基于熵投影尋蹤動態(tài)聚類的混凝土構(gòu)件耐久性等級評估

袁 堯，王小勇，陸明志，王壽云

(江蘇省水利科學(xué)研究院, 江蘇 揚(yáng)州 225002)

基于熵投影尋蹤動態(tài)聚類的混凝土構(gòu)件耐久性等級評估

袁 堯，王小勇，陸明志，王壽云

(江蘇省水利科學(xué)研究院, 江蘇 揚(yáng)州 225002)

根據(jù)一些常規(guī)的混凝土構(gòu)件檢測參數(shù)和耐久性影響因素,結(jié)合熵投影尋蹤動態(tài)聚類方法的特點(diǎn),建立了鋼筋混凝土構(gòu)件的評估模型。通過工程實(shí)例計(jì)算,可以看出該模型可以很好地適用于鋼筋混凝土構(gòu)件的耐久性等級評估,投影尋蹤動態(tài)聚類法切實(shí)可行,且它是一種由樣本數(shù)據(jù)驅(qū)動的探索性數(shù)據(jù)分析方法,區(qū)別于大部分先假定等級再證實(shí)歸類的評價(jià)過程,不需要依賴經(jīng)驗(yàn)判斷,開辟了一條利用多因素分類評價(jià)混凝土構(gòu)件耐久性問題的新途徑。

混凝土構(gòu)件；耐久性；投影尋蹤動態(tài)聚類；評估

在獲得鋼筋混凝土構(gòu)件服役情況檢測結(jié)果的基礎(chǔ)上,對構(gòu)件進(jìn)行耐久性評估,判斷其在正常使用和維護(hù)條件下能否適用且確保安全,使得構(gòu)件能夠延長使用壽命,有著十分重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會意義。

傳統(tǒng)的系統(tǒng)評價(jià)方法對人為經(jīng)驗(yàn)判定的依賴性很強(qiáng),各人可能有不同的見解,存在一定程度的主觀臆斷性[1-13]。過去的20年中,直接利用樣本數(shù)據(jù)驅(qū)動的探索型數(shù)據(jù)分析方法在國際統(tǒng)計(jì)界獲得了很大的認(rèn)可,投影尋蹤(ProjectionPursuit,PP)是此類方法的代表[14-15]。投影尋蹤方法適合于處理因素較多的復(fù)雜問題,通過某種組合將高維數(shù)據(jù)投影到低維空間,尋找投影函數(shù)的最優(yōu)值,再對高維數(shù)據(jù)的特征進(jìn)行研究。依據(jù)投影尋蹤方法的基本思路結(jié)合動態(tài)聚類分析可以建立投影尋蹤動態(tài)聚類(ProjectionPursuitCluster,PPC)模型,對混凝土構(gòu)件的耐久性等級進(jìn)行評估分類,現(xiàn)場檢測的樣本數(shù)據(jù)越多,所涵蓋的范圍越廣,則其判定的耐久性等級越貼近實(shí)際。

本文應(yīng)用熵投影尋蹤動態(tài)聚類方法對混凝土構(gòu)件的耐久性等級進(jìn)行評估,以沿海水閘的混凝土構(gòu)件為例,根據(jù)常規(guī)的水閘混凝土構(gòu)件檢測參數(shù),選取評估因子,建立水閘鋼筋混凝土構(gòu)件的投影尋蹤動態(tài)聚類評估模型,并列舉工程實(shí)例計(jì)算以證實(shí)該方法是否可行。

1 水閘鋼筋混凝土構(gòu)件評估模型

根據(jù)比較常規(guī)的水閘鋼筋混凝土檢測參數(shù),選取回彈值或芯樣強(qiáng)度、鋼筋保護(hù)層厚度、混凝土碳化以及鋼筋銹蝕程度作為水閘混凝土構(gòu)件的評估因子,結(jié)合投影尋蹤動態(tài)聚類的評估方法,建立水閘鋼筋混凝土構(gòu)件的評估模型。

1.1 評估因子函數(shù)的建立

水閘鋼筋混凝土構(gòu)件評估模型中的各個評估因子值的物理意義不同,彼此之間并不具備可比性,因此,將各個評估因子的評估值統(tǒng)一量化為[0,1]區(qū)間內(nèi)的值,并加以規(guī)定,當(dāng)評分值為1時,該指標(biāo)所反映的性能為最好,當(dāng)評分值為0時,該指標(biāo)所反映的性能為最差。

(1) 混凝土強(qiáng)度R

利用混凝土回彈值N來表示混凝土的強(qiáng)度,混凝土強(qiáng)度反映了鋼筋混凝土保護(hù)層厚度C致密的程度,據(jù)統(tǒng)計(jì),當(dāng)N>50,C>30mm時,鋼筋可擁有超出70a的保護(hù)期;當(dāng)N<20時,混凝土碳化30a后的深度約為60mm～100mm[2]。因此建立混凝土回彈值的評估函數(shù)為：

(1)

R越高,則密實(shí)性越好,其抗碳化的性能也越好。研究發(fā)現(xiàn),R≤15 MPa時,混凝土抗碳化的性能不太理想;R≥30 MPa時,混凝土才擁有較好的抗碳化性能[2]。因此,可建立混凝土強(qiáng)度的評估函數(shù)為：

(2)

若檢測結(jié)果中僅有μ(1.1)和μ(1.2)其中一個時,直接取其為混凝土回彈值或強(qiáng)度評估因子值μ(1),若檢測結(jié)果中同時有μ(1.1)和μ(1.2)時,取

μ(1)=min[μ(1.1)，μ(1.2)]

(2) 鋼筋保護(hù)層厚度C

混凝土的質(zhì)量保持不變時，C一般與鋼筋保護(hù)周期的平方根成正比[2],且影響鋼筋鈍化膜被破壞后進(jìn)入的不穩(wěn)定期以及鋼筋的銹蝕期。建立鋼筋保護(hù)層厚度的評估因子函數(shù)為

(3)

(3) 混凝土碳化深度h

h可以利用現(xiàn)場檢測的平均值及其均方差的和來計(jì)算,其對混凝土構(gòu)件耐久性的影響可通過h/C來表示,因此,建立評估因子函數(shù)為

(4)

(4) 鋼筋銹蝕率Ψ

試驗(yàn)表明,Ψ<1%時,對結(jié)構(gòu)的影響微乎其微,Ψ處于1%～5%區(qū)間時,對結(jié)構(gòu)的影響很小,Ψ≥10%時,鋼筋無明顯屈服,但是對伸長率的影響較大,進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的承載、抗震,導(dǎo)致構(gòu)件易發(fā)生脆性破壞[2]。通過鋼筋沒有銹蝕部分測點(diǎn)的百分率PΨ、鋼筋的均銹蝕率Ψ來表示因鋼筋銹蝕引起的構(gòu)件耐久性的降低,建立評估因子函數(shù)為

(5)

1.2 投影尋蹤動態(tài)聚類評估法

投影尋蹤動態(tài)聚類法是投影尋蹤與動態(tài)聚類的結(jié)合,在投影尋蹤方法的基礎(chǔ)上,結(jié)合動態(tài)聚類來構(gòu)建投影尋蹤動態(tài)聚類模型的投影指標(biāo)。投影指標(biāo)是模型建立的核心,構(gòu)造合適的投影指標(biāo)可以獲得滿意的評估結(jié)果。建立投影尋蹤動態(tài)聚類評估模型主要分為以下幾步。

1.2.1 將各個評價(jià)指標(biāo)值歸一化

(6)

式中：x*(i,j)為歸一化處理后的指標(biāo)值；minx(j)為樣本集合中第j個指標(biāo)的最小值;maxx(j)為樣本集合中第j個指標(biāo)的最大值。

1.2.2 構(gòu)建投影指標(biāo)函數(shù)

(7)

式中：a為單位長度向量。

樣本中投影特征值序列的集合可以記為Ω={z1，z2，……，zn},結(jié)合實(shí)際情況,利用動態(tài)聚類法將其聚為p(p≤n)類,實(shí)現(xiàn)過程如下[5]:

(1) 隨機(jī)取p個點(diǎn)作為聚核,記做L0=(A10,A20,…,Ap0);

(4) 以上步驟重復(fù),可獲一個分類結(jié)果序列

Vk=(Lk,Θk)，k=1,2,…

Θh=(h=1,2,…,p)為第h類的所有樣本投影特征值的集合,定義d(zi，zj)為任意兩個投影特征值之間距離的絕對值。

教育心理學(xué)告訴我們，相容的師生關(guān)系直接影響著學(xué)生的學(xué)習(xí)情緒，師生心理相容能提離教學(xué)效果。學(xué)生喜歡這位老師，就相信老師講授的道理，愿意學(xué)習(xí)老師講授的知識，自然就對老師講的課表現(xiàn)出濃厚的興趣，這就是我們常說的”愛屋及烏”。相反，如果學(xué)生不喜歡，甚至害怕這位老師，要想他們對這位老師所授的課程感興趣是很困難的?？梢姡ぐl(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，必須在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生對老師的親切感，創(chuàng)造一個師生心理相容的良好環(huán) 境。教師要做學(xué)生的知心朋友，建立起相互信任、尊重、幫助、團(tuán)結(jié)、友愛、共同進(jìn)步的良好關(guān)系。學(xué)生親其師，才能信其道，樂其道。

由接近度和分散度提出模型的投影指標(biāo)Q(a)為

Q(a)=ss(a)-dd(a)

(8)

1.2.3 對投影指標(biāo)函數(shù)優(yōu)化

當(dāng)各個指標(biāo)值的樣本集合已確定時,Q(a)僅與投影方向a相關(guān)。最優(yōu)投影方向可反映為求解投影指標(biāo)函數(shù)Q(a)的最大化問題,即：

maxQ(a)=SzDz

(9)

(10)

2 工程實(shí)例

選擇江蘇省沿海地區(qū)的淮河入海水道海口樞紐工程、梁垛河南閘、射陽上老湖閘、南通市九圩港閘、連云港龍溝河閘、響水縣坎響河北套閘、連云港市獅樹套閘、贛榆縣青龍大溝進(jìn)水閘以及連云港市燒香河北閘共9個水閘的閘墩作為評估實(shí)例,根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果,結(jié)合水閘鋼筋混凝土構(gòu)件的投影尋蹤動態(tài)聚類評估模型,對水閘的閘墩進(jìn)行耐久性評估計(jì)算,其主要檢測結(jié)果見表1,表1中的各個參數(shù)為檢測結(jié)果平均值。

表1 水閘閘墩評估指標(biāo)檢測結(jié)果

表2 水閘閘墩評價(jià)指標(biāo)歸一化處理結(jié)果

根據(jù)閘墩的調(diào)研情況,將其劃分了三個耐久性等級(n=1,2,3),分別表示好,中、差。利用鋼筋混凝土構(gòu)件評估模型進(jìn)行計(jì)算,其中樣本數(shù)n=11,指標(biāo)數(shù)m=4,類別數(shù)p=3,得到最優(yōu)投影方向向量為a*=(0.4204,0.1350,0.2274,0.2172),將a*代入到式(1)后即得到閘墩檢測樣本投影值z*(i),結(jié)果見表3,投影特征值z*(i)越大,則代表閘墩耐久性越好。

表3 閘墩檢測樣本投影值及分類結(jié)果

表3中,根據(jù)投影特征值進(jìn)行聚類可得出水閘閘墩樣本的分類結(jié)果,其中獅樹套閘和燒香河北閘的閘墩屬于同一級構(gòu)件,為第1類,可評估為好,此類構(gòu)件可繼續(xù)使用,適當(dāng)?shù)臅r候可對其定期監(jiān)測,預(yù)測鋼筋保護(hù)期等;?？跇屑~工程、梁垛河南閘、龍溝河閘、坎響河北套閘以及青龍大溝進(jìn)水閘屬于同一級構(gòu)件,為第2類,可評估為中等,此類構(gòu)件暫時可供使用,根據(jù)劣化的程度對病害部位進(jìn)行修復(fù),病害非常嚴(yán)重的構(gòu)件可能需采取加固和更新等措施,定期監(jiān)測構(gòu)件的工況;射陽上老湖閘和九圩港閘屬于同一級構(gòu)件,為第3類,可評估為差,此類構(gòu)件應(yīng)對其實(shí)施全面保護(hù),采用粘貼鋼板或者玻璃鋼加固,更換保護(hù)層,嚴(yán)重的應(yīng)直接更新。

投影尋蹤動態(tài)聚類模型運(yùn)算時除樣本的聚類數(shù)外,無須人為設(shè)定其它參數(shù)即可獲得聚類結(jié)果,該模型客觀性強(qiáng),有利于應(yīng)用推廣。

3 結(jié) 論

本文結(jié)合鋼筋混凝土構(gòu)件的影響因素,根據(jù)比較常規(guī)的檢測參數(shù),選取回彈值或芯樣強(qiáng)度、鋼筋保護(hù)層厚度、混凝土碳化以及鋼筋銹蝕程度作為鋼筋混凝土構(gòu)件的評估因子,結(jié)合投影尋蹤動態(tài)聚類的評估方法,建立了鋼筋混凝土構(gòu)件的評估模型。通過工程實(shí)例計(jì)算,可以看出該模型可以很好地適用于鋼筋混凝土構(gòu)件的耐久性等級評估,投影尋蹤動態(tài)聚類法切實(shí)可行,且評估時不需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)人為地設(shè)置權(quán)重,擯棄了評估過程中的主觀因素,為多因素分類評估問題的解決開辟了一條新途徑。

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Durability Assessment of Concrete Members Based on Entropy Projection Pursuit of Dynamic Clusters

YUAN Yao, WANG Xiaoyong, LU Mingzhi, WANG Shouyun

(JiansuInstituteofHydraulicResearch,Yangzhou,Jiangsu225002,China)

It is of very important economic value and social significance to evaluate the durability of concrete members. The evaluation model of reinforced concrete members was established in accordance with some testing parameters of conventional concrete members and the influencing factors of durability, as well as in combination with the characteristics of entropy projection pursuit dynamic cluster(PPDC) method. Practical engineering calculation indicates that the model is suitable for durability assessment of concrete members and the PPDC method is feasible. PPDC is an exploratory data analysis method powered by the sample data, which is different from the other evaluation processes with presumed classification grades being confirmed by the subsequent actual evaluation, it does not rely on experienced subjective judgements. PPDC proposed a new way to solve the evaluation problem of multiple factors.

concrete members; durability; projection pursuit dynamic cluster; assessment

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.05.020

2015-05-14

2015-06-11

江蘇省水利科技項(xiàng)目(2014044)；江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(k13029)

袁 堯(1985—),男，江蘇泰興人，博士，工程師，主要從事跨流域調(diào)水方面的研究工作。 E-mail:yaoyzdx@126.com

S277.9；TV131.4

A

1672—1144(2015)05—0102—04