一种桥梁腐蚀监测与寿命预测方法

摘要

本发明公开了一种桥梁腐蚀监测与寿命预测方法，该方法通过三组安装在桥梁不同深度的氯离子浓度传感器以及腐蚀速率传感器所反馈的数据利用菲克第二定律等方法综合判断该桥梁当前状态距离桥梁腐蚀开裂阶段的时间，得出桥梁在没有维护情况下的剩余寿命，实现了对桥梁腐蚀状态的监测和对桥梁寿命的预测。本发明主要解决了对于已建成桥梁腐蚀状态的监测问题，并能通过传感器数据预测桥梁结构的剩余寿命，提醒维护人员及时进行桥梁维护，保障了桥梁结构的安全性和交通的正常通行。

说明书

技术领域

本发明属于钢筋混凝土桥梁结构监测领域，涉及一种利用混凝土结构氯离子浓 度、腐蚀速率预测该结构物寿命的分析方法。

背景技术

由以氯离子为主的金属离子扩散而引发的钢筋混凝土结构的腐蚀是桥梁结构损 坏的最主要原因。因此对于钢筋混凝土的桥梁结构，实时监测其结构健康状态对于保 证桥梁结构的安全性及交通运输的正常通行具有非常重要的意义。现有的腐蚀监测传 感器大多数无法有效的监测腐蚀的长期扩散状况，也无法根据当前的腐蚀情况预测桥 梁结构的剩余寿命。这一缺陷导致桥梁维护人员需要通过自己的相关经验判断传感器 所反馈的数据，降低了对桥梁结构监测的及时性，同时也大大增加了桥梁维护人员的 工作量。目前，许多新建混凝土结构中已使用了各种长期监测腐蚀状况的钢筋网腐蚀 传感器，但这些传感器安装的复杂性导致这些传感器并不适合用于已建成的钢筋混凝 土结构。因此，对已建成的钢筋混凝土桥梁结构的腐蚀监测和寿命预测则显得较为重 要。

针对已建成钢筋混凝土桥梁结构的腐蚀监测和寿命预测问题，本专利所提出的一 种桥梁腐蚀监测与寿命预测的方法，能够通过在已建成桥梁结构的三个不同深度安装 氯离子浓度传感器，并配以腐蚀速率传感器，即可利用传感器数据即时判断当前桥梁 结构的腐蚀状况，并通过数据推算出当前时刻距离腐蚀开裂时刻的时间。传感器的安 装较为简单，而完善的系统算法也为桥梁维护人员节约了大量的时间和工作量。本发 明能够及时提醒桥梁维护人员对桥梁的维护，也保障了桥梁结构的安全性及交通的正 常通行。

发明内容

技术问题：本发明提供一种针对已建成桥梁，实时监测其腐蚀状况，并通过数据 预测该桥梁结构的剩余寿命，能够极大的保障桥梁结构的安全性和交通运输正常通行 的桥梁腐蚀监测与寿命预测方法。

技术方案：本发明的桥梁腐蚀监测与寿命预测方法，包括以下步骤：

步骤1）在桥梁混凝土桥墩中设置等距直线排列的至少三个氯离子浓度传感器， 记氯离子传感器个数为N个，同时在直线两端的氯离子浓度传感器之间连线的中点处 设置腐蚀速率传感器；通过氯离子浓度传感器分别采集时刻t₁，t₂，…t_i…t_S下桥梁各 个点位X₁、X₂、…X_n…X_N处的氯离子浓度，其中t_i为第i个时刻，i为时刻序号， i=1,2，…，S，t₁为第一个数据采集时刻，t_S为进行寿命预测的时刻，即当前时刻，S 为进行寿命预测的时刻序号，X_n为第n处点位，n=1,2，…，N，在t_i时刻下所采集的 各个点位的氯离子浓度值分别记为C(X₁,t_i)，C(X₂,t_i)，…，C(X_n,t_i)，…C(X_N,t_i)；同时 通过腐蚀速率传感器采集时刻t₁，t₂，…t_i…t_S下的腐蚀速率，分别记为CR₁，CR₂，… CR_i…CR_S；

步骤2）按照如下方法分别对各时刻的氯离子浓度C(X₁,t_i)，C(X₂,t_i)，…，C(X_n,t_i)，… C(X_N,t_i)，以及腐蚀速率CR_i进行初次筛选：

a）如果t_i时刻深度X₁、X₂、…X_n…X_N处所对应的一组氯离子浓度值C(X₁,t_i)， C(X₂,t_i)，…，C(X_n,t_i)，…C(X_N,t_i)有以下情形之一，则剔除该组数据：

任意一个氯离子浓度值为负值，

任意一个氯离子浓度值>2.0M，

该组氯离子浓度值的相关系数r的绝对值|r|<0.75；

b）如果t_i时刻的腐蚀速率CR_i有以下情形之一，则剔除该数据：

腐蚀速率CR_i为负值，

腐蚀速率CR_i小于上一时刻t_i-1的测量值CR_i-1，

CR_i-1<0.1uA/cm²且CR_i>1.0uA/cm²；

步骤3）首先，根据所述步骤2）初次筛选过后的数据，对于每一时刻t_i的一组 氯离子浓度值C(X₁,t_i)，C(X₂,t_i)，…，C(X_n,t_i)，…C(X_N,t_i)，利用菲克第二定律计算时 刻t_i对应的表面氯离子浓度C_S(i)和扩散系数D_i；

然后根据下列方程，求解出每个时刻t_i对应的腐蚀开始时刻T_th(i)：

$C_{\mathrm{th}}=C_0+(C_{S\left(i\right)}-C_0)[1-\mathrm{erf}\left(\frac{X_N}{2\sqrt{D_i\mathrm{Tth}\left(i\right)}}\right)$

其中：C_th为氯离子浓度临界值，C₀为初始氯离子浓度值，erf为误差函数，T_th(i)为 腐蚀开始时刻；

步骤4）按照以下方法对每个时刻t_i下的腐蚀开始时刻T_th(i)和经过步骤2）初次 筛选的腐蚀速率CR_i进行检验：

如果满足T_th(i)>t_i，且CR_i>1，则剔除该组数据，否则进一步判断是否满足T_th(i)≤t_i， 且CR_i<0.1，如是，则剔除该组数据，否则保留该组数据；

步骤5）根据所述步骤4）中检验后的数据，按照以下方法计算每个时刻t_i距离 腐蚀开裂阶段开始时刻的时间，即时刻t_i的腐蚀开裂预测时间T_i：

如果T_th(i)>t_i，则根据公式T_i=T_th(i)-t_i+T_add计算时刻t_i的腐蚀开裂预测时间T_i；

否则根据公式T_i=T_add计算时刻t_i的腐蚀开裂预测时间T_i，其中T_add为从腐蚀开 始时刻到腐蚀开裂阶段开始时刻的时间；

步骤6）判断当前时刻t_S对应的腐蚀开裂预测时间T_S是否满足T_S=T_add，如是， 则当前时刻t_S对应的腐蚀开裂最终预测时间T=T_S；

否则，利用所述步骤5）中得到的T₁，T₂，…T_i，…T_S，根据下列两式拟合出 线性回归方程T_i=bt_i+a的常数项a，和时间t_i的系数b；

其中和分别为t₁，t₂，…t_i，…t_S和T₁，T,₂，…， Ti，…Ts的平均值；

然后根据线性回归方程T_i=bt_i+a，计算出当前时刻t_S对应的腐蚀开裂最终预测时 间T=T_S=bt_S+a。

本发明方法的步骤3）中利用菲克第二定律计算t_i时刻对应的表面氯离子浓度C_S(i)和扩散系数D_i的具体步骤为：

从t_i时刻的N个氯离子浓度值C(X₁,t_i)，C(X₂,t_i)，…，C(X_n,t_i)，…C(X_N,t_i)中，任 意选取两处点位X_n，X_m的的氯离子浓度值，代入菲克第二定律公式，得到如下方程 组：

$\left(\begin{array}{c}C(X_n,t_i)=C_0+(C_{S\left(i\right)\mathrm{mn}}-C_0)[1-\mathrm{erf}\left(\frac{X_n}{2\sqrt{D_{\mathrm{imn}}{t}_i}}\right)]\\ C(X_m,t_i)=C_0+(C_{S\left(i\right)\mathrm{mn}}-C_0)[1-\mathrm{erf}\left(\frac{X_m}{2\sqrt{D_{\mathrm{imn}}{t}_i}}\right)]\end{array}\right)$

求解方程组，得到点位X_n和X_m所对应的一组表面氯离子浓度C_S(i)mn和扩散系 数D_imn；

按照上述方法，求解得到所有两处不同点位X_n，X_m的组合所对应的表面氯离子 浓度C_S(i)mn和扩散系数D_imn；

将求解得到的所有C_S(i)mn求平均值，即得到t_i时刻对应的表面氯离子浓度C_S(i)， 将所有D_imn求平均值，即得到t_i时刻对应的扩散系数D_i。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明提供的一种桥梁腐蚀监测与寿命预测的方法，通过在已建成桥梁的混凝土 桥墩中设置等距直线排列的至少三个氯离子浓度传感器以及腐蚀速率传感器，同时在 直线两端的氯离子浓度传感器之间连线的中点处设置腐蚀速率传感器，实时反馈桥梁 内部的氯离子浓度和腐蚀速率，监测已建成桥梁结构的腐蚀状况；并通过传感器所反 馈数据进行数据质量控制，数据质量控制能够根据逻辑条件，自动判断传感器数据的 合理性，避免异常数据对预测的影响；同时，该方法还可根据菲克第二定律及其改进 方法，较为准确的预测腐蚀开裂时刻，预测出该桥梁结构的剩余使用寿命，及时向桥 梁维护人员提供信息，大大减少了桥梁维护人员的工作量。

与现有技术相比，本发明提供的一种桥梁腐蚀监测与寿命预测的方法，大大提高 了对已建成桥梁腐蚀监测与寿命预测的可行性和持续性。现有的较多腐蚀预测技术都 是通过在新建混凝土结构中安装长期监测腐蚀状况的钢筋网腐蚀传感器，实现对结构 腐蚀情况的长期监测，但这些传感器的安装难度使得这些技术无法运用在大多数已建 成的桥梁结构中，本发明所提出的方法仅需通过在桥梁桥墩处的不同深度通过打孔方 式安装传感器，即可实现桥梁结构的监测，相较于现有的预测方法中较为复杂的传感 器安装具有非常大的优势，大大降低了腐蚀监测及桥梁寿命预测技术的实现难度。同 时，该技术在监测桥梁结构腐蚀情况的同时，并没有盲目的相信传感器数据，而是对 所有数据都先进行数据质量控制，通过数据质量控制剔除因为偶然的环境突变或者传 感器故障而产生的异常数据，相较现有的大部分仅仅依靠传感器读数的技术，极大的 增加了数据的可靠性和准确性，数据质量控制也可通过对比数据，及时发现部分传感 器的隐藏故障，提示维护人员及时排查，避免了长时间的传感器故障，增加了数据的 准确性；根据菲克第二定律这一成熟算法的改进，本方法还可科学的预测已建成桥梁 在不维护的情况下到达腐蚀开裂阶段的时间，输出该桥梁结构的剩余寿命，这一点也 是现有的腐蚀监测技术没有关注的一方面，直接输出的桥梁剩余寿命为桥梁维护人员 能够及时对桥梁采取维护措施提供了方便，从而保证了桥梁结构的安全性以及交通的 正常运行。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的具体说明。

如图1所示为本发明方法的总体流程图，包括以下步骤：

步骤1）在桥梁混凝土桥墩中设置等距直线排列的至少三个氯离子浓度传感器， 记氯离子传感器个数为N个，同时在直线两端的氯离子浓度传感器之间连线的中点处 设置腐蚀速率传感器；氯离子传感器和腐蚀速率传感器每间隔一定时间反馈并记录氯 离子浓度和腐蚀速率数据，在本实施方法中，设置为传感器每四个小时反馈一组数据， 通过氯离子浓度传感器可得到时刻t₁，t₂，…t_i…t_S下桥梁各个点位X₁、X₂、…X_n… X_N处的氯离子浓度，其中t_i为第i个时刻，i为时刻序号，i=1,2，…，S，t₁为第一个 数据采集时刻，即上一次进行寿命预测之后传感器记录第一组数据的时刻；t_S为本次 进行寿命预测的时刻，即当前时刻，S为进行寿命预测的时刻序号，X_n为第n处点 位，n=1,2，…，N，在t_i时刻下所采集的各个点位的氯离子浓度值分别记为C(X₁,t_i)， C(X₂,t_i)，…，C(X_n,t_i)，…C(X_N,t_i)；同时通过腐蚀速率传感器采集时刻t₁，t₂，…t_i…t_S下的腐蚀速率，分别记为CR₁，CR₂，…CR_i…CR_S；

步骤2）按照如下方法分别对各时刻的氯离子浓度C(X₁,t_i)，C(X₂,t_i)，…，C(X_n,t_i)，… C(X_N,t_i)，以及腐蚀速率CR_i进行初次筛选：

a）如果t_i时刻深度X₁、X₂、…X_n…X_N处所对应的一组氯离子浓度值C(X₁,t_i)， C(X₂,t_i)，…，C(X_n,t_i)，…C(X_N,t_i)有以下情形之一，则剔除该组数据：

任意一个氯离子浓度值为负值，浓度值不符合实际情况，

任意一个氯离子浓度值>2.0M，浓度值异常偏大，

各深度处所对应的浓度值严重非线性，即该组氯离子浓度值的相关系数r的绝对 值|r|<0.75；其中，氯离子浓度值的相关系数r的计算公式为：

$r=\frac{N{\Sigma }_{n=1}^N{X}_{n}C(X_N,t_i)-{\Sigma }_{n=1}^N{X}_n{\Sigma }_{n=1}^{N}C(X_N,t_i)}{\sqrt{N{\Sigma }_{n=1}^N{X}_n^2-{\left({\Sigma }_{n=1}^N{X}_n\right)}^2}·\sqrt{N{\Sigma }_{n=1}^{N}C{(X_N,t_i)}^2{-\left({\Sigma }_{n=1}^{N}C(X_N,t_i)\right)}^2}}$

b）如果t_i时刻的腐蚀速率CR_i有以下情形之一，则剔除该数据：

腐蚀速率CR_i为负值，腐蚀速率值不符合实际情况，

腐蚀速率CR_i小于上一时刻t_i-1的测量值CR_i-1，

CR_i-1<0.1uA/cm²且CR_i>1.0uA/cm²，两次读数变化异常大；

步骤3）首先，根据所述步骤2）初次筛选过后的数据，对于每一时刻t_i的一组 氯离子浓度值C(X₁,t_i)，C(X₂,t_i)，…，C(X_n,t_i)，…C(X_N,t_i)，利用菲克第二定律计算时 刻t_i对应的表面氯离子浓度C_S(i)和扩散系数D_i；

步骤3）中利用菲克第二定律计算t_i时刻对应的表面氯离子浓度C_S(i)和扩散系数 D_i的具体步骤为：

从t_i时刻的N个氯离子浓度值C(X₁,t_i)，C(X₂,t_i)，…，C(X_n,t_i)，…C(X_N,t_i)中，任 意选取两处点位X_n，X_m的的氯离子浓度值，代入菲克第二定律公式，得到如下方程 组：

$\left(\begin{array}{c}C(X_n,t_i)=C_0+(C_{S\left(i\right)\mathrm{mn}}-C_0)[1-\mathrm{erf}\left(\frac{X_n}{2\sqrt{D_{\mathrm{imn}}{t}_i}}\right)]\\ C(X_m,t_i)=C_0+(C_{S\left(i\right)\mathrm{mn}}-C_0)[1-\mathrm{erf}\left(\frac{X_m}{2\sqrt{D_{\mathrm{imn}}{t}_i}}\right)]\end{array}\right)$

求解方程组，得到点位X_n和X_m所对应的一组表面氯离子浓度C_S(i)mn和扩散系 数D_imn；

按照上述方法，求解得到所有两处不同点位X_n，X_m的组合所对应的表面氯离子 浓度C_S(i)mn和扩散系数D_imn；

将求解得到的所有C_S(i)mn求平均值，即得到ti时刻对应的表面氯离子浓度C_S(i)， 将所有D_imn求平均值，即得到t_i时刻对应的扩散系数D_i。

然后根据下列方程，求解出每个时刻t_i对应的腐蚀开始时刻T_th(i)：

$C_{\mathrm{th}}=C_0+(C_{S\left(i\right)}-C_0)[1-\mathrm{erf}\left(\frac{X_N}{2\sqrt{D_i\mathrm{Tth}\left(i\right)}}\right)$

其中：C_th为氯离子浓度临界值，通常可取常数1.4，也可视实际情况而定，C₀为初始氯离子浓度值，本方法实施过程中取常数0，也可根据不同桥梁的实地测量值 修改，erf为误差函数，Tth(i)为腐蚀开始时刻；

步骤4）按照以下方法对每个时刻t_i下的腐蚀开始时刻T_th(i)和经过步骤2）初次 筛选的腐蚀速率CR_i进行检验：

如果满足T_th(i)>t_i，且CR_i>1，则表明该情况下桥梁结构还未到达腐蚀开始时刻， 但此时腐蚀传感器反馈的腐蚀速率已经超过1.0uA/cm²，该情况与实际情况不符，应 当剔除该组数据，否则进一步判断是否满足T_th(i)≤t_i，且CR_i<0.1，如是，则表明该种 情况下桥梁结构已经到达腐蚀开始时刻，而传感器所反馈的腐蚀速率却仍旧小于0.1 uA/cm²，该情况也与实际情况不符，应当剔除该组数据，若出现上述两种情况，则说 明在初步的数据筛选之后仍旧有不符合实际情况的数据存在，此时表明部分传感器有 可能已经发生故障，因此在判断出上述两种情况后可发出传感器故障警报，提醒维护 人员对各传感器状态进行检测，防止因传感器故障而导致的数据失真。若上述两种情 况都不符合，则保留该组数据；

步骤5）根据所述步骤4）中检验后的数据，按照以下方法计算每个时刻t_i距离 腐蚀开裂阶段开始时刻的时间，即时刻t_i的腐蚀开裂预测时间T_i：

如果T_th(i)>_ti，表明在t_i时刻该桥梁还未进入腐蚀开始阶段，则根据公式 T_i=T_th(i)-t_i+T_add计算时刻t_i距离腐蚀开裂阶段的预测时间T_i；

否则可认为在t_i时刻该桥梁结构已经开始腐蚀，根据公式T_i=T_add计算时刻t_i的腐 蚀开裂预测时间T_i；

其中T_add为从腐蚀开始阶段到腐蚀开裂阶段的时间，这段时间视不同桥梁结构的 腐蚀快慢而定，可通过实地检测得出，在本方法的实施中根据实地经验定为3年，此 值也可根据其他不同桥梁的实际情况进行修改；

步骤6）判断当前时刻t_S对应的腐蚀开裂预测时间T_S是否满足T_S=T_add，如是则 表明到当前时刻t_S为止该桥梁结构已经达到腐蚀开始阶段，则当前时刻t_S对应的腐蚀 开裂最终预测时间T=T_S；

否则，则表明到当前时刻t_S为止该桥梁结构还未进入腐蚀开始阶段，利用所述步 骤5）中得到的T₁，T₂，…T_i，…T_S，根据下列两式拟合出线性回归方程T_i=bt_i+a 的常数项a，和时间t_i的系数b；

其中和分别为t₁，t₂，…t_i，…t_S和T₁，T,₂，…， Ti，…Ts的平均值；

然后根据线性回归方程T_i=bt_i+a，计算出当前时刻t_S对应的腐蚀开裂最终预测时 间T=T_S=bt_S+a。

应理解上述实施例仅用于说明本发明技术方案的具体实施方式，而不用于限制本 发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改 和替换均落于本申请权利要求所限定的保护范围。