對基于MLP模型的建筑結(jié)構(gòu)損傷檢測與抗震性能研究

摘 要：建筑結(jié)構(gòu)的損傷識別、定位與抗震性能分析是土木建筑工程領(lǐng)域的重要研究課題。多層感知器（MLP）技術(shù)的應(yīng)用，可以讓人們借助結(jié)構(gòu)響應(yīng)（輸入）與結(jié)構(gòu)剛度（輸出）之間的關(guān)系，開展建筑結(jié)構(gòu)損傷檢測工作，本文主要從MLP模型的相關(guān)概念入手，對基于MLP模型的建筑結(jié)構(gòu)損傷與抗震性能分析的應(yīng)用問題進行了分析。

關(guān)鍵詞：MLP模型；建筑結(jié)構(gòu)損傷檢測；建筑抗震性能

中圖分類號：TU317 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）15-0325-01

前 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，大型化和復(fù)雜化成為了現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的主要特點。以現(xiàn)代建筑空間結(jié)構(gòu)為例，在大型化與復(fù)雜化的空間結(jié)構(gòu)下，結(jié)構(gòu)損傷問題的出現(xiàn)，會在改變建筑結(jié)構(gòu)的強度和剛度的基礎(chǔ)上，帶來結(jié)構(gòu)的突發(fā)性失效問題。結(jié)構(gòu)損傷位置與損傷程度的準(zhǔn)確預(yù)測，可以讓人們借助對結(jié)構(gòu)進行實時修復(fù)，降低結(jié)構(gòu)損傷積累程度。

1 基于MLP模型的損傷檢查與抗震性能分析方法的內(nèi)容

基于多層感知器技術(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建筑結(jié)構(gòu)損傷檢測與抗震性能分析方法是一種較為理想的檢測方法。它可以將鋼結(jié)構(gòu)建筑模型中的柱截面積變化看作是判定結(jié)構(gòu)損傷的依據(jù)，將建筑鋼結(jié)構(gòu)各層最大相對位移看作是損傷程度。與之相關(guān)的Opensee技術(shù)的有限元模型及神經(jīng)元分析在這一檢測方法中發(fā)揮著重要的作用。相關(guān)人員在輸入地震數(shù)據(jù)以后，可以借助損傷結(jié)構(gòu)場景分析，確定每個層的最大相對位移，最后將建筑結(jié)構(gòu)中的柱的橫截面積視為輸出。在抗震性能分析方面，地震工程模擬軟件中的有限元分析模型的應(yīng)用，可以讓人們在系統(tǒng)加載地震數(shù)據(jù)獲得更為精確的各層位移數(shù)據(jù)。

MLP結(jié)構(gòu)檢測模型的影響因素主要包括了以下內(nèi)容：①各層的柱截面積；②彈性模量及重力載荷等因素的影響。節(jié)點與節(jié)點之間的鏈接是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)的反映。在MLP模型應(yīng)用于建筑損傷檢測與抗震性能分析以后，人們可以通過調(diào)整各個鏈接或節(jié)點的權(quán)重或偏置屬性的方式，對特定問題進行訓(xùn)練。

2 基于MLP模型的損傷檢測與抗震性能分析方法的應(yīng)用實例

MLP模型建立在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)之上，人工神經(jīng)元是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基本處理單元。一般情況下，建筑結(jié)構(gòu)的建模物理參數(shù)是建筑損傷探測的輸入內(nèi)容，結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)為輸出內(nèi)容。多層感知器（MLP）技術(shù)的應(yīng)用，可以讓人們借助結(jié)構(gòu)響應(yīng)（輸入）與結(jié)構(gòu)剛度（輸出）之間的關(guān)系，開展建筑結(jié)構(gòu)損傷檢測工作。

以建筑中的鋼結(jié)構(gòu)模型為例，根據(jù)MLP模型的自身特點及建筑行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，實驗者可以通過構(gòu)建三層鋼結(jié)構(gòu)建筑模型的方式，分析MLP模型在損傷檢查與抗震性能分析方面的應(yīng)用效果。在實驗?zāi)Ｐ徒?gòu)完成以后，研究者需要完成損傷場景的構(gòu)建。在損傷場景的建構(gòu)過程中，人們可以將三層鋼結(jié)構(gòu)的柱橫截面積變化看作是損傷場景，并要通過借助MLP模型進行損傷探測的方式，確定橫截面積的預(yù)測值，在損傷檢測與抗震性能分析工作開展過程中，人們也需要對OpenSee中的有限元模型和非線性時程分析技術(shù)進行應(yīng)用。在三層鋼結(jié)構(gòu)建構(gòu)完成以后，第一層、第二層和第三層的橫截面積、彈性模量和重力載荷等內(nèi)容也是人們在基于MLP模型的抗震性能分析中所不可忽視的內(nèi)容。出于評估建筑抗震性能的需要，人們可以將結(jié)構(gòu)失效概率看作是建筑抗震性能的度量標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 建筑結(jié)構(gòu)與地震數(shù)據(jù)

在應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)損傷檢測與抗震性能分析的研究模型建構(gòu)過程中，人們可以借助OpenSee技術(shù)構(gòu)建一種高度為9m，寬度為4m的建筑模型[2]。在這一模型之中，鋼結(jié)構(gòu)關(guān)系用完全彈性塑鋼模型表述，鋼結(jié)構(gòu)的長和寬分別為0.183m和0.1m。根據(jù)地震分析工作的實際情況，F(xiàn)EMA440靜力非線性抗震流程會在地震記錄數(shù)據(jù)分析過程中得到應(yīng)用。損傷位置的定位與損傷程度的量化分析，在地震數(shù)據(jù)分析過程中發(fā)揮著較為重要的作用。

2.2 MLP模型對建筑損傷的檢測

MLP模型是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展進步的產(chǎn)物，它繼承了并行分布的大規(guī)模信息處理方式在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)下所具有的自組織能力、自學(xué)習(xí)能力與聯(lián)想記憶能力。模糊數(shù)學(xué)技術(shù)和建筑結(jié)構(gòu)損傷的早期探測技術(shù)也在MLP模型中發(fā)揮著一定的作用。出于定位損傷位置和確定損傷程度的需要，人們在試驗開展過程中，需要構(gòu)建一種包含有多種不同損傷場景的數(shù)據(jù)集。

本文所涉及到的案例中應(yīng)用的建筑結(jié)構(gòu)模型為三層鋼結(jié)構(gòu)模型，數(shù)據(jù)集中每層的平均最大相對位移是人們確定MLP模型訓(xùn)練有效性的重要因素。根據(jù)每層平均最大相對位移的分析結(jié)果，第一層的位移預(yù)測值為0.0011，第二層和第三層的相關(guān)數(shù)值分別為0.0006和0.0013。故而試驗結(jié)果表明MLP模型訓(xùn)練具有一定的實效性。

2.3 基于MLP模型的抗震性能評估

MLP模型建立以后，人們可以將結(jié)構(gòu)失效概率看作是建筑抗震性能的度量標(biāo)準(zhǔn)。蒙特卡羅模擬法是計算每次迭代中的建筑失效概率的有效方式。在對主橫截面積、彈性模量和重力載荷等隨機變量的分布參數(shù)進行分析以后，我們可以發(fā)現(xiàn)，MLP模型具有著在失效概率估計中提供準(zhǔn)確精度的能力。

3 結(jié) 語

MLP模型是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展進步的產(chǎn)物，具有著在失效概率估計中提供準(zhǔn)確精度的能力。這一技術(shù)的應(yīng)用，也有助于預(yù)測準(zhǔn)確性的計算效率的提升。MLP模型建立以后，人們可以將結(jié)構(gòu)失效概率看作是建筑抗震性能的度量標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)抗震性能分析工作的實際情況，系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系具有一定的隱含性，MLP模型的應(yīng)用，可以對系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系進行有效模擬。

參考文獻

[1]陳方宇，趙延忠.基于MLP模型的建筑結(jié)構(gòu)損傷檢測與抗震性能分析[J].湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，2018，40（01）：91～95.

[2]周祥國.人工智能技術(shù)在智能建筑中的應(yīng)用[J].考試周刊，2016（29）：119～120.

收稿日期：2018-4-23

作者簡介：汪 浩（1989-），男，助理工程師，大專，主要從事工程檢測，建設(shè)工程結(jié)構(gòu)可靠性鑒定、抗震鑒定等工作。