基于模糊系統(tǒng)方法的混凝土強(qiáng)度評(píng)定模型研究.pdf

1、近年來(lái)建筑工程質(zhì)量事故已經(jīng)成為困擾土木工程界的一個(gè)世界性問(wèn)題?；炷潦墙ㄖこ讨凶钪饕慕Y(jié)構(gòu)材料之一。工程質(zhì)量事故的發(fā)生多與混凝土抗壓強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求有密切的關(guān)系。因此，加強(qiáng)混凝土的質(zhì)量檢測(cè)與控制成為當(dāng)今建筑工程技術(shù)中的重要課題。在我國(guó)，混凝土無(wú)損檢測(cè)以其簡(jiǎn)單、易行、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度評(píng)定。根據(jù)多個(gè)被測(cè)物理量從不同角度對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行綜合評(píng)定，比單一物理量的無(wú)損檢測(cè)方法具有更高的準(zhǔn)確性和可靠性，是目前混凝土強(qiáng)度無(wú)損檢

2、測(cè)技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。但是同時(shí)考慮多個(gè)被測(cè)物理量并不能克服混凝土強(qiáng)度評(píng)定中的不確定性，混凝土強(qiáng)度評(píng)定受到如原材料、配合比、齡期、養(yǎng)護(hù)條件等多個(gè)因素的影響，具有一定的不確定性。模糊數(shù)學(xué)是解決不確定問(wèn)題的有力工具，因此，本文提出了一種基于模糊系統(tǒng)方法的混凝土強(qiáng)度多參數(shù)綜合評(píng)定模型。主要完成了以下工作： (1)提出了一個(gè)針對(duì)混凝土強(qiáng)度評(píng)定問(wèn)題的特殊的建模優(yōu)化方案。整個(gè)過(guò)程并不是單向的，而是循環(huán)的。隨著模型的不斷使用，數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)

3、將會(huì)不斷增多，新的知識(shí)將被發(fā)現(xiàn)，已有的知識(shí)可能會(huì)被修正，知識(shí)的精度將會(huì)越來(lái)越高，蘊(yùn)含在數(shù)據(jù)中的信息的價(jià)值將得到體現(xiàn)，大量的工程檢測(cè)數(shù)據(jù)將得到有效利用。 (2)在青島市建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站的配合下，對(duì)青島地區(qū)5市3區(qū)范圍內(nèi)混凝土常用原材料的基本情況進(jìn)行了較細(xì)致的調(diào)查，包括：常用的水泥廠家、品種情況；常用的細(xì)骨料級(jí)配情況；常用的粗骨料品種、級(jí)配情況；常用的混凝土外加劑品種等。為后續(xù)的混凝土無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)提供了可靠的依據(jù)。 (3)

4、采用青島地區(qū)具有代表性的混凝土原材料及成型養(yǎng)護(hù)條件，嚴(yán)格按照地區(qū)測(cè)強(qiáng)規(guī)程的要求，制作了一千兩百多組標(biāo)準(zhǔn)試件。對(duì)這些試件進(jìn)行非破損法檢測(cè)和試壓法測(cè)定抗壓強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)兩年系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，建立了一個(gè)適合于青島地區(qū)的混凝土強(qiáng)度評(píng)定原始數(shù)據(jù)集，其中每組數(shù)據(jù)均由超聲值(km／s)、回彈值、碳化深度值(mm)、含水率(％)和混凝土抗壓強(qiáng)度(MPa)，共計(jì)5個(gè)被測(cè)參數(shù)組成；提出了數(shù)據(jù)集中一些數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法；確定了混凝土強(qiáng)度模糊評(píng)定模型的輸入變量為：超聲

5、值、回彈值、碳化深度值、含水率，輸出變量為：混凝土抗壓強(qiáng)度值。 (4)通過(guò)獨(dú)立編程，提出了適合于結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度評(píng)定的模糊建模方法。將超聲值、回彈值、碳化深度值和含水率四個(gè)被測(cè)參數(shù)作為模型輸入，混凝土抗壓強(qiáng)度值作為模型輸出，通過(guò)對(duì)模型輸入—輸出數(shù)據(jù)對(duì)的訓(xùn)練，提取IF-THEN模糊規(guī)則，形成模糊規(guī)則庫(kù)。為了建立一個(gè)完備的規(guī)則庫(kù)，提出了一種在沒(méi)有樣本數(shù)據(jù)覆蓋的區(qū)域形成外延規(guī)則的技術(shù)。采用單值模糊器、乘積推理機(jī)、中心平均解模糊器，建立混

6、凝土強(qiáng)度模糊評(píng)定模型。實(shí)驗(yàn)表明：該模型可以有效地映射出被測(cè)參數(shù)與混凝土強(qiáng)度之間復(fù)雜的非線性關(guān)系，模型預(yù)測(cè)的平均相對(duì)誤差為7.22％，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為9.51％，強(qiáng)度預(yù)測(cè)精度高于基于回歸算法的模型的精度，符合混凝土無(wú)損檢測(cè)規(guī)程關(guān)于地區(qū)混凝土強(qiáng)度評(píng)定精度的要求，可以為青島地區(qū)結(jié)構(gòu)的安全性鑒定提供可靠的依據(jù)。 (5)利用均值定理，研究了模糊模型的逼近精度，得出了誤差邊界及影響精度的三個(gè)主要因素，分別是：在輸入變量定義域上所定義的模糊集合個(gè)

7、數(shù)；輸出變量模糊集合中心與樣本值之間的偏差；欲逼近的未知函數(shù)的光滑程度。 (6)為了在保留盡量多的信息前提下，合理、高效地選擇模型的最優(yōu)輸入變量或變量組合，以求在后續(xù)工作中實(shí)現(xiàn)高效率，提出了一種評(píng)定模型各輸入變量重要性的方法。通過(guò)定義不同個(gè)數(shù)的模糊集合，根據(jù)模型預(yù)測(cè)精度的變化來(lái)評(píng)定各輸入變量的重要性。其現(xiàn)實(shí)意義在于：可以幫助工程檢測(cè)人員在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件有限的情況下，選擇最佳的變量作為被測(cè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)模型的效率優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)得到混凝土強(qiáng)度

8、模糊評(píng)定模型的各輸入變量，按重要性排序?yàn)椋夯貜椫?、超聲值、碳化深度值、含水率，其中回彈值最重要?(7)研究了如何在整個(gè)輸入變量空間合理地定義模糊集合的問(wèn)題，提出了一種通過(guò)調(diào)整和刪減模糊集合來(lái)實(shí)現(xiàn)模型優(yōu)化的算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)對(duì)模型的調(diào)整和修剪，提高了模型的精度。當(dāng)然該算法只能獲得局部最優(yōu)模型，但是它給我們提供了一種在函數(shù)關(guān)系復(fù)雜度較高的區(qū)域設(shè)置更多模糊集合的方法。 (8)研究了混凝土強(qiáng)度模糊評(píng)定軟件的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，該

9、軟件的主要功能包括：數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)建模、模型優(yōu)化和模型校驗(yàn)。具有界面友好、操作簡(jiǎn)便、可移植性強(qiáng)的特點(diǎn)。 基于模糊系統(tǒng)的建模方法是近年來(lái)智能控制和智能自動(dòng)化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。在混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)方面的應(yīng)用研究起步不久，目前尚未發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的研究報(bào)告。本文在這方面做了一些探索工作，提出了一種基于模糊系統(tǒng)方法的混凝土強(qiáng)度多參數(shù)綜合評(píng)定模型，與現(xiàn)行規(guī)程提供的方法相比，具有以下特點(diǎn)： ①同時(shí)考慮了多因素對(duì)混凝土測(cè)強(qiáng)精度的影響，采用綜合法

10、對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)定。可以較全面地反映混凝土的狀態(tài)，提高了評(píng)定結(jié)果的可靠性。 ②采用基于IF-THEN規(guī)則的模糊系統(tǒng)建模方法。既具有較高的預(yù)測(cè)精度又具有便于解釋的優(yōu)點(diǎn)。 ③充分考慮到實(shí)際工作中應(yīng)用的便利及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件的限制，只需改變對(duì)模型輸入變量的定義，就可以選擇具有不同輸入變量的模型結(jié)構(gòu)，具有一定的靈活性。 ④隨著樣本數(shù)目的不斷積累，該模型可以動(dòng)態(tài)地在新取的樣本基礎(chǔ)上進(jìn)行自學(xué)習(xí)，通過(guò)調(diào)整已有規(guī)則使模型的輸出值更