一种海工混凝土结构耐久性参数反演分析及寿命预测方法

1.本发明属于混凝土结构耐久性检测及工程结构健康监测技术领域，具体涉及一种海工混凝土结构耐久性参数反演分析及寿命预测方法。


背景技术：

2.随着跨海桥隧工程的大量建设，海工混凝土结构的维护、寿命预测及性能提升越来越重要，是全寿命周期设计、施工及维护理论与技术需要解决的重大课题。海工混凝土结构耐久性的核心问题是结构构件抵抗氯离子侵蚀能力问题。能力越高，耐久性越好；能力越低，耐久性越差。为提高海工混凝土结构抵抗氯离子侵蚀的能力，既要有良好的设计，又要有覆盖于全寿命周期的监控与维护、防护措施。
3.海工混凝土结构耐久性设计有两种设计方法，一是定性的经验设计方法，即根据环境类别及设计使用寿命，确定混凝土材料的基本要求、保护层厚度、施工及防护措施等；二是定量耐久性设计方法，即通过计算分析，确定材料性能要求与保护层厚度等技术指标。重要的海工混凝土结构，既要做定性的耐久性设计，又要通过分析校核，确定基本技术性能指标能否满足设计使用寿命要求。分析计算中需要的参数，如构件表面氯离子浓度、临界氯离子浓度、氯离子扩散系数、氯离子扩散系数衰减规律等要通过模拟试验或实际环境暴露试验确定。但无论是模拟试验、还是暴露试验，最终得到的都是特定试件尺寸、在特定环境条件下的试验结果，与实际工程结构构件的试件尺寸、环境条件等有显著差别，而且实际结构材料的性能也与试验所用的材料有明显差别。即使是强度等级相同的混凝土，由于受到原材料和实际施工及养护条件的影响，实际工程中结构构件的耐久性参数及抗氯离子侵蚀能力也与模拟试验或暴露试验的明显不同。因此，设计用的计算参数，无论是模拟试验获得的、还是暴露试验获得的，都与工程实际情况不同。为了解决这个问题，一般重大工程都要在结构构件中安装氯离子浓度检测监控传感器，以确定混凝土结构构件中的氯离子浓度是否超标，何时超标。但是，通过这种检测监控，只能了解某个服役时间点，结构构件中氯离子的浓度分布情况，很难通过这些数据预测氯离子浓度的发展情况，而结构构件中氯离子浓度及其分布又直接影响混凝土结构的耐久性和使用寿命，因此如不能对结构构件截面内的氯离子浓度及其随时间变化情况做出准确的预测评估，就不能预测钢筋周围氯离子浓度及其变化，无法基于这些数据对寿命进行准确预测，并基于实测数据采取更加有效的措施提升结构的耐久性能、延长使用寿命。


技术实现要素：

4.现有技术只能对任意时间点的氯离子浓度进行实测，但由于氯离子扩散规律复杂，影响参数多，目前还没有根据实测数据进行参数分析的好方法。本发明目的是提供一种海工混凝土结构耐久性参数反演分析及寿命预测方法，解决了两个影响氯离子扩散传输的重要参数-氯离子扩散系数和表面氯离子浓度变化规律预测分析问题。应用表观氯离子扩散系数及其衰减规律、表观表面氯离子浓度及其变化规律，采用两次反演回归分析，分析确
定对应的衰减系数及变化系数。表观氯离子扩散系数衰减系数及表观表面氯离子浓度变化参数确定后，即可根据实测氯离子浓度数据，对未来任意服役时间点上构件截面上的氯离子浓度及其变化情况做出可靠的预测；根据钢筋周围氯离子浓度及其变化情况的预测结果，即可对结构构件的寿命进行预测评估；根据结构构件寿命预测评估结果，即可提前采取科学合理的耐久性措施，对结构构件进行维修、维护处理，提升结构构件的耐久性。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种海工混凝土结构耐久性参数反演分析及寿命预测方法，具体为考虑实际环境条件、材料性能、构件尺寸等对氯离子侵蚀的海工混凝土结构耐久性影响，基于以误差函数表达的氯离子扩散传输规律，定义分析表观氯离子扩散系数、表观表面氯离子浓度及其相应的变化规律模型，通过积分变换、拟合回归等数学分析方法，经两次回归分析，分析出海工混凝土结构构件受氯离子侵蚀的耐久性参数及其变化规律，为实际结构构件中钢筋处的氯离子浓度及其变化、结构构件寿命预测提供了定量分析预测模型及方法，包括以下步骤：
6.s1：在不同服役时间的海工混凝土结构的不同位置上检测结构构件截面上的氯离子含量。
7.s2：应用这些检测数据，首先采用一次回归反演，求表观表面氯离子浓度和表观氯离子扩散系数。
8.s3：应用氯离子扩散系数的衰减规律和表观表面氯离子浓度的变化规律，回归反演衰减系数和变化系数。
9.s4：经过上述两个步骤，即可得到耐久性参数及其变化规律。
10.s5：应用这些回归分析的耐久性参数，即可预测钢筋周围氯离子浓度的变化情况。
11.s6：根据钢筋周围氯离子浓度变化情况，分析预测钢筋锈蚀的风险及其时间。
12.s7：根据钢筋锈蚀的风险及其时间，预测结构构件的使用寿命或剩余生命。
13.优选的，s1步骤中所选取的海工混凝土结构的服役时间分别为1年、2年、3年、5年、10年、20年和30年。
14.优选的，s1步骤中所选取的不同服役时间的海工混凝土结构的位置分别为距离表面1mm、5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm和35mm处。
15.优选的，s2步骤中一次回归反演主要是通过积分变换将误差函数变换成线性回归方程，求出任意时间点的表观氯离子扩散系数及表观表面氯离子浓度。
16.优选的，s3步骤中二次回归反演依据表观氯离子扩散系数随时间衰减规律及表面氯离子浓度随时间的变化规律，通过回归反演分析，求出衰减系数和变化系数。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18.1、通过海工混凝土结构在氯离子侵蚀环境下的氯离子传输机理、影响因素及其计算分析模型，建立了一种两次变换回归反演分析计算方法。应用该方法，可以根据结构构件截面内氯离子含量及其分布的检测数据，反演分析表面氯离子特征浓度、氯离子扩散系数、氯离子扩散系数衰减系数、表面氯离子浓度变化系数等参数，进而对构件中的氯离子浓度及其变化进行预测。通过该方法，解决了只能检测实际结构构件中氯离子浓度及其变化，而不能根据实测数据对氯离子浓度及其分布进行预测的问题。
19.2、根据构件中氯离子浓度及其变化的反演分析结果，可以对钢筋周围的氯离子浓度及其变化情况做出可靠的定量预测，从而对结构构件的寿命进行预测评估；根据结构构
件寿命预测评估结果，即可提前采取科学合理的耐久性措施，对结构构件进行维修、维护处理，提升结构构件的耐久性。
附图说明
20.图1为本发明的混凝土结构构件中氯离子分布及变化图；
21.图2为本发明的混凝土中氯离子浓度及氯离子分布示意；
22.图3为本发明的两次回归反演分析框图；
23.图4为本发明的实测结果与反演分析结果对比图。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，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。根据本发明基于的分析模型及发展的反演分析方法所进行的混凝土结构构件氯离子浓度及分布预测评估方法、受氯离子侵蚀的混凝土结构构件的寿命预测方法及开发的结构健康监测设备，也属于本发明保护的范围。
25.请参阅图1-图4，本发明提供一种技术方案：一种海工混凝土结构耐久性参数反演分析及寿命预测方法，包括以下步骤：
26.s1：在不同服役时间的海工混凝土结构构件的不同位置上检测结构构件截面上的氯离子含量。例如，在海工混凝土结构服役分别为1年、2年、3年、5年、10年、15年等时间点，检测构件截面保护层范围内的氯离子浓度，如距离表面2mm、5mm、10mm、15mm等位置的氯离子浓度。
27.s2：应用这些检测数据，首先采用一次回归反演分析，求表观表面氯离子浓度和表观氯离子扩散系数。一次反演分析主要是通过积分变换将误差函数变换成线性反演分析方程，求出任意时间点的表观氯离子扩散系数及表观表面氯离子浓度。
28.s3：应用氯离子扩散系数的衰减规律和表观表面氯离子浓度的变化规律，根据一次反演分析得到的任意时间点的表观氯离子扩散系数和表观表面氯离子浓度，进行二次反演分析，分析扩散系数衰减系数和表面氯离子浓度变化系数。通过二次回归反演分析，求出衰减系数和变化系数。
29.s4：经过上述两个步骤，即可得到两个主要的耐久性参数：表观氯离子扩散系数、表观表面氯离子浓度及其变化规律。
30.s5：应用表观氯离子扩散系数、表观表面氯离子浓度及其变化规律，即可预测钢筋周围氯离子浓度的变化情况。
31.s6：根据钢筋周围氯离子浓度变化情况，分析预测钢筋锈蚀的风险及其时间。
32.s7：根据钢筋锈蚀的风险及其时间，预测结构构件的使用寿命或剩余生命。
33.本实施方案中，通过首先在结构的不同服役时间点，检测结构构件截面保护层范围内不同深度处的氯离子含量；应用氯离子含量的检测数据，基于误差函数表达的氯离子扩散传输模型，首先通过积分变换获得线性回归反演方程，分析任意服役时间点的表观表面氯离子浓度和表观氯离子扩散系数，然后，应用氯离子扩散系数的衰减规律和表观表面
氯离子浓度的变化规律，在第一次反演分析得到的表观氯离子扩散系数和表观表面氯离子浓度的基础上，进行第二次回归反演分析，分析表观氯离子扩散系数的衰减系数和表观表面氯离子浓度的变化系数。经过上述两个步骤，即可得到耐久性参数及其变化规律，通过多次检测数据的反演分析，还可以对参数进行不断地修正，应用这些回归分析得到的耐久性参数，即可预测任意服役时间点钢筋周围氯离子浓度及其变化情况；根据钢筋周围氯离子浓度变化情况，分析预测钢筋锈蚀的风险及其时间；根据钢筋锈蚀的风险及其时间，预测结构构件的使用寿命或剩余生命。
34.本发明的工作原理及使用流程：
35.随着服役时间的增加，氯离子逐渐向混凝土结构构件截面内部扩散传输。服役时间不断增加，混凝土结构构件中的氯离子浓度不断增加，当钢筋周围的氯离子浓度达到钢筋锈蚀所需要的临界浓度时，钢筋开始锈蚀。氯离子向结构构件截面内扩散传输受表面氯离子浓度、扩散系数、环境条件、材料性能、施工质量等影响，影响因素非常复杂。
36.混凝土结构构件截面内任意一点、任意时间的氯离子浓度可以用实测方法获得，或根据fick第二定律，用公式预测。式中，c(xi,ti)为构件截面离表面任意点xi，在任意服役时间ti的氯离子浓度；c
sa
(ti)任意服役时间点的表面表观氯离子浓度(并非实测的表面氯离子浓度)，随时间变化；erf(*)误差函数；da(ti)表观氯离子扩散系数，随时间衰减。
37.在饱和的理想状态下，氯离子向混凝土内扩散传输符合fick第二定律。fick第二定律中的参数也可以在理想状态下通过实验获得。处于实际环境中的结构构件受复杂环境因素的影响，氯离子在其中的扩散传输并不完全符合fick第二定律。在靠近构件表面的区域，实测的氯离子浓度与符合fick第二定律的氯离子浓度是不同的，见图2中的2b。因此，公式中的表面氯离子浓度定义表观表面氯离子浓度。实际的扩散系数也与多种环境因素有关，da＝d(cf,s,t,t,x,ph)，定义为表观氯离子扩散系数，且随时间变化，是混凝土中氯离子浓度cf、饱和度s、服役时间t、温度t、离构件表面距离x、混凝土的ph值等参数的函数。理想状态的扩散系数可以通过试验实测，实际环境中的扩散系数则应想法通过实测的氯离子浓度按扩散传输规律反演分析得到，以综合反映实际环境的影响。
38.由此可见，混凝土结构构件中任意时间、任意点的氯离子浓度与表观表面氯离子浓度和表观氯离子扩散系数有关，而这两个重要的耐久性参数函数受实际环境等条件影响，且随时间变化，并不能通过特定条件的实验方法获得。为准确确定实际结构在实际环境条件下的耐久性参数及其变化规律，采用两次回归反演分析方法，创新地解决了上述问题。
39.第一次回归反演分析。主要是通过积分变换将误差函数变换成线性回归方程，求出任意时间点的表观氯离子扩散系数及表观表面氯离子浓度。具体步骤如下：在公式的基础上通过积分变换和线性变换的方法，把方
程变换成最小二乘法方程，式中，a0、b0是回归系数；根据上述方程进行回归分析，即可求出任意时刻的表观氯离子扩散系数da(ti)和表观表面氯离子浓度c
sa
(ti)。
40.第二次回归反演分析。依据表观氯离子扩散系数随时间衰减规律及表面氯离子浓度随时间的变化规律，通过回归反演分析，求出表观氯离子扩散系数衰减系数n和表观表面氯离子浓度变化系数b。
41.表观氯离子扩散系数可写成如下形式，表观表面氯离子浓度可写成如下形式，根据公式和公式进行第二次回归分析得到n和b。
42.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种海工混凝土结构耐久性参数反演分析及寿命预测方法，其特征在于：具体为考虑实际环境条件、材料性能、构件尺寸等对氯离子侵蚀的海工混凝土结构耐久性影响，基于以误差函数表达的氯离子扩散传输规律，定义分析表观氯离子扩散系数、表观表面氯离子浓度及其相应的变化规律模型，通过积分变换、拟合回归等数学分析方法，经两次回归分析，分析出海工混凝土结构构件受氯离子侵蚀的耐久性参数及其变化规律，为实际结构构件中钢筋处的氯离子浓度及其变化、结构构件寿命预测提供了定量分析预测模型及方法，包括以下步骤：s1：在不同服役时间的海工混凝土结构的不同位置上检测结构构件截面上的氯离子含量；s2：应用这些检测数据，首先采用一次回归反演，求表观表面氯离子浓度和表观氯离子扩散系数；s3：应用氯离子扩散系数的衰减规律和表观表面氯离子浓度的变化规律，二次回归反演氯离子扩散系数衰减系数和氯离子浓度变化系数；s4：经过上述两个步骤，即可得到耐久性参数及其变化规律；s5：应用这些回归分析的耐久性参数，即可预测钢筋周围氯离子浓度的变化情况；s6：根据钢筋周围氯离子浓度及其变化情况，分析预测钢筋锈蚀的风险及其时间；s7：根据钢筋锈蚀的风险及其时间，预测结构构件的使用寿命或剩余生命。2.根据权利要求1的一种海工混凝土结构耐久性参数反演分析及寿命预测方法，其特征在于：s1步骤中检测海工混凝土结构构件不同服役时间点截面上的氯离子分布情况，如1年、2年、3年、5年、10年、20年和30年。3.根据权利要求1的一种海工混凝土结构耐久性参数反演分析及寿命预测方法，其特征在于：s1步骤中的截面上氯离子分布情况指钢筋保护层范围内距离构件表面不同深度处的氯离子浓度，如5mm、10mm、15mm等深度处的氯离子浓度。4.根据权利要求1的一种海工混凝土结构耐久性参数反演分析及寿命预测方法，其特征在于：s2步骤中一次回归反演分析主要是通过积分变换将误差函数变换成线性回归方程，求出任意服役时间点的表观氯离子扩散系数及表观表面氯离子浓度。5.根据权利要求1的一种海工混凝土结构耐久性参数反演分析及寿命预测方法，其特征在于：s3步骤中二次回归反演依据表观氯离子扩散系数随时间衰减规律及表面氯离子浓度随时间的变化规律，通过回归反演分析，求出表观氯离子扩散系数的衰减系数和表观表面氯离子浓度的变化系数，确定了这些参数后，即可以预测构件截面内任意深度处、在任意服役时间点的氯离子浓度，根据构件截面上钢筋位置处的氯离子浓度，即可分析判断钢筋所处的状态，并对结构构件的耐久寿命进行预测。

技术总结
本发明公开了一种海工混凝土结构耐久性参数反演分析及寿命预测方法，包括以下步骤，首先在结构的不同服役时间点，检测结构构件截面保护层范围内不同深度处的氯离子含量，基于误差函数表达的氯离子扩散传输模型，通过积分变换获得线性回归反演方程，分析任意服役时间点的表观表面氯离子浓度和表观氯离子扩散系数，应用氯离子扩散系数的衰减规律和表观表面氯离子浓度的变化规律，在第一次反演分析得到的表观氯离子扩散系数和表观表面氯离子浓度的基础上，进行第二次回归反演分析，分析表观氯离子扩散系数的衰减系数和表观表面氯离子浓度的变化系数。应用回归分析得到的耐久性参数，预测任意服役时间点钢筋周围氯离子浓度及其变化情况。其变化情况。其变化情况。


技术研发人员：周新刚
受保护的技术使用者：烟台大学
技术研发日：2021.12.08
技术公布日：2022/3/8