钢混结构钢筋点蚀的三维元胞自动机实时定量预测方法

摘要

本发明提供的一种钢混结构钢筋点蚀的三维元胞自动机实时定量预测方法。首先，应用快速小波变换法，建立了局部点腐蚀电化学噪声的小波能量谱算法；其次，基于钢筋局部点腐蚀的基元反应，建立了局部点腐蚀的三维元胞自动机模型；第三，采用电化学噪声的在不同尺度上的小波能量比作为驱动力，建立了基于实时电化学噪声监测信息的三维元胞自动机定量预测方法。本发明所建立的预测方法，采用能够直接监测到的局部腐蚀的电化学噪声本征信息，作为三维元胞自动机的驱动力，能够直接、准确反映侵蚀环境与金属体系的腐蚀作用能力；此外，原位、在线的实时监测信息能够及时修正预测模型，从而确保预测的精度。

主权项

1.一种钢混结构钢筋点蚀的三维元胞自动机实时定量预测方法，其特征在于，方法如下：(1)、EN信号的小波分解EN离散信号x(kT)，k＝0，1，2，…N进行二进小波分解，子空间上的能量按下式计算，$E_j^n=\underset{k}{\Sigma }{\left(d_{j,k}^n\right)}^2---\left(1\right)$$E_j^n=\underset{k}{\Sigma }{\left(f_i^n\left(t\right)\right)}^2---\left(2\right)$式中，为子空间上的重构信号；当小波基是完备正交基时，式(1)与(2)所得能量相等，即利用子空间上的重构信号与小波变换系数计算相应频段上的小波能量是相等的：$\overline{E_j^n}=\frac{E_j^n}{\underset{n}{\Sigma }{E}_j^n}---\left(3\right)$进而得到离散信号x(kT)，k＝0，1，2，…N的小波能量的特征参量$\bar{E}=[\overline{E_1},\overline{E_2},...,\overline{E_{2^j-1}}]---\left(4\right)$对于点蚀而言，外部环境、混凝土本身、钢混体系腐蚀反应等耦合因素会体现在EN的时频分布特性上，这些时频分布上的差异最终会体现在EN信号的小波能量谱上，通过观察钢筋服役过程中EN的小波能量谱变化情况，即定性判定点蚀的发生；(2)、基于实时监测信息的三维元胞自动机模型钢筋点蚀发展演化的三维元胞自动机预测模型的建立，包括元胞空间、元胞状态、元胞邻居、演化规则四部分：(2.1)元胞空间采用与钢筋点蚀实际物理意义相匹配的3-D立方体网格，表征与具有腐蚀性混凝土环境接触的钢筋表面，模型中元胞分布在离散三维空间的格点上，由于周期型空间与无限空间最为接近，所以采用周期型边界；(2.2)元胞状态每个元胞的状态Cell(x，y，z).S由该点上的元胞属性来确定，元胞种类主要有：代表金属Fe的元胞表示为金属元胞M；代表混凝土孔溶液环境的酸元胞H；代表被钝化的Fe金属的P元胞；代表Fe²⁺和具有侵蚀性的粒子Cl^-以及二者形成FeCl⁺络合物的元胞D；代表OH^-、H₂O、Na⁺不具有侵蚀性的粒子本体溶液元胞W；(2.3)元胞邻居每个元胞具有26个邻居元胞；(2.4)演化规则混凝土中钢筋点蚀生长演化过程中，τ时刻的任一元胞在τ+1时刻的状态用下式描述，S^τ+1=f(C，S^τ，N，R_MC，R_Parallel)  (5)这里，τ为时间；C为元胞空间；S为元胞状态；N为元胞邻居；R_MC为随机规则；R_Parallel为并行处理规则；对于钢筋局部点腐蚀而言，演化规则主要包括：反应规则、酸化规则、钝化规则和扩散规则：A)反应规则：当M元胞的邻元胞至少有一个H元胞时，以下反应会以一定的概率p_d发生：$M\stackrel{P_d}{\to }D---\left(6\right)$由于点蚀瞬态峰在小波的子空间上聚集的能量，代表了混凝土孔溶液与钢筋之间的“相互作用势”，因此，根据电化学噪声有效的小波能量在小波总能量中所占的能量比得到金属基底元胞的溶解及钝化概率，其中溶解的概率p_d可以等价为而发生钝化的概率p_p为B)酸化规则：以Cl^-为代表的侵蚀性粒子的局部催化酸化作用，会加速混凝土中钢筋的点蚀进程，即具有侵蚀性的元胞D与代表本体溶液的元胞W相邻时，会提供酸元胞H扩散到溶液中，即：$D^{n_k}+W\to H+D^{(n_k-1)}---\left(7\right)$此时，释放出的H⁺会维持蚀坑内局部的酸环境，系数n_k表示D最多能够提供的H元胞数量；C)钝化规则：当M元胞的邻元胞为代表非侵蚀性粒子的W元胞时，M元胞会以一定的概率p_p钝化为P元胞，而当P元胞遇到H元胞时，又会以一定的概率p_d转变回M元胞；D)扩散规则：当其邻元胞已经被另一个元胞占用时，该元胞仍停留在原位置，会以相同的概率扩散至任意一个邻元胞；当其邻元胞为空单元，但是有不止一个元胞欲跳向空元胞时，该单元仍然停留在原位置，仍具有向其任意一个邻单元跳跃的趋势；当其邻单元为空单元，并且只有一个元胞欲跳向空单元时，则该元胞据空单元，之后仍具有向其任意一个邻单元跳跃的趋势；采用电化学噪声的在不同尺度上的小波能量比作为驱动力，建立了基于实时电化学噪声监测信息的三维元胞自动机定量预测方法。