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        基于改進(jìn)灰色理論的混凝土結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)測

        2017-09-08 14:19:38劉燦
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2017年24期
        關(guān)鍵詞:灰色理論混凝土結(jié)構(gòu)

        摘 要:混凝土結(jié)構(gòu)壽命受多種因素影響,具有明顯的灰色特征。文章基于最小二乘法和Matlab尋優(yōu)定權(quán),改進(jìn)傳統(tǒng)灰色理論,以一沿?;炷两Y(jié)構(gòu)為例,預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)壽命,結(jié)果證明改進(jìn)后的灰色模型精度更高。

        關(guān)鍵詞:灰色理論;混凝土結(jié)構(gòu);壽命預(yù)測

        中圖分類號:TU311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:2095-2945(2017)24-0012-02

        引言

        近年來,混凝土結(jié)構(gòu)耐久性在世界各地引起了廣泛重視,壽命作為衡量混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的一個(gè)重要指標(biāo),如何預(yù)測在役混凝土剩余壽命和采取特定措施提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性,成為急需解決的問題。

        在預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)剩余壽命之前,必須明確結(jié)構(gòu)使用壽命終止并不是指結(jié)構(gòu)立刻就會倒塌,而是指結(jié)構(gòu)耐久性不足,無法滿足相應(yīng)的指標(biāo)要求[1]。綜合大量文獻(xiàn),目前關(guān)于混凝土結(jié)構(gòu)剩余壽命的預(yù)測方法,主要可以分為四類:專家經(jīng)驗(yàn)評估法、類比法、數(shù)學(xué)模型法、基于可靠度的概率方法。盧木[2]等基于層次分析法,結(jié)合多指標(biāo)評定體系和專家評估法,建立了結(jié)構(gòu)耐久性綜合評定模型,采用結(jié)構(gòu)惡化程度隨時(shí)間的指數(shù)關(guān)系預(yù)測剩余壽命;張譽(yù)[3]等提出一種改進(jìn)的三級模糊綜合評判方法,評估結(jié)構(gòu)可靠性;趙尚傳[4]等基于可靠性與經(jīng)濟(jì)優(yōu)化相結(jié)合的在役混凝土剩余壽命評估準(zhǔn)則,提出了在役混凝土剩余壽命預(yù)測的優(yōu)化模型。

        由于混凝土結(jié)構(gòu)壽命受多種復(fù)雜因素影響,涉及材料、環(huán)境、施工條件等各方面,并且相應(yīng)數(shù)據(jù)較難獲取,故對混凝土結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測具有灰色特征,本文擬基于改進(jìn)的灰色模型[5]和文獻(xiàn)[6]的損傷系數(shù)序列,對混凝土結(jié)構(gòu)的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測。

        1 灰色理論及改進(jìn)的灰色模型

        1.1 灰色系統(tǒng)理論簡介

        灰色系統(tǒng)理論,最早在20世紀(jì)80年代由我國鄧聚龍教授提出,信息若完全已知為“黑”,信息若部分已知則為“白”,部分已知部分未知稱為“灰”。灰色系統(tǒng)理論的核心是GM(1,1)模型,通過弱化數(shù)據(jù)序列的隨機(jī)性,找到數(shù)據(jù)蘊(yùn)藏的規(guī)律。

        1.2 傳統(tǒng)的灰色模型

        (1)設(shè)有原始數(shù)列:X(0)=(x(0)(1),x(0)(2),...,x(0)(n)),原始序列的光滑比為

        1.3 改進(jìn)的灰色模型

        在此基于最小二乘法改進(jìn)GM(1,1)模型初始值,并利用Matlab自動尋優(yōu)定權(quán)優(yōu)化背景值,得到改進(jìn)的灰色模型。首先將背景序列Z(1)表示成一般的加權(quán)序列:Z(1)(k)=?姿x(1)(k)+(1-?姿)x(1)(k-1)權(quán)重系數(shù)?姿∈[0,1],用Matlab編程尋找最優(yōu)權(quán),所謂最優(yōu)權(quán)即使序列離差平方和最小的權(quán)重系數(shù);然后在上一步的基礎(chǔ)上,用最優(yōu)權(quán)對應(yīng)的初始值x(1)(1)'代替?zhèn)鹘y(tǒng)模型初始值x(0)(1),再次求解。

        1.4 預(yù)測精度檢驗(yàn)

        2 某混凝土結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)測

        設(shè)Dt為混凝土結(jié)構(gòu)t時(shí)刻的損傷系數(shù),Dt=1代表結(jié)構(gòu)徹底損壞,Dt=0代表結(jié)構(gòu)完好,Dt是一個(gè)綜合指標(biāo),考慮了檢修費(fèi)用、結(jié)構(gòu)重要程度、損傷狀況等因素,假定Dt=0.8壽命終止。某沿?;炷两Y(jié)構(gòu)20a損傷狀況評估結(jié)果[6]如表1所示:

        改進(jìn)前后灰色模型預(yù)測結(jié)果與精度對比如表2、表3所示:

        綜上可知,改進(jìn)灰色模型的精度相比原始模型更高,且P>0.95,C<0.35,為一級精度[7],因改進(jìn)模型的平均相對誤差Q=0.035=3.5%<5%,殘差合格,且則其精度達(dá)96.5%。當(dāng)壽命終止即Dt=0.8時(shí),由改進(jìn)模型預(yù)測得該混凝土結(jié)構(gòu)使用年限大約51.7年。

        3 結(jié)束語

        本文基于改進(jìn)灰色理論,以某混凝土結(jié)構(gòu)損傷系數(shù)為時(shí)間序列,進(jìn)行剩余壽命預(yù)測,改進(jìn)后的模型精度有明顯提高。影響混凝土結(jié)構(gòu)壽命的因素眾多,目前尚無全面考慮了各種因素的通用的剩余壽命預(yù)測模型,混凝土剩余壽命預(yù)測尚處在起步階段,故采用灰色理論作出估計(jì)具有一定可行性。

        參考文獻(xiàn):

        [1]王嫻明,趙宏延.一般大氣條件下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件剩余壽命的預(yù)測[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),1996,17(3):58.

        [2]盧木,王嫻明.結(jié)構(gòu)耐久性多層次綜合評定[J].工業(yè)建筑,1998,28(1):1.

        [3]張譽(yù),李立樹.舊房可靠性的模糊綜合評判[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),1997,18(5):12.

        [4]趙尚傳,趙國藩,貢金鑫.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性預(yù)估研究進(jìn)展[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,42(1):83.

        [5]劉燦.基于改進(jìn)灰色模型的汕頭港吞吐量預(yù)測[J].中國水運(yùn)(下半月),2017,17(3):52-54.

        [6]李清富,劉建民,成子橋.混凝土結(jié)構(gòu)剩余壽命的預(yù)測[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2003,24(1):14.

        [7]鄧聚龍.灰色系統(tǒng)基本方法[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1988.endprint

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