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

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，以一沿海混凝土結(jié)構(gòu)為例，預(yù)測(cè)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(cè)

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

引言

近年來(lái)，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(cè)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(wèn)題。

在預(yù)測(cè)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(huì)倒塌，而是指結(jié)構(gòu)耐久性不足，無(wú)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(cè)方法，主要可以分為四類：專家經(jīng)驗(yàn)評(píng)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(píng)定體系和專家評(píng)估法，建立了結(jié)構(gòu)耐久性綜合評(píng)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(cè)剩余壽命；張譽(yù)[3]等提出一種改進(jìn)的三級(jí)模糊綜合評(píng)判方法，評(píng)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(píng)估準(zhǔn)則，提出了在役混凝土剩余壽命預(yù)測(cè)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(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測(cè)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(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 灰色理論及改進(jìn)的灰色模型

1.1 灰色系統(tǒng)理論簡(jiǎn)介

灰色系統(tǒng)理論，最早在20世紀(jì)80年代由我國(guó)鄧聚龍教授提出，信息若完全已知為“黑”，信息若部分已知?jiǎng)t為“白”，部分已知部分未知稱為“灰”?；疑到y(tǒng)理論的核心是GM（1，1）模型，通過(guò)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(dòng)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(duì)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(cè)精度檢驗(yàn)

2 某混凝土結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)測(cè)

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。某沿海混凝土結(jié)構(gòu)20a損傷狀況評(píng)估結(jié)果[6]如表1所示：

改進(jìn)前后灰色模型預(yù)測(cè)結(jié)果與精度對(duì)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(jí)精度[7]，因改進(jìn)模型的平均相對(duì)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(cè)得該混凝土結(jié)構(gòu)使用年限大約51.7年。

3 結(jié)束語(yǔ)

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(cè)，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(wú)全面考慮了各種因素的通用的剩余壽命預(yù)測(cè)模型，混凝土剩余壽命預(yù)測(cè)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(cè)[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(píng)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(píng)判[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1997，18（5）：12.

[4]趙尚傳，趙國(guó)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(cè)[J].中國(guó)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(cè)[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