地下工程混凝土结构耐久性的多指标多模式评价模型.pdf

2 0 1 0年 第 8 期 (总 第 2 5 0 期 ) Numb e r 8 i n 20 1 0( To t a l No 2 5 0) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE0RETI CAL R ES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j 。 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 8 0 1 6 地下工程混凝土结构耐久性的多指标多模式评价模型 陈涛 ( 唐 山学 院 土木 工程系 ，河北 唐 山 0 6 3 0 0 0 ) 摘要： 影响地下结构混凝耐久性的因素较多且较复杂， 各种因素对耐久性的作用是交叉影响的。结合实际情况， 选取常见的有代表 性的几个指标， 如与周边岩土介质及 施工条件等相关的应力状态及水平、 混凝土材料配合比、 碳化环境 、 服役期限等， 分析它们交叉影响下 地下结构耐久性的劣化状况 结合所建立的耐久性寿命评判准则， 预测结构的耐久性寿命。 在试验基础上获得多个影响指标与碳化深度的 相关数据， 建立多指标多模式预测模型。 模型经验证町有效用于对同类工程条件下地下结构耐久性寿命的评判与预测， 并可泛化推广至其 他各环境影响因素作用下的耐久性寿 命的类似分析 。 关键词 ： 地下结构 ；混凝 土；耐久性 ；多指标多模式 中图分类号 ： T U 5 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 0 ) 0 8 0 0 4 5 0 3 Mul t i pl e f ac t or s a nd a t t r i bu t e pr e di c t i on s t u dy o f du r abi l i t y l i f e on u nder g r ound c onc r e t e s t r u c t ur e s CHEN Ta 0 ( De p a r t me n t S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， T a n g s h a n C o l l e g e ， T a n g s h a n 0 6 3 0 0 0 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Du r a b i l i t y pr ob l e m o f u n d e r g r o u n d c o n c r e t e s t r uc t u r e s i s b e e o n fin g mo r e a n d mo r e s e r i o u s ， b u t t he s t u d y wo r k t O it i s s c a n t NTh e i n flu e n c e f a c ! o r s o f u n d e r g r o u n d s t r u c t u r e s a r c r e l a t i v e l y n u m e r o u s a n d c o m p l i c a t e d ， a n d th e s e f a c t o r s a c t o n e ano t h e r b y t h e m a n n e r o f c r o s s e d in fl u e n c e Co mb i n e d wi t h t h e a c t u a l i n s t a n c e ， S C v e r a l thmi l i a r r e p r e s e n t a t i v e f a c t o r s ， s u c h a s s t r e s s s t a t e a n d i t s l e v e l i n t e r r e l a t e d wi t h s u r r o un d i n g r o c k a n d s o i l m e d i u m o r c o n s l r u c t i o n c o nd i t i o n s mi x t u r em t i oo f c o nc r e t em a t e r i a l s ， c a r b o n i z a t i o n e nv i r o n m e n t ， s e r v i c et i me， e t c ， we r e s e l e c t e dt oa n a l y z e d u r a b i l l t y o f u n d e r g r o u n d s t r u c tur e s b a s e d o n t h e t h c t o r s c r o s s e d i n fl u e n c e a n d p r e d i c t s t r u c t u r e s d u r a b i l i t y l i f e c o n s i d e ri n g t h e j u d g me n t r u l e o f d ura b i l i ty l i f e e s t a b l i s h e d AN 2 q m o d e l wa s c o n s t i t u t e d b y g a i nin g the r e l a t e d d a t a o f i n fl ue n c e f a c t o r s a nd c a r bo n i z a t i o n de pt h b a s e d o n e x pe r i me n t Th e mo d e l c a n b e u s e d i n j u d g r n e n t a n d p r e d i c t i o n o f ml d e r g r o ml d s t r u c t u r e s d u r a b i l i t y l i f e u n d e r h o mo g e n e o u s e n g i n e e r i n g c o n d i t i o n s e ffic i e n t l y b y v e r i t i n g i t a n d c a nb e g e n e r a l i z e d t o t h ea n a l o g o u s a n a l y s i s o f d u r a b i l i t yl i f e u n d e r t h e a c t i o n o f o t h e r e n v i r o n me n t i n fl u e n c e f a c t o r s Ke y wor ds ： un d e r g r o u n d s t ruc t u r e s ； c o n c r e t e； d u r a b i l i t y； mul t i p l e f a c t o r s a n d a t t r i b u t e 0 引言 混凝土结构的耐久性问题已引超人们的普遍关注， 但其研 究 作仍不够深入， 目前取得的一些研究成果主要集中在地面 及水工结构，而j 三 L 其研究方法主要还是停留在术 才 料的层次上? 对于地下结构耐久性的研究极少有人涉及， 并且往往认为地下 结构不会m现耐久性问题而 自然破坏； 在研究的层面上很少考 虑到结构力学层次方面的因素； 此外研究的角度也多足开展单 因素影响下的耐久性研究 ， 而极少考虑实际_ 【 程中几种凼素综 合作用下的耐久性破坏情形。 事实上 ， 地下混 凝土结构 的耐久性 问题 非常严重 ， 随着 近 几十年来大型地下工程的大量涌现而愈发突出I 】 l ， 而且由于地 下结构相对 于地 面结构 的特殊性 ， 其耐久性问题更有其 独特性 和复杂性， 主要表现在： 地下结构与复杂的岩土地质条件紧密 联系， 且应力状况复杂多变， 其耐久性状况难以观测、 试验和模 拟 ； 岩土体具 有非均质 性和流变性 等特点 ， 容易造 成结构 的不 均匀沉降； 耐久性影 向因素众多 除一般地面结构物可能面对 的 C O 等侵蚀性物质外， 地下岩土中的各种腐蚀性离子、 地下 水、 杂散电流 、 施T工艺及质量等其他因素都可能影响到地下 丁程混凝土结构物的上 E 常使用和耐久性寿命。因此对地下结构 收稿 臼期 ：2 0 1 0 0 3 3 0 的耐久性研究也将有别于一般地面结构的研究方法， 尤其是研 究角度方面须考虑多个因素的综合交叉影响。 本文拟以地下结构混凝土在各种复杂的岩土 、 施工及环境因 素影 响下经受碳化作用 时的耐 久性 问题 为例进行探 讨 ， 为研究 方便 ， 进一步将该问题的耐久 生 影响因素归结为应力状态及水平 、 混凝土材料自身性质、 碳化情形、 作用龄期等几个方面， 通过建立 碳化深度及抗压强度与各影响因素的关系， 并结合所选取的寿 命评判准则， 可以对结构的耐久性寿命进行分析与预测。 1 多指标 多模式预测模型 的建 立 1 1 多重属 性 回归预 测 总的来说 ， 滑坡稳定性可受到多方面因素的影响作朋， 对 于影响因素的选取， 宦结合滑坡实际条件和稳定状况综合确定 ， 同时应避免因素间存在相同标准差而不具备变异性的情况， 否 则只选取对滑坡稳定性极具影响作用的因素。 假设对滑坡稳定 性有 ， 。 个影响因素( ) ， 确定其相互问有预设函数 K( x ) 的作用并再考虑误差项 的影响， 则稳定系数 与各影响因素 之间 叮形成式( 1 ) 关系 ， 为： K ： ( ) 十 I b + a 1 + 2 + + O t r ； C n + ( 1 ) 若针对滑坡整体稳定性有 m组研究对象可予以反映， 则建 45 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 立总体数据集如式( 2 ) ： m ， Xi ,n； 纠 ( i = 1 ， 2 ， ， m) 其均满足式( 1 ) ， 即有 ： K l = b + o t 1 l 1 + o 2 x l 2 + + O t n x 1 善 1 K2 =b +o q x2 l +o t 2 x o + +O t n X K =b+ o r ixm l+o t z x ( 2 ) ( 3 ) 式中： K ( 1 ， 2 ， ， m) 对应于m组研究对象的稳定系数值； 6 表示 n 个影响因素 ， 均为零时K的截距项， 无实际意义， 主要起平衡和调节作用 ； O t l 、 仅 2 、 、 。 一对应于 n个影响因素 l 、 2 、 、 x 的变量 系数 ； 误差项 。 、 一、 靠一相互独立的随机变量。 接着， 依据 m组研究对象集进行 自变量系数 b 、 、 O t ： 、 、 的参数估计， 以确定稳定系数与各影响因素之间的关系方程。 采 用高斯一 牛顿法和最小二乘原理进行循环迭代逼近求解实现 ， 利用对前述关系式进行泰勒级数展开达到线性近似， 再采用最小 二乘法进行反复迭代计算， 求解待定系数集 A ： ( 6 、 。 、 、 、 O t ) 。 第一步， 指定待定系数集 A的一个初始值A o -= ( b 0 O r 。 、 O r 2 0 、 、 O tn 0 ) ， 将原关系方程进行泰勒级数展开并取至一次项， 其余各次项均 归结为误差项 ， 可得： = ( A ) = ( A 。 ) ( A o ) + ( A A 。 ) + s ( 4 ) _ ( A - A 。 ) = 6 _ 6 。 O t l l 。 r 2 0 _ o 相= A b 。 2 ( 6 ) 在确定A ( 6 o 、 。 。 、 O l 2 0 、 、 a o ) 的情况下， 式( 4 ) 中的K( A 。 ) 和 偏导数K ( A o ) 均为m组研究对象集及其既定拟合参数的函数， 可 以直接计算得出。第二步， 采用最小二乘原理进行参数估计 ， 若 满足式( 4 ) 则误差项 是比较小的， 由此可以使其平方和的累加 值达到最小为基准来确定 A = ( 6 、 、 、 、 ) 的估计值， 即满足： =I n nf 叫 + + ( 7 ) a 川 j 再分别对 b 、 。 、 O t ： 、 、 O 求偏导数并令其值为零 ， 则有： 0 L 0 = 1 ) _ ( o lx I + d 扣 L 口 u + 1 1 _ 0 d _ 孙 do t = 1 - ( 17o卅 o ut1 + 1 L 、 + 1 1 _ 0 Oo t I r y ， _ O L ： fK I- K ( A 0 ) _ O O t 2 ； 1 【 + a 求解此方程组即可得待定系数集 A的最小二乘估计值 A = ( 6 、 。 、 O l 2 、 、 ) 。 第三步， 将所求系数估计值替代初始值 A 。 ， 并 46 将原关系方程再用泰勒级数展开至一次项， 其余各次项作为误 差项，采用最小二乘原理又可以求解出一系列系数估计值， 如 此重复上述步骤、 循环迭代 ， 直至满足一定精度要求、 系数估计 值收敛为止。由此， 可解算出待定系数集 A = ( 6 、 O 、 O t ： 、 、 ) 的 无偏估计值 = ( 、 在 。 、 ： 、 、 ) ， 将其代人式( 1 ) 并消除误差项 ， 就可以得出稳定系数K与各影响因素( 孙 ， ) 之间的回归 估计关系预测方程为： = ： 1 + 2 + + ( 9 ) 那么， 依据此相互间的关系方程， 结合各影 响因素的属性 值即可得出稳定系数的预测值。 最后 ， 针对回归关系预测方程进行多元相关系数 R和决定 系数R ： 检验， 以确定稳定系数与各影响因素之间是否存在较强 的回归关系或反映回归预测模型拟合效果是否达到优 良程度。 指f ，J R体现滑坡各影响因素( 孙 ， ) 与稳定系数 相互间 对J 针1 归关系的密切程度， 其值处于 0 1 之间， 值越大则表明 相互问的对应回归关系越密切， 彼此间越具有较强的回归关系。 对于回归预测方程的拟合效果好坏可用模型决定系数 R 来衡 量， 其反映模型拟合的优良程度， R z 值越大则意味着拟合效果越 好、 模型越优良。两个指标分别由式( 1 0 ) 、 ( 1 1 ) 计算得出： ： 1 f忌 一 K 1 一 K f Y 1 m 1 l =1 m f =1 ( 1 0) R Z= l 一 ( K ) 2 f K l_ f f 1 l m i =1 、 1 2 耐久性预测模型的建立 1 2 1 数据的获取 对于实际工程 ， 这些数据可以通过工程施工资料及实测方 式获得。在此拟通过试验的方式获得数据以对模型进行训练， 并验证模型的可行性。 试验主要采取加速碳化试验的方式。 通过试验探求在不同应 力状态下及不同水灰 比时， 地下钢筋混凝土试件遭受碳化侵蚀 损害随时问的变化规律， 试件设计为牛腿型加力模式， 见图 1 【2 j ， 主要模拟结构在弯曲拉压情形下的碳化状况 ， 这同时也反映了 地下洞室等工程衬砌结构在拱腰、 拱脚等部位承受弯矩及拉压 应力构成最危险截面的实际情形。 采用后张预应力法加力模式， 通过在预留孔内安设螺杆和螺帽， 结合应力传感器以实现施加 不同大小拉、 压应力的目的。试验分拉应力、 压应力和无应力三 种状态进行， 每种状态并考虑不同的应力水平翻 。 拉应力 压应 力 图 1 试件加载示意图 依据圣维南原理， 将牛腿处施加之荷载 P等效移植到试件 一 )一 A一 2 她 。I 薯 一 堕 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 主体上 ， 移植后的结果等价为一个同向同大小的荷载 P加上一 个弯矩 】 。 按照材料力学的方法， 计算得到： 当P分别取 0 3 、 O 7 、 1 0 、 2 0 k N时， 试件拉应力区截面内的应力 t r t 的对应值为 0 1 5 、 0 3 6 、 0 5 、 1 0 2 MP a ； 试件压应力区截面内的应力 ( r c 的值 为一 0 2 1 、 一 0 4 9 、 一 0 7 、 一 1 4 MP a 。 试验共制作 8 组试件( 每组 3个) ， 各试件按照 3 种不同的水 灰比制作， 并考虑内置 l 根或 2根 1 6 l l 1 n I 锈蚀试验钢筋或不设 内置钢筋， 以及对各组试件分别施加不同的荷载。 试件在碳化箱 内的碳化龄期分别取为 6 、 1 2 、 2 4 、 3 1 、 4 5 、 6 2 、 6 9 、 7 6 、 9 7 d ( 对应实际 碳化龄期为： 5 、 l O 、 2 0 、 2 5 8 、 3 7 5 、 5 1 7 、 5 7 5 、 6 3 3 、 8 0 8 年) ， 碳化深 度的检测采用 1 的酚酞试剂， 抗压强度可通过回弹法测得2 】 。 1 2 2 建立模型 鉴于实际工程结构难以用无损方法直接有效的测得各处 衬砌结构的碳化深度， 而结构的受力状况、 混凝土自身情形( 品 种、 配合比等) 以及碳化龄期( 服役时间) 等数据是容易获得的， 并且这几方面的因素正是影响碳化深度的重要关联项 ， 因此本 文拟选取相关联不同类项间预测的方法， 即根据试验结果建立 由应力水平、 水灰比、 碳化龄期等项数据作为输入项预测混凝 土碳化深度及抗压强度( 作为输出项 ) 的预测模型， 并对该模型 进行训练和推广应用。 2 模型的应用 首先， 需要对该模型进行训练 ， 训练的过程实质就是调整 权值( 以及闭值) 的过程， 使得训练后的网络能对某个应用工程 获得最小的系统误差， 从而获得 良好的输入 、 输出间的映射关 系。这样无须确切知道各影响因素与碳化结果之间的具体关 系， 就能准确的得到所需要的结果。 本文依据碳化龄期、 应力大小、 水灰比的不同， 结合文献 2 】 的研究成果 ， 共组织了 2 4 3 个训练样本、 4 2个测试样本。最后， 对 1 2 个预测样本进行了预测 。结果较理想 。 限于篇幅， 仅列出部分测试样本数据及预测结果见表 l 。 表 1 部分测试样本预测值与实测值 从以上测试结果来看， 预测值与实测值吻合程度很高， 最大 相对误差为 6 ， 误差普遍范围在 0 8 之间， 效果令人满意。 预测样本数据表格及相应的预测结果曲线图分别见表 2 。 表 2 预测样本预测结果 由表 2的预测样本的预测结果值可见， 序号为 1 、 2 、 5 、 6 , 9 的 样本的碳化深度皆已超过了混凝土保护层厚度( 设为 2 0 mi l 1 ) ， 也即超过了其使用寿命期而已经处于破坏阶段。样本 1 1 则刚 好碳化达到钢筋表面， 也即结构寿命期为 6 5年。 至于预测结果中的抗压强度输出项 ， 可以作为其耐久性劣 化状况的一个参考指标 ； 而当采用承载力寿命准则时， 混凝土 结构的强度值就成为一个很重要的指标。 3结语 地下结构耐久性的研究须结合地下结构的自身特点 ， 从结 构层次人手， 充分考虑力学物理因素的影响规律， 尤其是水土 压力、 地应力和外荷载及施工状况等因素的影响。将这些力学层 次因素与外部环境因素及材料本身层次因素的研究结合起来 ， 并考虑它们之间的交叉影响。 试验研究和多指标多模式分析数 据表明： 应力对混凝土碳化速度有明显影响， 拉应力的对混凝 土碳化有促进作用 ， 压应力则对混凝土起到抑制作用； 在压应 力不足较小时， 这种抑制作用不明显 ， 应力较大时则影响较大。 水灰比对碳化也有较大的影响。多指标多模式方法很好地用于 地下混凝土结构的耐久性寿命预测研究中， 尤其是各因素间影 响关系复杂的情形。 参 考文 献： 1 1 潘洪科， 杨林德， 汤永净地下结构耐久 地下空间与工程学报 ， 2 0 0 5 ， 1 ( 5 ) ： 8 0 4 8 0 8 【 2 】潘洪科 基于碳化作用的地下工程结构的耐久性与可靠度【 D 】 同济 大学申请博士学位论文， 2 0 0 5 3 】R A J AG O P AL A N C， e t a 1 Ro l e o f a r t i fi c i a l i n t e l l i g e n c e i n N O N d e s t r u c t i v e t e s t i n g a n d e v a l u a t i o n J I n s i g h t ： N o n D e s t r u c t i v e T e s t i n g a n d C o n - d i t i o n Mo n i t o r i n g ， 1 9 9 6 ， 3 8 ( 2 ) ： 1 1 8 1 2 3 4 】 金伟良， 张亮， 鄢飞 碳化分析中的应用 浙江大学学报 ： 工学版， 1 9 9 8 ， 3 2 ( 5 ) ： 5 1 9 5 2 5 5 】 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 】 _ 工业建筑， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 2 ) ： 5 1 5 5 【 6 】 张京英， 周晶 ， 范颖芳应用人工 结性能 J 】 工业建筑, 2 0 0 2 ， 3 2 ( 9 ) ： 4 8 - 5 0 混凝土粘 作者简介 ： 单位地址 ： 联系电话 ： 陈涛( 1 9 7 8 一 ) ， 男， 讲师， 硕士研究生， 主要从事混凝土结构 教学与科学研究。 河j 国 I 石 华岩 匕 咯3 8 号 J訇l I学院士木工程系( 0 6 3 0 0 0 ) O 31 5 3 1 63 71 3 47 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m