低溫鋼纖維混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)與預(yù)測(cè)

王大坤

摘 要： 以不同溫度(0 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃)、不同鋼纖維摻量及不同水灰比 的鋼纖維混凝土的抗壓、抗拉、抗折與抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，建立以溫度、鋼纖維摻量以及水 灰比作為輸入矢量，混凝土預(yù)測(cè)強(qiáng)度作為輸出矢量的網(wǎng)絡(luò)模型。用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別為抗壓 強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度建立了合適的網(wǎng)絡(luò)模型，輸入層和隱含層均采用雙曲 線(xiàn)正切S型傳遞函數(shù)，輸出層采用線(xiàn)性傳遞函數(shù)。網(wǎng)絡(luò)采用Levenberg-Marquardt算法進(jìn)行 訓(xùn) 練，對(duì)低溫鋼纖維混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行了預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差在0~0.05的范圍內(nèi)波動(dòng)，各訓(xùn) 練總標(biāo)準(zhǔn)差與仿真總標(biāo)準(zhǔn)差均在0.3的范圍內(nèi)，取得了滿(mǎn)意的結(jié)果，這對(duì)低溫條件下鋼纖維 混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)有一定實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；鋼纖維混凝土；低溫；強(qiáng)度預(yù)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU375 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1098(2008)03-0027-04

1 鋼纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)

試驗(yàn)的工程背景為道路用鋼纖維混凝土，配合比設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的抗壓強(qiáng) 度、抗折強(qiáng)度以及必要的工作性能。根據(jù)試配抗壓強(qiáng)度計(jì)算水灰比，W/C=0.5。由于0.5 的水 灰比對(duì)于低溫工程來(lái)說(shuō)，顯得較大，混凝土工程容易被凍壞,調(diào)整水灰比為0.42。為了分析 水灰比對(duì)低溫鋼纖維混凝土強(qiáng)度的影響，部分試件的水灰比為0.40。鋼纖維的摻量為1.2% ， 為了分析鋼纖維摻量對(duì)低溫鋼纖維混凝土強(qiáng)度的影響，部分試件的纖維摻量為1.5%和2.0 %。單位水泥用量為390 kg/m³，最優(yōu)砂率為48%［1］。按絕對(duì)體積 法確定試配配 合比，調(diào)整砂率和用水量，最后確定試驗(yàn)的配合比為：水∶水泥∶砂∶石子=0.42∶1∶2.06 ∶2.73。

將鋼纖維混凝土的各組 成材料按規(guī)范［2］規(guī)定的精度稱(chēng)量后， 投入順序?yàn)椋合葘⑸啊?石、 水泥、 防凍 劑攪拌均勻， 然后加入鋼纖維和水， 所有的材料加入后再攪拌三到四遍。 每一批試驗(yàn)的 試件均采用一次攪拌。 通過(guò)坍落度實(shí)驗(yàn)測(cè)得拌合物的坍落度為7 mm。試件用標(biāo)準(zhǔn)鑄鐵試模成型 ，拌合 物分三層成型，每一層料裝入后，用抹刀沿試模內(nèi)壁略加插搗，并用木槌敲試模外壁，以保 證試件的密實(shí)度。

試件成型后立即放入低溫箱中進(jìn)行相應(yīng)溫度的養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)溫度分別為20 ℃、0 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃，養(yǎng)護(hù)期為7 d。

通過(guò)對(duì)不同溫度、不同鋼纖維摻量及不同水灰比的低溫鋼纖維混凝土的抗壓、抗拉、抗 折與抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，得出試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表1）。

2 鋼纖維混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)

2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)述

2.1.1 BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) BP網(wǎng)絡(luò)(Back Propagation Network)是一種單向傳播 的多層前向網(wǎng)絡(luò)（見(jiàn)圖1)。網(wǎng)絡(luò)除 輸入輸出節(jié)點(diǎn)外，還有一層或多層的隱層節(jié)點(diǎn)，同層節(jié)點(diǎn)中沒(méi)有任何耦合。輸入信號(hào)從輸入 節(jié)點(diǎn)依次傳過(guò)各隱層節(jié)點(diǎn)，然后傳到輸出節(jié)點(diǎn)，每一層節(jié)點(diǎn)的輸出只影響下一層節(jié)點(diǎn)的輸出 。其節(jié)點(diǎn)單元特性（傳遞函數(shù)）通常為Sigmoid型的對(duì)數(shù)或正切激活函數(shù)［3］。

BP網(wǎng)絡(luò)可看作是一個(gè)從輸入到輸出的高度非線(xiàn)性映射，即F∶Rn→Rm,f(X)=Y。對(duì) 于樣本集合：輸入x_i(∈Rn)和輸出y_i(∈Rm)，可認(rèn)為存在某一映射g使g(x_i) =y_i,i=1,2,…,nА

2.2 BP網(wǎng)絡(luò)模型的建立［5-10］

根據(jù)低溫鋼纖維混凝土強(qiáng)度的影響因素分析，確定建立以溫度（℃）、鋼纖維摻量（% ）以及水灰比作為輸入矢量、混凝土預(yù)測(cè)強(qiáng)度作為輸出矢量的網(wǎng)絡(luò)模型。經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，建 立了抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的3個(gè)輸入矢量，5個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)，1個(gè)輸出矢量的3-5-1網(wǎng)絡(luò)模型； 抗折強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度3-10-1和3-8-1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型。輸入層和隱含層均采用雙曲線(xiàn)正切S型傳 遞函數(shù)，輸出層采用線(xiàn)性傳遞函數(shù)。網(wǎng)絡(luò)采用Levenberg-Marquardt算法進(jìn)行訓(xùn)練。

2.3 BP網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練與仿真

利用低溫鋼纖維混凝土的強(qiáng)度試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1），對(duì)所建網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有教師的學(xué)習(xí) 訓(xùn)練。先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，建立合適的網(wǎng)絡(luò)模型，然后采用Levenberg-Marquar dt規(guī)則對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。

抗壓強(qiáng)度經(jīng)過(guò)6個(gè)單位時(shí)間的訓(xùn)練，抗折強(qiáng)度經(jīng)過(guò)3個(gè)單位時(shí)間的訓(xùn)練，抗拉強(qiáng)度經(jīng)過(guò)5 個(gè)單位時(shí)間的訓(xùn)練，抗剪強(qiáng)度經(jīng)過(guò)4個(gè)單位時(shí)間的訓(xùn)練，得出訓(xùn)練結(jié)果和仿真結(jié)果（見(jiàn)表2~ 表3）。其中x₁為溫度（℃），x₂為鋼纖維的體積摻量（%），x₃為水灰 比，t₁為實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度，t₂為實(shí)測(cè)抗折強(qiáng)度，t₃為實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度，t₄為實(shí) 測(cè)抗剪強(qiáng)度，r₁為網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)抗壓強(qiáng)度值，r₂為網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)抗折強(qiáng)度值，r₃為網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)抗 拉強(qiáng)度值，r4為網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)抗剪強(qiáng)度值

3 BP預(yù)測(cè)結(jié)果分析

以相對(duì)誤差作為檢驗(yàn)單個(gè)樣本訓(xùn)練和仿真準(zhǔn)確性的量度，單項(xiàng)總標(biāo)準(zhǔn)差作為單項(xiàng)總體訓(xùn) 練和仿真的準(zhǔn)確性量度。通過(guò)對(duì)-15 ℃、-20 ℃的鋼纖維混凝土強(qiáng) 度的檢測(cè)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)樣本 仿真的相對(duì)誤差在0~0.05的范圍內(nèi)波動(dòng)，各訓(xùn)練總標(biāo)準(zhǔn)差與仿真總標(biāo)準(zhǔn)差均在0.3的范圍內(nèi) 。預(yù)測(cè)的結(jié)果是令人滿(mǎn)意的，這也說(shuō)明了Matlab人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)低溫鋼纖維混凝土強(qiáng)度的預(yù) 測(cè)是一種行之有效的預(yù)測(cè)方法［11］。

用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別為抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度建立了合適的網(wǎng)絡(luò)模 型，對(duì)低溫鋼纖維混凝土強(qiáng)度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。只要知道低溫鋼纖維混凝土強(qiáng)度的幾個(gè)重要影 響因素，則可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)它的強(qiáng)度，并且預(yù)測(cè)取得了滿(mǎn)意的結(jié)果。

本文試驗(yàn)研究參加人員有劉永勝、王長(zhǎng)柏等同志，在此表示感謝。

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(責(zé)任編輯：何學(xué)華)