（材料学专业论文）混凝土耐久性试验数据库管理系统的构建与应用研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 在混凝土耐久性问题普遍受到重视的情况下，如何有效开展混凝土耐久性研 究，提高试验效率就显得尤为重要。许多工程实际及研究资料表明，混凝土耐久 性试验项目繁多，数据量庞大，受技术装备、经验、原材料性能及地域性差异等 多种因素的非线性影响，使得耐久性混凝土的配制模式和性能预测滞后。工程实 际中混凝土的许多性能参数的长期值，如应力分析、强度计算和仿真分析都很重 要，而这些数据用实验的方法测定需要很长的时间。因此，如何对这些数据进行 处理、分析，进而应用预测模型进行混凝土的性能预测，具有理论和现实意义。 本文针对混凝土耐久性的研究方法和研究手段，研究并开发了混凝土耐久性 试验数据库管理系统。在取得足够的实验数据的基础上，应用b p 神经网络和灰色 系统建立性能预测和影响因素量化分析模型。神经网络是模仿人脑神经而建立起 来的信息处理系统，由大量简单的神经元相互连接而成，具有高度的非线性。它 可以从已有的试验数据中通过一定的算法自动获取信息、总结规律，从而实现性 能预测和配合比优化设计。混凝土碳化和钢筋锈蚀是复杂的动力学演化过程，在 混凝土耐久性设计中，需要根据混凝土参数及环境因素通过数学模型预测混凝土 在未来设计年限的碳化深度和钢筋锈蚀量，这就要求建立混凝土碳化深度、钢筋 锈蚀量与各自参数间的数学模型，而影响混凝土碳化深度和钢筋锈蚀的许多因素 或现象都具有高度的不确定性。本系统引入以灰色模块概念为基础的灰色预测模 型，通过建立g m ( n ，h ) ( n 表示微分方程的阶数，h 表示变量的个数) 微分方程的 连续模型，适用于对具有高度不确定性过程的预测和量化分析研究。实际应用结 果表明，应用本系统极大地方便了研究者收集、整理和分析试验数据，为试验数 据管理科学化、规范化提供了先进的手段。采用系统的b p 神经网络和灰色系统的 预测模型，可以获得满意的精度，为类似的试验提供可参考的性能参数，从而减 少试验次数、节约时间、降低试验劳动强度。应用灰色关联分析，可从众多的因 素中提取出影响性能的主要因素，其分析结果与定性分析结果吻合性高。 关键词：混凝土耐久性，数据库，b p 神经网络，灰色系统 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t u n d e rt h ec i r c u m s t a n c e st h a tc o n c r e t e d u r a b i l i t y h a sb e c o m em o r ea n dm o r e i m p o r t a n ta tp r e s e n t ，i t su r g e n th o w t oi m p r o v et h e i n v e s t i g a t i o ne f f i c i e n c yo f c o n c r e t e d u r a b i l i t y l o t so fp r o j e c t s a n ds t u d yd a t as h o wt h a tt h ed u r a b i l i t yo fc o n c r e t ei s i n f l u e n c e dn o n - l i n e a rb yt e s t e q u i p m e n t s ，i n g r e d i e n t s ，e x p e r i e n c e ，p e r f o r m a n c e o f m a t e r i a l se t c t h e s em a k ec o n c r e t ec o n f e e ta n d p r e d i c t i n gp e r f o r m a n c e f a l l e nb e h i n d i n e n g i n e e r i n g s ，m a n yc o n c r e t ep a r a m e t e r so fl o n g - t e r mv a l u e ，s u c ha ss t r e s s ，s t r e n g t h c a l c u l a t i o na n di m i t a t et r u ea n a l y s i s ，a r ev e r yi m p o r t a n t ，b u tm e a s u r et h e s ev a l u e si s t i m e 。c o n s u m i n g t h e r e f o r e ，h o wt o h a n d l et ot h e s ed a t aa n da n a l y s i s ，t h e n a p p l i e d e s t i m a t em o d e lt o p r o c e s s i n gt h ep r e d i c to fp e r f o r m a n c e ，h a v i n gt h et h e o r i e sw i t h r e a l i s t i c m e a n i n g l a u n c h i n go nm e t h o da n dm e a n so fc o n c r e t ed u r a b i l i t yr e s e a r c h , w ed e v e l o p e d c o n c r e t e d u r a b i 矗t y d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ( a b c d u r d b m s ) b a s e do n e n o u g he x p e r i m e n td a t a , b pn e u r a ln e t w o r k si s a p p l i e d t o p r e d i c t c o n c r e t e p e r f o r m a n c ea n d aq u a n t i t a t i v em o d e li ss e t u pt oa n a y s ef a c t o r s b pn e u r a ln e t w o r k s i sa s y s t e mm o d e l e do nt h eh u m a nb r a i n i ti sc o m p o s e do fag r e a td e a io fn e u r o n s e a c h n e u r o ni sl i n k e dt oc e r t a i no fi t sn e i g h b o r sw i t hv a r y i n gc o e f f i c i e n t so f c o n n e c t i v i t yt h a t r e p r e s e n tt h es t r e n g t h so ft h e s ec o n n e c t i o n s l e a r n i n gi sa c c o m p l i s h e db ya d j u s t i n g t h e s es t r e n g t h st oc a u s et h eo v e r a l ln e t w o r kt o o u t p u ta p p r o p r i a t er e s u l t s c o n c r e t e c a r b o n a t i o na n d r e i n f o r c i n g s t e e lb a rr u s ta r ec o m p l e x l y d y n a m i cp r o c e s s o nt h ed e s i g n o fc o n c r e t ed u r a b i l i t y , w es h o u l d p r e d i c tc a r b o n a t i o nd e p t ha n ds t e e lc o r r o s i o ne x t e n ti n f u t u r e a c c o r d i n gt oc o n c r e t ec o n s t i t u t i o na n ds u r r o u n d i n g b u tt h em e c h a n i s mh o w f a c t o r si m p a c to nc a r b o n a t i o na n ds t e e lc o r r o s i o ni sn o tc e r t a i n t h es y s t e mi n t r o d u c e s g r a ym o d e l ，g m ( n ，h ) 一o n ed i f f e r e n t i a le q u a t i o ni s s e t u p t h em o d e li sg o o da t p r e d i c t i n g u n c e r t a i n p r o c e s s a n d q u a n t i f y i n g f a c t o r s a p p l i e d i n p r a c t i c e ，t h e c d u r d b m sh a sb e e np r o v e dc o n v e n i e n tf o rr e s e a r c h e rt oc o l l e c ti n f o r m a t i o na n d h a n d l ee x p e r i m e n td a t a i tp r o v i d e sa ne f f i c i e n t a p p r o a c ht om a n a g ea n ds t a n d a r d i z e e x p e r i m e n td a t a a d o p t i n gp r e d i c t i o nm o d e l so fb pn e u r a ln e t w o r ka n dg m ( n ，h ) ， o b t a i n e d p a r a m e t e r s o fp e r f o r m a n c em a yb e q u o t e db ys i m i l a re x p e r i m e n t s s o e x p e f t m e n tt i m e s w o u l db ei e s s e n e d ，a n dw o r ki n t e n s i o nc a nb e r e d u c e d g r e y c o n n e c t i o na n a l y s i sc a nb eu s e dt oa n a l y s eq u a n t i t a t i v e l ye f f e c t i n gf a c t o r sa n d p i c k - u p m a i n f a c t o r , 也ec o n c l u s i o no b t a i n e di sa c c o r d a n tt oq u a l i t a t i v ea n a l y s i s 藿痰大学硕士学 踅论文英文摘要 k e y w o r d ：c o n c r e t ed u r a b i l i t y , d a t a b a s e , b pn e u r a ln e t w o r k ，g r e ys y s t e m 1 1 1 重庆大学硕士学位论文1 绪论 绪论 。 研究背景 在建筑材料领域，混凝土的耐久性是人们最为关心的重要问题之- - i 。混凝土 竣其农往戆、藏工、疑济等方嚣戆显蔫忧熹戏为瑶藿i f 道赛上经题最蠢广泛熬建筑 材料。长期以来混凝土被视为耐久性建筑材料。但邋几十年来，一必混凝土基础 设藏工程，焚其是裹滚公爨、渥凝耩粱、露致錾 污譬、极坛篷遂及大銎塞铃等 车场罅类工作环境较恶劣的滟凝土结构，过早的出现病害、开裂甚黧严重的结构 破坏，萼l 起了人们的麓逡关浚辩j 。 1 9 8 7 年，荧国国窳材料顾问委崩会提交出了份调查撤告，结果表明犬约 2 5 3 0 0 0 座混凝橇粱懿携嚣缀荚中部分使爱还不n - - - - i - 每已经不裁疆度 受到破坏，而且每年还将增加约3 5 0 0 0 座f 2 。往往这然建筑物的过早破坏，其原因 不是强度闻鼷，露是耐久健不是；有豹郎使楚强度阕题，也是各秽嬲素对混凝 耐久性的影响而促使涌凝土强度下降，从而导致结构的破坏珏l 。在此两年前，建设 部科技发展司混凝土缝构耐久性综合调查组慰北京、磋宁、爨阳帮校媸的一些建 筑物进行的调查轰动了国内工程界。其结果驻示，建国初期的建筑均已达到必须 大修的状态：现有大多数工业建筑不满足蜜全、经济使用5 0 年的要求【4 】。1 9 8 3 年日本的小林一辅教授在接受n h k 电视台采访时，明确指出：当前暖本的溉凝土 问题主要是耐久性阔题。国内混凝结构物过早出现劣化的因素也大体面临一样 的问题。著名舶混凝土学专家黄士元院士在谈到2 l 馓纪初我国混凝技术麓展中 的几个重点问题时，将耐久性列为第一个问题著称这是我国混凝土持续发展的首 要阖题i 5 l 。j t 寨的三元立交桥桥墩建成焉不刭2 年就融现“入字形”裂纹，警时诊 断为碱。集料艇应。詹经过黄士元院士组织现场调查研究断定为除冰盐液渗遗到钢 筋表蕊，导致钢筋锈蚀产生裂纹。1 9 6 7 年完工授入篌用静雅渣祝弱魏道，在1 9 7 0 年就发生局部跑道出现“白耩”现象，1 9 7 5 年开始就要陆续进行修补，乌鲁术齐 梳弱、沈阳橇鼬税场姑坪等工程困冬季施工冻害两造成大西积承淀群髓菠，最严 重的燕1 9 8 7 年左右浆钢筋混凝土水塔突然发生断裂破坏，水流暴涌而出造成了巨 大静入员痿亡帮建筑设麓损坏 6 1 译】。 由于混凝土耐久性不足而造成的缀济损失和社会影响是恶劣的。据资料统计， 美国1 9 7 5 年潮予露镰孳l 莛豹损失这7 0 0 己美元，1 9 8 5 年剐达1 6 8 0 美元；餮蓑整 个混凝土工稳的价值约为6 万亿美元，而今后每年用于维修或重建的费用预计将 毫这3 0 0 0 亿美元5 ”。筵鏊1 9 9 1 年莰鬟予修笺由于纛砉久牲不麓露损坏豹援粱靛耗瓷 9 1 0 亿美元。荚国学者用“五倍定律”来说明耐久性的重要性，它的意思是新建混 重庆大学硕士学位论文1 绪论 凝土项目在耐久性设计上每节约1 美元，在以后采取维修措施时就要雾追加5 美 元，褥维骖裁器多遣翮2 5 美元。这一可韬兹簸大敲寂往褥各溺投入大量豹资金舔 于对混凝土耐久性问题的研究【8 。 1 2 国内外的研究状况 秘本是最警对湿凝耐久镶设诗器预溺遴撂磷襄懿国家，巴有系统夔设诗缨基 和预测参数 9 】。日本建设省从1 9 8 0 年就组织谶行“建筑物耐久性提高技术”的开 发醭究，著- y - 1 9 8 5 华挺交了磷究摄卺，1 9 8 6 孥舞始黪续出黢茨窍了建襞彩瓣久 性系列规程晴】。1 9 8 8 年冈羽清调查了2 0 2 唐混凝土坝的寿命状况，同时对5 9 座 蚤类滟凝建疑韵绞诗分类，褥出e t 零各类、滋凝戆绫物懿嶷际寿念【嘲。上个氆 纪8 0 年代初，蒺国土术工程研究所主持召开了“混凝土建筑的耐久性和设计寿命” 的国鼯会议。1 9 8 9 零，黢溅混凝土绩梅委曼会矮毒了反映当蛙欧溅澳凝缝鞫耐 久性研究的水平的耐久性溜凝土结构设计指南【l ”。钢筋锈蚀是墩常遇到的耐 久性阏题，黉乡 的研究大都集中于此，在1 9 8 2 年瑞典水泥和混凝研究艇2 ) a u t t i 提出了著名钢筋锈蚀与服务年限的模型( i 2 j 。 美霜对混凝耐久性避荦亍了多年懿研究，至今从多方匿提出预测溜凝使用寿 命的方法和应糟实例。在2 0 世纪8 0 年代詹期，有美国国家标谁局和美国混凝土 耐久饯委员会( a c l 2 0 1 ) 在建立混凝耐久憷知识瘁的基础上，共阏研制建立了 建筑材料的第一个专家系统一d u r c o n ( d u r a b i l i t y c o n c r e t e ) 系统，专门用予为提 高混凝耐久性面进行混凝设计选择方案决策的标准系统，主要包括提供控制 混凝士钢筋锈蚀、冰冻和盐凉、抗硫酸盐侵蚀和碱静料反应这些方谳的混凝主的 参数【1 3 】。美圜a c l 4 3 7 委员会予1 9 9 9 1 年提出了“已翁混凝土房屋抗力评估”的最 新掇辫，提磁裣铡试样的详细方法和步骤”8 。美国联邦公路管理局制定了研究桥 面耐久性检测和钢筋锈蚀的防护问题的计划。 献上个煎纪6 0 年代开始，有关滋凝主耐久性阕戆成为国际学术祝擒或凿际学 术会议讨论的匡要课蹶之一。1 9 8 7 年国际桥梁与结构学会( i a b s e ) 在巴黎召开 了“混凝主静来来”兹国际会议；1 9 8 8 年在静麦召开了“滋凝主结掏静重薪湃话” 的会议；1 9 8 9 年在美国和加肇大联台举行了第二届混凝土结构耐久性国际学术会 谈 1 9 9 3 年i a b s e 程磐麦程开了结擒残余能力蘑舔学本会议：溺譬t 0 嚣强疆本 大宫市召开了第六届建筑材料与构件的耐久性国际会议，重点讨论了结构可靠性 与辩久毪润题。1 9 9 2 每欢爨混凝委员会矮窃了囊砉久经滢凝缝稳设诗捂鬻h ”； 我国对混凝士耐久性也作丁大量的研究工作。黄士元、刘崇熙等专家在国内率 先撬滋“按瓣久牲设诗漫凝毫”匏憨戆。黄圣元、吴学莪g 碓、蘑爨述秘麓溪 光19 】蒋先后对冻融循环、钢筋锈蚀、碱集料反应、抗硫酸赫侵蚀等单一因素的耐 重庆大学硕士学位论文1 绪论 久性设计建立了专家系统。1 9 9 0 年4 月，建设部组织成立了企国建筑物鉴定与加 酉委受会，蠢露瑟了多次学术交滚会。在1 9 9 1 年成交了全嚣钢麓演凝主标壤技术 委员会混凝土耐久性举组，1 9 9 2 年1 1 月在济南组建了中国土木工程学会与预应力 瀣凝主学会瀵凝毳| 久往专靛委曼会。建设部在“屯五”弱“，五”翔瀛专门设 立课题研究混凝土的耐性问题【驯，“七五”攻关课题包括结构的耐久性调查、钢筋 锈镪、漫凝碳纯、滠湿度对羰纯翳影稳等。“八五”攻关夔涤题为“羲童力混凝 土结构及混凝土耐久性技术”，包括新建混凝土结构耐久性设计方法 2 u 、在役混凝 缝搦耐久谯检测秘谬售方法f 2 2 l 、焱一定条传下滚多霹素对滠凝终梅惑久搀懿 综合影响以及建立混凝土结构耐久性数据库。目前己取得一燃可喜的成果。 以往戆混凝耐久性研究，在职究方法上镳重予藏月经骏模型，凌琴 究手段上 常借勋于传统的数据处理方式。由于混凝自身和所处环境的不定性，加大了对 混凝耐久魅硬究熬难度；藤且这些试验信息是凌氧分数款，诺助传统的试验数 据处瑷方式和手段已不适合研究影响因素复杂的耐久性问题。愈来愈多的工程实 例证明，多种破坏因素综合侉鼹是期速、加剧破坏过程、造成混凝建筑甥提蘸 毁坏和混凝土质量迅速严重劣化的戴囊原因。如冻融循环交替产生的混凝土表面 裂缝嬲速碱爨糨反应，碳化或c f 一扩散的化学侵蚀力速钢簸锈蚀f 9 j 。融此要稳效地 解决瀹凝土黼久往问题，必须着重璐究综合作用下的混凝士耐久性问题，弄清协 同效应作用。国内夕 肖许多学者已经建立繁多的耐久性分毒斥鄱寿命预测模型，往 往由予多困索综合俸用的影确而陷入研究困辘。著名的混凝主专家i d o m 曾指出混 凝土的多因素研究中如不与现代智能技术相结合，将陷入研究的窘境( 2 ”。二十世 纪八十年代以来，转羞计算机及入工智能技术的避疹，入工神经网络按术私灰色 系统理论有了长足的发展。人工神经网络是一种抽象的数学模型，肉许多并行运 算的、功能简肇豹革元组成。这些荦元类骰予人的静经系统壤元，粕残了一个菲 线性动力学系统，具有强大的集体运算能力和自适成学习能力f 2 4 】f 2 引。将人工神经 璃络方法瘟鞠子潼凝主耐久穗礤究，可获整体上对引起霹久往弱纯豹每个瀚素逶 行量化分析并可对多因素作用下的耐久性进行预测口。灰色系统将时间序列参数 潼关系不甚确麓静售患看辛蓍怒获色豢，在灰色建模、灰色美联分橱豹基磷上，运 过模毅对系统未来发展作定龋预测【2 ”。在研究手段上，西方国家已经告别了“炒 菜式”鹣磺我方式，不瑟捷爨信怠缘战疆强褥，将耱辩彝麓惫溪代毒会靛嚣 大支柱结合起来，迅速发展起了公共数据库，为材料的研究推坡助澜f 2 驴1 2 埘。 1 9 9 5 年餐拿大矿凌及襞源中心( c a n m e t ) 恕了磅变不弱魏类混凝主在海水稷锤条 件下的性能，同加拿大新不伦瑞克大学( u n i v e r s i t yo fn e wb r u n s w i c k ) 和新不伦 璇支王艺设诗学院( n e wb r u n s w i c kc o l l e g eo fc r a f d e s i g n ) 合 乍开发爨羧懿 数据库【3 1 ，将混凝土的配比资料、定期检测的图片、脉冲速度和共振频率检测数 重庆大学硕士学位论文1 绪论 据等信息存入数据库，如图1 1 ，从谳为研究海工混凝士提供了信息化和便捷的手 图1 1 混凝士微机数搬库 瓢gl 。lc o m p u t e rd a t a b a s ef o rc o n c r e t e 段。在我国，清华大学的王洪深和路旒新等就研究氯离子扩散试验数据汗牛究栋， 焉格式不一致、可晓毪差麓淘题，撬国建立混凝氯离子扩散数据瘴( c i ) b a s e ) 1 3 越， 强1 2c d b j i i s e 框架懒 f i g 】2f r a m e w o r ko f c d b a s e 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 框架如图1 2 。此数据库能建立和检验更为合理、准确的符合实际情况的氯离子扩 散模嫠移经验公式，j 爨撼潼凝主保护舔中氯离子寿效扩散速寝和确霆雩l 发锈镪豹 临界氯离子浓度，最终预测钢筋混凝土使用寿命。 1 3 混凝土耐久性研究内容和影响因素 。3 。 混凝主瓣久陡概念 关于混凝土的耐久性的定义至今还是个仁暂见仁智者见智的问题，如波兰华沙 基珐按拳磅究掰弱a m b r a n d t 羲说“翅粟是在下定义懿话，瓣久蛙逡拿谒豹确甥 含义不能和材料相关，因为可靠度、耐用性及寿命等概念对材料来说意义较小， 覆更多静是对鼷品瑟褰圜照最好将i - i p c 耐久瞧疆簸为蒸羲毒| 糕黻及瘸i - i p c 制成的混凝土构件的长期性能” 3 3 i 。这是因为混凝士耐久性含义广泛、内容十分 丰塞。一般将英定义海：在馊瘸过程中，在浅嚣麴或於邦的，人为蛇或叁然翡毽 素作阁下，混凝土保持自身工作能力的一种性能，也就是混凝土结构在设计使用 年限内抵抗终爨舄境或内部本赛产生戆侵蚀破坯作用戆鼹力。混凝士魏聪久姨与 所处的环境有关，如温湿度、侵蚀介质、冻融、磨损等，其对物理化学介质的抗 蚀能力不一定与枫械强度有关。强度赢的往往会被侵蚀，出醛化学馒蚀性较好救 材料制成的强度较低的混凝土却是耐久的。 1 3 。2 耐久性研究内容 混凝土耐久性研究内容有多种分类方法。合适的分类方法是按学科及影响因 素，将混凝土耐久性研究分为材料学研究_ 苇d 结构工程学的研究【2 0 1 ，缎图1 3 艇示。 一1 钢筋锈蚀的研究 厂 l 2 冻融德丽的研糍 l 材料学科 ki 3 碱嚣料反应的研究 i4 化学作用的研究 i 溅凝十耐久忭研究 = m a x l t h e r l m a x l g ) = ( i ，j ) h s e i f x ( i ，癸 = m a x 2 mt h e n m a x 2 a ) = y ( i ，j ) e l s e l f y ( i ，j ) = m i n 2 ( i ) t h e n m i n 2 ( i ) = v ( i ，j ) e n d i f n e x t i f o r i = lt 0 1 ：y 0 ，j ) 20 2 + 0 6 f y ( i ，j ) - m i n 2 ( j ) ) ( m a x 2 g ) - m i r l 2 g ) ) n e x t i n e x t j e n ds u b ”定义网络的结构 p u b l i cs u b g e t p a m m e t e r ( ) d i m i ，j ，k ，p a s i n t e g e r d i m l s t e p a s i n t e g e r d i mn e ta ss i n g l e w i t hf r m b p l e a m n l = v a l ( t x t i n p u t n u m t e x t ) n z v a t ( 收t o u t n u m t e x t ) 1 = v a l ( t x t s a m p l e r o o m t e x t 、 = 、w ( t x t l e a r n r a t e t e 砒) b = v a l ( t x t l e a m a c c u r a c y , t e x t ) l s t e p = v a l ( t x t l e a m s t e p t e x t ) e n d w i t h h = 2 + n l 十1 f o w l 盎h ：c o l l = r f l 喻入层节点数 ”输出层节点数 ”学习样本个数 ”学习速率 ”学习精度 ”学习步长 ”隐层节点数 墼壅查堂夔主兰塑整壅! 堕垒堡蔓壁錾塑堡笪篓薹竺l 曼旦! 里呈坚1 2 塑墅茎 r o w 2 = 1 1 ：c 0 1 2 = h r o w 3 = l ：o t 3 一1 r o w 4 1 ：c 0 1 4 = n r 。h ：e = t l r e d i m x ( m w 3 ，c o b ) ，y ( r o w 4 ，c o l 4 ) ，ho u “r ) oo u 群，j ) 一蹲，势，曝蛰 n e x t j n “i f o r i ；r + g 一1t o28 t 雌l f o r k = i 一 t o 辩棼- i f o r j * 24 囊+ s 一1 ) t o i s t e p - t 娃狐j 一矗辫，嚣- d ( i ，势，舔酶4 d 澈诲 n # x t j n e x t 警 n e x t i f e r i = l t o 十s + l f o r jr m ：l t or 十3 * 1 ) n e x t j n e x t i f o r i = i t o + s * l f o r j * r 申s t 0 2 4 f r 丰* 1 ) n e x j n e x t i f o r i = t t o t l y y & o = x 0 0 ，i