀量【 J 1 ．工业建筑， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 4 ) ： 5 1 — 5 5 ． 【 3 ] 吴相豪． 海洋环境中钢筋混凝土构件锈胀开裂时间的解析解[ J 】 _ 上海 海事大学学报， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 3 ) ： 2 2 — 2 6 ． [ 4 】WE Y E R S R E ．S e r v i c e l i f e m o d e l for c o n c r e t e s t r u c t u r e s i n c h l o ri d e - l a d e n e n v i r o n me n t s [ J ] ． A C I Ma t e ri als J o u r n a ， 1 9 9 8 ， 9 5 ( 4 ) ： 4 4 5 — 4 5 3 ． 【 5 ] 张耀庭， 罗菡， 胡兴源．应用 B P网络预测混凝土中的钢筋锈蚀量叽 混凝士 ， 2 0 0 1 ( 2 ) ： 5 6 — 5 9 ． [ 6 】 杨维国， 赵建昌， 许红叶．基于 B P神经网络预测混凝土锈胀开裂时 间[J 】 ． 四J l I建筑 ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 2 ) ： 1 5 2 — 1 5 3 【 7 ]J E R OME H， WE RN E R S ．P r o j e e t i o n p u r s u i t r e g r e s s i o n [ J ] ．J o u rnal o f t h e A me ri c a n S t a t i s t i c a l A s s o c i a t i 0 n ． 1 9 8 1 。 7 8 ( 3 7 8 ) ： 8 1 7 — 8 2 7 ． 作者简介 联 系地址 联 系电话 ： 滕艳( 1 9 7 8 一 ) ， 女， 研究方向： 无机非金属材料专业。 深圳市福田区下梅林建安集团工业区5 栋 2 1 3 室 深圳市 太科检验有限公司( 5 1 8 0 4 9 ) l 3 51 0 2 0 2 4 64 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m