研究文章|开放获取
Liangliang陈冯张,导致长郡周, ”最大似然估计参数先进的连续配筋混凝土路面(该)Punchout校准模型”,土木工程的发展我>, 卷。2021年, 文章的ID7709027, 8 页面, 2021年。 https://doi.org/10.1155/2021/7709027
最大似然估计参数先进的连续配筋混凝土路面(该)Punchout校准模型
文摘
路面性能预测是路面设计的重要组成部分,这是非常重要的高速公路机构预算分配的目的。本研究介绍了当地的模型校准punchout,这是连续配筋混凝土路面的主要结构性困境(该)。假设等效单轴加载的数量(ESALs)导致punchout遵循威布尔分布。威布尔分布的参数估计,最大似然估计(标定)。此外,估计参数的初始值的方法也提出申请前牛顿法求解方程的可能性。回归结果发现从LTPP很好适应性能监视数据。拟议的校准模型能够描述punchout和可以用来预测的失败率和可靠性该路面设计和康复活动的安排。
1。介绍
预测路面性能的各种组合下交通水平、环境条件、路面结构和材料是高速公路的重要组成部分机构做出适当的预算决定的维护和康复活动<一个href="#B1">1一个>]。毫无疑问,危机预测的准确性取决于mechanistic-empirical的校准和验证(我)设计模型与独立的数据集。路面工程师可以肯定获得信心在设计模型校准过程,当我通过建立一个可接受的相关性预测和衡量祸患。本地校准系统和数学过程尽量减少观察和预测结果通过修改之间的区别,例如,经验校准参数,最终将发现一个函数的关键因素来提高预测模型的准确性(<一个href="#B2">2一个>]。没有机械的路面设计路面性能预测模型可以应用在实践中没有校准由于各种各样的环境条件,路面结构、材料、和交通负荷。为了提高精度、可靠性和鲁棒性的性能预测模型,从LTPP现场调查数据是利用在校准过程中<一个href="#B3">3一个>]。LTPP数据库是名副其实的最大的路面性能数据库,测试部分LTPP被广泛使用在校准过程中,可为路面工程师提供历史记录的气候信息,监测压力和反应,材料测试,维护,尤其是路面性能监控数据。LTPP数据用来进行路面性能的地方和国家校准许多研究人员在职柔性和刚性路面(<一个href="#B4">4一个>- - - - - -<一个href="#B7">7一个>),以及为预防性维修(生存分析<一个href="#B8">8一个>,<一个href="#B9">9一个>]。
然而,如前所述Prozzi和Madanat<一个href="#B10">10一个>),高品种的路面窘迫是一个事件,它是更合理的描述路面的失败概率密度的函数,而不是定点估计。值得注意的是,痛苦不是LTPP不断进行的调查数据;此外,祸患的发展是不一致的<一个href="#B7">7一个>]。录音punchouts以及其他类型的痛苦不是同时发生的路面失败。相反,只有punchouts制定的数量在间隔LTPP数据库中可用。路面性能调查通常是由不规则的间隔,从1 - 6年。因此,假设所有punchouts发生在每个间隔将不可避免地低估punchouts的发生的概率。
ESALs的数量为该小组被认为导致punchout服从威布尔分布和最大似然估计(标定)介绍了参数估计的参数,由于数据不足,建立校正模型。似然方程解决了牛顿法,并提出了最小二乘回归估计初始值。因此,调查数据的性能从LTPP GPS-5(该)中提取部分<一个href="#sec3">3一个>说明信度和效度的校准过程开发的这项研究。
2。校准模型
2.1。威布尔分布
威布尔分布是最受欢迎和广泛应用于一生的分析数据和可靠性,因为它首次引入了威布尔在1950年代(<一个href="#B11">11一个>]。它已经被证明是非常有效的建模和分析生命周期数据在医疗、生物和工程科学(<一个href="#B12">12一个>]。例如,威布尔加速失效时间模型,并成功地应用于预测路面疲劳(<一个href="#B13">13一个>]。
它是假定路面的疲劳过程遵循威布尔分布。两个参数威布尔分布的概率密度
被定义为疲劳寿命路面结构<我>T我>和时间函数F (<我>t我>)表示人行道将不良的概率,破裂,或punchout该到时间了<我>t我>说,<我>P我>(<我>T我>≤我>t我>);因此,
威布尔分布的生存功能,不能不良路面的概率至少一次<我>t我>,可以表示如下:
故障率函数对应于故障发生在短时间间隔的概率 ,作为接近零。威布尔分布的故障率函数
威布尔分布有各种各样的形状和能够描述样本的减少或增加故障率失败(<一个href="#B14">14一个>]。故障率可以多种多样的形状参数<我>β我>。的值<我>β我>> 1表明,故障率会增加随着时间的推移,将减少<我>β我>< 1。
威布尔分布被认为是更有利于描述制定路面痛苦指数分布,因为路面材料的机械性能,如弹性模量和断裂模量都在减少与增加路面的生活状态,并将增加对该混凝土失效的概率。因此,失败率可能不是一个恒定值(<我>β我>= 1)。
波特兰水泥混凝土(PCC)板可能会失败的横向开裂,纵向开裂,断裂、剥落,等。本研究专注于punchout,该的主要结构的痛苦。它是由Zollinger和Barenberg指出<一个href="#B15">15一个>]punchout痛苦疲劳相关的性质。该主要性能的影响不仅混凝土材料也基本层(<一个href="#B16">16一个>)指出,支持条件差加上短横向开裂的间隔通常导致punchout痛苦。我当前路面设计指南提供了实证校准模型如下(<一个href="#B17">17一个>]: 在阿宝表示总预测数量的每英里punchouts, FD是累积疲劳损伤(由于板横向弯曲),然后呢<我>一个我>,<我>b我>,<我>c我>为本地校准常数或全国性的校准模型。
荣格所提出和Zollinger<一个href="#B18">18一个>),fatigue-based FD可以确定的损害 在哪里<我>N我>e我>是等效单轴加载的数量(ESALs)和<我>N我>f我>容许相当于流量加载失败。
因此,该的生存函数可以表示为的函数<我>N我>e我>而不是生存时间<我>。N我>e我>都要遵循的威布尔分布,概率密度函数是什么
监测以来的痛苦不是连续的,只有号码<我>n我>j我>发生在每个时间间隔的<我>N我>e我> ,和间隔的总数<我>k + 1我>,<我>j我>=我>1、2⋯,<我>k, 0我>=我>N我>0我>< N我>1我>< < N⋯我>k我><我>N我>k + 1我>=我>∞我>。
punchout的概率发生的时间间隔 可以表达的
punchouts总数是观察在最近的调查<我>n我>p我>,然后,面板的数量表示混凝土面板的数量失去了观察的网站吗 在哪里在寿命试验板的总数LTPP测试部分。
威布尔分布的生存函数:
2.2。最大似然估计的参数
最大似然估计被广泛用于估计威布尔分布的参数(<一个href="#B19">19一个>],似然函数
我们微分方程(<一个href="#EEq11">12一个>)对两个未知参数和相等的结果为零方程如下:
方程(<一个href="#EEq13">13一个>)和(<一个href="#EEq13">14一个>)可以解决使用牛顿法,可以解决非线性系统方程的迭代法(<一个href="#B20">20.一个>]。
对于给定的方程,
删除的泰勒展开式在<我>x我>0在线性条件
的牛顿法解方程组 在哪里<我>J我>我我>的雅可比矩阵<我>f我>在 ,见以下表达式:
2.3。初始值估计
确保迭代方法的收敛和收敛快,一个初始值之前必须估计牛顿法的应用。
类似于钱和科雷亚(<一个href="#B21">21一个>),假设研究对象失去后续流程与punchout发生(就像板)至少一半的时间。这是假定所有punchout发生在每个区间的中期,说 :
取自然对数方程(<一个href="#EEq19">19一个>),我们得到
使<我>y我>=和<我>x我>= ;然后,方程(<一个href="#EEq20">20.一个>)可以线性化如下<我>y我>=我>mx我>+我>b我>格式。最小二乘回归来估计拦截<我>b我>和斜率<我>米我>,我们得到一个估计的初始值和 :
2.4。测定ESALs
该小组的生活是量化的总数80 kN ESALs设计车道导致punchout的配方。distressed-based等效单轴负载(<我>N我>e我>)可以通过提出的方法得到陈和Zollinger [<一个href="#B22">22一个>]。
3所示。与LTPP数据验证
3.1。摘要信息GPS-5测试部分
有85个测试部分在一般路面研究该性能研究GPS-5位于在美国29个州。LTPP数据的收集自1989年以来一直在(<一个href="#B23">23一个>]。两个测试部分被选来说明方法的有效性,如表所示<一个href="//www.newsama.com/journals/ace/2021/7709027/tab1/" target="_blank">1一个>。一段来自南卡罗来纳和其他来自德克萨斯州。
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ESALs两个站点的数量决定根据Chen等人提出的过程。<一个href="#B22">22一个>),详细信息如表所示<一个href="//www.newsama.com/journals/ace/2021/7709027/tab2/" target="_blank">2一个>。值得注意的是,连续的调查进行了部分自1990年代到2000年代,和punchouts被数的增加几乎连续地期间。不幸的是,调查数据,因为最新的调查,发现没有更新,和表中列出<一个href="//www.newsama.com/journals/ace/2021/7709027/tab2/" target="_blank">2一个>。
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
3.2。每个部分的板数量
大约90%的punchouts观察在PCC面板之间的一对横向裂缝和裂缝间距0.3和0.9米(<一个href="#B24">24一个>];此外,punchout被定义为该地区包围两个紧密间隔的(通常是< 0.9米)横向裂缝,一个简短的纵向裂缝,和人行道的边缘或纵向联合。" Y "裂缝展览剥落,分手,或者还包括断层作用[<一个href="#B25">25一个>]。此外,一个高级punchout预测模型,提出了由荣格和Zollinger [<一个href="#B18">18一个>),punchout的数量可以由方程(<一个href="#EEq22">22一个>): 在哪里是punchout的数量,裂缝的数量与裂缝间距小于0.9米,是概率的侵蚀,是疲劳开裂的概率。
因此,PCC面板两个横向裂缝间距之间的数量小于0.9 m作为样品的总数,放置在寿命试验,和横向裂缝间距的分布可能被发现后,威布尔分布。因此,横向裂缝间距的概率LU和你可以由以下表达式<一个href="#B24">24一个>]:
的概率,裂缝间距小于0.9 m可以确定 在哪里 裂缝间距的概率吗和(%),的上限是破解间隔(m),是破解区间的下限(m),然后呢是裂纹间距(m)的最小长度;这个值将根据现场调查0.2的横向开裂模式。
在这里,和规模和形状参数的裂缝间距分布,分别。,提供的参数Selezneva et al。<一个href="#B24">24一个>摘要]被确定该面板的裂缝间距小于0.9 m(表<一个href="//www.newsama.com/journals/ace/2021/7709027/tab3/" target="_blank">3一个>)。
|
||||||||||||||||||||||||||||||
4所示。结果和讨论
一个数值程序依照方法论部分<一个href="#sec2">2一个>是估计的值<我>λ我>和<我>β我>。从表可以看出<一个href="//www.newsama.com/journals/ace/2021/7709027/tab4/" target="_blank">4一个>方程的根的牛顿迭代收敛很快,和迭代的数量只有3到4。
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4.1。阈值的估计<我>N我>e我>对于Punchout发生
的阈值<我>N我>e我>相当于交通荷载下的发生的概率punchout是零;然后,函数可以表示如下:
的值<我>λβ我>在表<一个href="//www.newsama.com/journals/ace/2021/7709027/tab4/" target="_blank">4一个>,它是有利于评估的价值通过迭代法寻找最小标准差punchout的预测数字。预测结果的标准偏差在一系列的可以由方程(<一个href="#EEq26">26一个>)和(<一个href="#EEq26">27一个>): 在哪里标准偏差,是路面性能的数量调查,在调查是punchouts记录的数量吗<我>我我>,punchouts进行调查的预测数量吗<我>我我>,分配的价值吗<我>N我>e0我>缩略字。
的价值<我>N我>e0我>应该在的范围 ,在哪里<我>N我>e1我>相当于交通负荷时1圣调查与punchouts。替代的一系列到(<一个href="#EEq28">28一个>)来计算为每一个方便 ,如数据所示<一个href="//www.newsama.com/journals/ace/2021/7709027/fig1/" target="_blank">1一个>和<一个href="//www.newsama.com/journals/ace/2021/7709027/fig2/" target="_blank">2一个>。
4.2。风险函数
形状参数<我>β我>测试部分都大于1,这表明发生的故障率punchout ESALs(数据的积累会增加<一个href="//www.newsama.com/journals/ace/2021/7709027/fig3/" target="_blank">3一个>和<一个href="//www.newsama.com/journals/ace/2021/7709027/fig4/" target="_blank">4一个>)。在实践中,疲劳开裂的概率以及基础侵蚀的时间在流逝正在增加。punchout发生的潜力将会增加由于路面结构的恶化。理论上讲,假设威布尔分布特征的估计同意工程实践。该表达的punchout基础概率的乘积腐蚀和疲劳开裂的概率,如方程所示(<一个href="#EEq22">22一个>)。有趣的是,部分45 - 5035的基本类型和部分48 - 5323是室内外试验基地(施)和热拌沥青(协会),分别。比较数据<一个href="//www.newsama.com/journals/ace/2021/7709027/fig3/" target="_blank">3一个>和<一个href="//www.newsama.com/journals/ace/2021/7709027/fig4/" target="_blank">4一个>,这显然表明该施莱基故障率的增加比这更迅速由沥青基础治疗(作为)不小于1000万。因此,故障率预测的基础的类型对制定punchout大概是决定性的影响。实际上,作为展品更好的抵抗侵蚀比施<一个href="#B26">26一个>,<一个href="#B27">27一个>]。
4.3。分布函数
最关注的应用水平的毁灭之路的路面性能是痛苦,比如,该punchouts数量。预测结果将帮助决策过程中的高速公路机构相关维护和康复。在德克萨斯州,美国四个水平的治疗要求:(1)预防性维护,(2)光康复,(3)中康复,和(4)重恢复或重建<一个href="#B28">28一个>]。高速公路机构可以设置每单位长度的punchout数量的限制,例如,10 punchouts /公里,预防路面养护需要执行。
作为规模和形状参数已经确定,可以预测punchouts的数量在一个特定的交通水平<我>N我>j我>: 在哪里是punchout的数量在一个特定的交通水平 ;
因为它是如图<一个href="//www.newsama.com/journals/ace/2021/7709027/fig5/" target="_blank">5一个>和<一个href="//www.newsama.com/journals/ace/2021/7709027/fig6/" target="_blank">6一个>,punchouts的预测数量匹配值与现场调查,和该方法提供了一个可靠的路面性能预报模型。
4.4。讨论
LTPP观测数据集的数量和准确性起到关键作用的信度和效度上人行道的生存分析。不幸的是,该没有的punchouts不断监测自2000年代最新调查两个部分。广泛的研究时,需要进行一些新的数据集。
5。结论
在这项研究中,一个先进的校准模型提出了该punchout窘迫。只考虑到LTPP数据库记录的数量punchouts发生在每一个时间间隔,这是公认的分组数据,ESALs的数量被认为服从威布尔分布。提出了最大似然估计来确定参数威布尔分布。拟议的校准模型验证与数据从两个测试部分LTPP数据库。可以得出以下结论:(我)ESALs的数量会导致punchout遇险发现符合威布尔分布(2)最大似然估计是有效地确定威布尔分布的参数(3)拟议的校准模型能够描述punchout和可以用来预测该的失败率和可靠性在路面设计和康复活动的安排
数据可用性
部分或全部数据、模型或代码生成或使用在研究可从相应的作者通过合理的要求。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者感谢慷慨的帮助和建设性的想法从丹·g·Zollinger博士在德州农工大学。这项研究是由科技创新项目的运输、云南省(批准号云南[2020]15 - 1),基础研究项目(批准号2019 fd004),云南省应用基础研究基金(批准号2016 fb099)
引用
- j . a . Prozzi和s·m·Madanat”,使用持续时间模型来分析试验路面故障数据,”<我>交通研究记录:《交通研究委员会我>,卷1699,不。1,第94 - 87页,2000。视图:<一个href="https://doi.org/10.3141/1699-12">出版商的网站一个>|谷歌学术搜索一个>
- h·l . v .第五名的麻省理工学院镖,j . Mallela<我>本地校准指南推荐的指南Mechanistic-Empirical新的和恢复路面结构的设计我>Applied Research Associates Inc .):周围的岩石,德克萨斯州,美国,2003年。
- c . Rao o . Selezneva镖,l·t·格洛弗和l . Khazanovich”校准mechanistic-empirical性能模型的连续配筋混凝土路面拳无虚发,“<我>交通研究记录:《交通研究委员会我>,卷1896,不。1,第15 - 22页,2004。视图:<一个href="https://doi.org/10.3141/1896-02">出版商的网站一个>|谷歌学术搜索一个>
- 江y . j . m . i镖,“刚性路面性能影响因素:评估LTPP SPS-2实验,”<我>交通项目岩土工程学报》上我>CA,页1050 - 1057年,美国,2004年7月。视图:<一个href="https://scholar.google.com/scholar_lookup?title=Factors%20affecting%20rigid%20pavement%20performance:%20evaluation%20of%20the%20LTPP%20SPS-2%20experiment&author=Y. J. Jiang &author=M. I. Darter" target="_blank">谷歌学术搜索一个>
- j。j Hajek和t . j . Kazmierowski”使用长期路面性能数据校准的路面设计模型,”<我>交通研究记录:《交通研究委员会我>,卷1778,不。1,第155 - 149页,2001。视图:<一个href="https://doi.org/10.3141/1778-18">出版商的网站一个>|谷歌学术搜索一个>
- a . Banerjee j . p . m .•阿吉亚尔和j·a . Prozzi”校准mechanistic-empirical路面设计指南的永久变形模型,”<我>交通研究记录:《交通研究委员会我>,卷2094,不。1,12-20,2009页。视图:<一个href="https://doi.org/10.3141/2094-02">出版商的网站一个>|谷歌学术搜索一个>
- k . c . y . Wang Mahboub, d . e . Hancher”生存分析的疲劳开裂基于长期的灵活的人行道路面性能数据,”<我>交通运输工程学报我>,卷131,不。8,608 - 616年,2005页。视图:<一个href="https://doi.org/10.1061/(asce)0733-947x(2005)131:8(608)">出版商的网站一个>|谷歌学术搜索一个>
- 问:越南盾和b .黄”,失效概率重现预防性维护治疗。”<我>交通研究记录:《交通研究委员会我>,卷2481,不。1,第74 - 65页,2015。视图:<一个href="https://doi.org/10.3141/2481-09">出版商的网站一个>|谷歌学术搜索一个>
- 问:东、黄b和理查兹,”评价的影响因素对裂纹萌生LTPP resurfaced-asphalt人行道使用参数生存分析,“<我>《构建设施的性能我>,28卷,不。2、412 - 421年,2014页。视图:<一个href="https://doi.org/10.1061/(ASCE)CF.1943-5509.0000409">出版商的网站一个>|谷歌学术搜索一个>
- j . a . Prozzi和s·m·Madanat”,使用持续时间模型来分析试验路面故障数据,”<我>交通研究记录:《交通研究委员会我>,卷1699,不。1,第94 - 87页,2000。视图:<一个href="https://doi.org/10.3141/1699-12">出版商的网站一个>|谷歌学术搜索一个>
- w·威布尔和美国瑞典“广泛适用性的统计分布函数,<我>应用力学学报我>,18卷,不。3、293 - 297年,1951页。视图:<一个href="https://doi.org/10.1115/1.4010337">出版商的网站一个>|谷歌学术搜索一个>
- j . f .无法无天<我>寿命数据的统计模型和方法我>美国新泽西,约翰威利.Sons公司,1982年。
- B.-W。蔡、j·t·哈维和c . l . Monismith”应用威布尔理论预测沥青混凝土的疲劳性能,”<我>交通研究记录:《交通研究委员会我>,卷1832,不。1,第130 - 121页,2003。视图:<一个href="https://doi.org/10.3141/1832-15">出版商的网站一个>|谷歌学术搜索一个>
- s . j . Almalki和美国Nadarajah”,威布尔分布的修改:审查。”<我>可靠性工程和系统安全我>卷。124年,32-55,2014页。视图:<一个href="https://doi.org/10.1016/j.ress.2013.11.010">出版商的网站一个>|谷歌学术搜索一个>
- d . g . Zollinger和e . j . Barenberg<我>不断强化人行道:Punchouts和其他困苦和影响设计;227年供料/ IL / UI我>,Urbaba伊利诺伊大学,1990。
- x史、a . Mukhopadhyay和d . Zollinger”长期绩效评估包含再生混凝土骨料的混凝土路面在俄克拉荷马州,”<我>交通研究记录:《交通研究委员会我>,卷2673,不。5,429 - 442年,2019页。视图:<一个href="https://doi.org/10.1177/0361198119839977">出版商的网站一个>|谷歌学术搜索一个>
- Ara,<我>你是顾问师。指南Mechanistic-Empirical Newand恢复路面结构的设计我>,华盛顿特区美国,2004年。
- y s荣格、d . g . Zollinger和b . m . Ehsanul”改善mechanistic-empirical连续配筋混凝土路面设计方法与修改punchout模型,”<我>交通研究记录:《交通研究委员会我>,卷2305,不。1,32-42,2012页。视图:<一个href="https://doi.org/10.3141/2305-04">出版商的网站一个>|谷歌学术搜索一个>
- n·m·凯特瑞,”威布尔分布参数的最大似然估计的基于完整和审查数据,”<我>统计和概率的信件我>,卷78,不。17日,第2975 - 2971页,2008年。视图:<一个href="https://doi.org/10.1016/j.spl.2008.05.019">出版商的网站一个>|谷歌学术搜索一个>
- w·Gautschi<我>数值分析我>施普林格,纽约,纽约,美国,第二版,2012年版。
- l .钱和j·科雷亚,”威布尔参数估计分组数据与竞争风险,”<我>杂志的统计计算和模拟我>,卷73,不。4、261 - 275年,2003页。视图:<一个href="https://doi.org/10.1080/0094965021000033431">出版商的网站一个>|谷歌学术搜索一个>
- d . g . l . Chen Zollinger,田,“当地先进模型的校准方法punchout遇险使用LTPP数据,”<我>交通运输工程学报我>,卷141,不。8篇文章ID 04015014, 2015。视图:<一个href="https://doi.org/10.1061/(ASCE)TE.1943-5436.0000780">出版商的网站一个>|谷歌学术搜索一个>
- s . d . Tayabji o . Selezneva, y . j .江<我>初步评估LTPP Continuoulsy钢筋混凝土(CRC)路面测试区;供料- rd - 99 - 086我>,你是顾问公司,哥伦比亚,马里兰州,1999。
- o . Selezneva m .镖,d . Zollinger和s . Shoukry”特征的横向裂缝空间可变性:使用长期路面性能数据的连续配筋混凝土路面设计,“<我>交通研究记录:《交通研究委员会我>,卷1849,不。1,第155 - 147页,2003。视图:<一个href="https://doi.org/10.3141/1849-16">出版商的网站一个>|谷歌学术搜索一个>
- j·s·米勒和w . y .贝林格<我>痛苦识别路面长期性能程序手册;供料- rd - 03 - 031;办公室基础设施的研究和发展我>美国弗吉尼亚州McLean联邦高速公路管理局,2003年6月。
- y荣格,<我>促进腐蚀测试、建模和设计的混凝土路面底基层层我>德州农工大学学院站,德克萨斯州,美国,2010年。
- y s荣格、d . g . Zollinger和a·j·文萨特,”测试方法和模型开发的底基层侵蚀混凝土路面设计,“<我>交通研究记录:《交通研究委员会我>,卷2154,不。1,22-31,2010页。视图:<一个href="https://doi.org/10.3141/2154-03">出版商的网站一个>|谷歌学术搜索一个>
- A . m . Ioannides和p . k . Tallapragada概述和路面性能预测的一个案例研究,“<我>路面工程的国际期刊我>,14卷,不。7,629 - 644年,2013页。视图:<一个href="https://doi.org/10.1080/10298436.2012.715644">出版商的网站一个>|谷歌学术搜索一个>
版权
版权©2021 Liangliang陈等。这是一个开放的分布式下文章<一个rel="license" href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">知识共享归属许可一个>,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。