[发明专利]一种多因素混凝土冻融的粒子滤波寿命预测方法

说明书

本发明涉及一种多因素混凝土冻融的粒子滤波寿命预测方法，包括：以相对动弹性模量随冻融循环的衰减规律构建冻融劣化过程的状态方程；通过声时与相对动弹性模量的关系，构建冻融劣化的观测方程；最后，基于状态和观测方程，建立混凝土冻融损伤劣化过程的状态空间模型，利用粒子滤波，实现多因素混凝土冻融的寿命预测。粒子滤波可消除多种不确定因素的影响，对模型复杂度要求较低，且不需要大量训练数据，相比传统方法具备更高的寿命预测精度，对改进混凝土结构设计、延长使用寿命和增强维护保障具有重要的应用价值与经济效益。

技术领域

本发明属于混凝土耐久性分析与评估领域，涉及一种多因素混凝土冻融的粒子滤波寿命预测方法。

背景技术

对混凝土耐久性的研究显示，引起混凝土结构劣化的破坏因素，按重要性程度依次递减，分别为：钢筋锈蚀、冻融破坏和海水侵蚀作用。目前，我国“三北”等严寒地区，大量的高速公路、机场跑道、跨海及沿海工程等结构由于长期受风霜雨雪等季节性冻融破坏的侵蚀，面临着严峻的耐久性考验。

剩余寿命预测作为混凝土结构耐久性评估的重要组成部分，不仅可以揭示潜在危险，及时制定维护策略，避免重大事故的发生，而且研究成果可以直接用于指导结构设计。冻融损伤的寿命预测模型是建立在冻融损伤模型的基础上，然而，混凝土冻融损伤的演化过程中，受材料属性、载荷、氯离子侵蚀、碳化、磨蚀、碱骨料反应、测试误差等众多因素的影响，其演化过程具有高度的不确定性，若考虑众多因素的影响，将使得构建的确定性寿命预测模型变得异常复杂，难以应用于实际工程中。同时，传统的可靠性冻融寿命预测方法，将耗费昂贵的实验资源，且只适用于某些特定条件下，适用性较差。

发明内容

本发明提出一种适用性强、预测准确的多因素混凝土冻融的粒子滤波寿命预测方法。

本发明所采用的技术方案为：

一种多因素混凝土冻融的粒子滤波寿命预测方法，包括如下步骤：

步骤1、以单段模式的相对动弹性模量衰减模型为基础，构建描述多因素冻融损伤劣化规律的状态方程及其噪声模型；

步骤2、采用超声波无损检测方法，对混凝土中的超声波声时进行监测；通过相对动弹性模量与超声波声时之间的关系，构建观测方程；同时，结合步骤1中的状态方程，构建描述冻融劣化的状态空间模型；

每一试件在多因素冻融循环开始前，先进行一次超声无损检测，采集基准声时；

步骤3、判断声时检测是否更新，以进行寿命预测；

对模型参数和粒子群进行初始化；在多因素冻融循环过程中，

若未进行超声无损检测，则将粒子群代入状态方程中，生成先验估计，再将先验估计与粒子权值进行加权求和，获得后验估计，并更新粒子群，后验估计可看作是冻融循环次数的预测值；

若进行超声无损检测，获得新的声时信号，则将当前粒子群代入状态空间模型中，生成N个声时预测值；令声时预测值与实验检测值作差，若差值满足高斯分布，即可计算得到N个声时预测值对应的归一化权值；

步骤4、对粒子群及其归一化权值进行多项式重采样，获得更新后的粒子群及其权值；

步骤5、重复步骤3和4，直至达到设定条件，停止冻融实验与预测过程；上述过程所经历的总时间即为混凝土冻融的剩余寿命。

进一步地，步骤1中，状态方程的表达式为：

公式(1)中，E_t表示冻融循环t时刻的相对动弹性模量；C表示损伤加速度，A表示损伤初速度，二者可通过实验拟合获得；Δt表示t时刻与t+1时刻的时间间隔；ω_t+1表示加性的零均值高斯白噪声，满足为状态噪声方差。