基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合遺傳算法的混凝土彈模與強(qiáng)度性能預(yù)測

賴澤涵， 宋 健， 付 軍， 周 軍， 左雪娜

(1.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430063；2.中交一公局第三工程有限公司, 北京 101102；3.湖北交投宜昌投資開發(fā)有限公司，湖北 宜昌 443000；4.比亞迪勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518118)

1 測混凝土試件強(qiáng)度和彈性模量的試驗(yàn)方法

1.1 混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件的抗壓試驗(yàn)

1.1.1 混凝土強(qiáng)度等級

混凝土的強(qiáng)度等級是指混凝土的抗壓強(qiáng)度。混凝土的強(qiáng)度等級應(yīng)以混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值劃分,并采用符號C與立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(以MPa計(jì))表示?；炷恋某叽绾蛽Q算系數(shù)見表1。其中棱柱體抗壓強(qiáng)度采用的是150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體作為標(biāo)準(zhǔn)試件。

表1 混凝土試塊尺寸及強(qiáng)度換算系數(shù)

1.1.2 試驗(yàn)方法

(1) 按試驗(yàn)成型試件,經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期。

(2) 試件取出,先檢查其尺寸及形狀,相對兩面應(yīng)平行,表面傾斜偏差不得超過0.5 mm。量出棱邊長度,精確至1 mm。試件受力截面積按其與壓力機(jī)上下接觸面的平均值計(jì)算。試件如有蜂窩缺陷,應(yīng)在試驗(yàn)前3 d用濃水泥漿填補(bǔ)平整,并在報(bào)告中說明。在破型前,保持試件原有濕度,在試驗(yàn)時(shí)擦干試件,稱出其質(zhì)量。

(3) 以成型時(shí)側(cè)面為上下受壓面,試件妥放在球座上,球座置壓力機(jī)中心,幾何對中(指試件或球座偏離機(jī)臺中心在5 mm以內(nèi),下同),以0.3～0.8 MPa/s的速度連續(xù)而均勻地加荷,小于C30的低強(qiáng)度等級混凝土取0.3～0.5 MPa/s的加荷速度,強(qiáng)度等級不低于C30時(shí)取0.5～0.8 MPa/s的加荷速度,當(dāng)試件接近破壞而開始變形時(shí),應(yīng)停止調(diào)整試驗(yàn)機(jī)油門,直至試件破壞,記下破壞極限荷載(圖1)。

圖1 混凝土受壓裂縫圖

1.1.3 試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算

(1) 混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度 (以MPa計(jì))按下式計(jì)算:

(1)

式中:F為極限荷載,N;A為受壓面積;k為強(qiáng)度換算系數(shù)，見表1;fcu為水泥混凝土的抗壓試驗(yàn)強(qiáng)度。

(2) 以3個(gè)試件測值的算術(shù)平均值為測定值。如任一個(gè)測值與中值的差超過中值的15%時(shí),則取中值為測定值;如有2個(gè)測值的差值均超過上述規(guī)定,則該組試驗(yàn)結(jié)果無效。試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算至0.1 MPa。

(3) 混凝土抗壓強(qiáng)度以150 mm×150 mm×150 mm的方塊為標(biāo)準(zhǔn)試件,其他尺寸試件抗壓強(qiáng)度換算系數(shù)見表1,并應(yīng)在報(bào)告中注明。

1.2 回彈法測混凝土強(qiáng)度測試

1.2.1 回彈值的測定方法

回彈法測定混凝土的強(qiáng)度應(yīng)遵循我國《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 23-2011)有關(guān)規(guī)定。測量回彈值時(shí),回彈儀的軸線應(yīng)始終垂直于混凝土檢測面,緩慢施壓,準(zhǔn)確讀數(shù),快速復(fù)位(圖2)。測點(diǎn)宜在測區(qū)范圍內(nèi)均勻分布,相鄰兩測點(diǎn)的凈距離不宜小于20 mm;測點(diǎn)距外露鋼筋、預(yù)埋件的距離不宜小于30 mm;測點(diǎn)不應(yīng)在氣孔或外露石子上,同一測點(diǎn)應(yīng)只彈擊1次,測試應(yīng)在事先劃定的測區(qū)內(nèi)進(jìn)行,每一構(gòu)件測區(qū)數(shù)不少于10個(gè),每個(gè)測區(qū)面積200 mm×200 mm,每一測區(qū)設(shè)16個(gè)回彈點(diǎn),然后從測區(qū)的16個(gè)回彈值中分別剔除3個(gè)最大值和3個(gè)最小值,取余下10個(gè)有效回彈值的平均值作為該測區(qū)的回彈值。

圖2 回彈法測混凝土強(qiáng)度

1.2.2 回彈值的計(jì)算

(1) 計(jì)算測區(qū)平均回彈值時(shí),應(yīng)從該測區(qū)的16個(gè)回彈值中剔除3個(gè)最大值和3個(gè)最小值,其余的10個(gè)回彈值按下式計(jì)算。

(2)

式中：Rm為測區(qū)平均回彈值,精確至0.1;Ri為第i個(gè)測點(diǎn)的回彈值。

(2) 以3個(gè)試件測值的算術(shù)平均值為測定值。如任一個(gè)測值與中值的差超過中值的15%時(shí),則取中值為測定值;如有2個(gè)測值的差值均超過上述規(guī)定,則該組試驗(yàn)結(jié)果無效。試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算至0.1MPa。

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合遺傳算法對混凝土強(qiáng)度與彈性模量的預(yù)測

2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合遺傳算法對混凝土彈性模量和強(qiáng)度的預(yù)測

首先是要到相關(guān)檢測單位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,收集通過混凝土抗壓試驗(yàn)、回彈法及鉆芯法得到的混凝土強(qiáng)度與彈性模量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)共200組,并將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。將試驗(yàn)所得的前100組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合遺傳算法程序的樣本,通過對閾值及權(quán)系數(shù)的不斷修改,進(jìn)行多次迭代,最終使網(wǎng)絡(luò)收斂。然后利用后100組數(shù)據(jù)對該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合遺傳算法程序進(jìn)行檢驗(yàn),驗(yàn)證該程序的準(zhǔn)確度,以便得到可使用的程序。

2.2 試驗(yàn)值與程序預(yù)測值的對比

將后100組試驗(yàn)數(shù)值與經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合遺傳算法程序預(yù)測的混凝土強(qiáng)度及彈性模量值進(jìn)行對比，見表2、表3。

表3 彈性模量試驗(yàn)值與程序預(yù)測值的對比

2.2.1 結(jié)論

由表2、表3可知,經(jīng)訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合遺傳算法對混凝土強(qiáng)度及彈性模量的預(yù)算,其預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差值及誤差百分比較小。

2.2.2 誤差分析

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合遺傳算法的優(yōu)化計(jì)算是在現(xiàn)有材料基礎(chǔ)上對混凝土強(qiáng)度及彈性模量的預(yù)測,其結(jié)果存在偏差是正常的。

對于個(gè)別數(shù)據(jù)偏差較大可能的情況有:

(1) 數(shù)據(jù)采集時(shí),記錄有偏差。

(2) 數(shù)據(jù)采集時(shí),環(huán)境條件(如溫度、濕度)有偏差。

(3) 打回彈時(shí),回彈儀與打回彈的面沒有保持垂直。

(4) 做壓裂試驗(yàn)時(shí),試件受壓面沒有打磨平整,導(dǎo)致受力不均。

(5) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身的缺陷導(dǎo)致。

3 結(jié) 論

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合遺傳算法程序?qū)τ诨炷翉?qiáng)度和彈性模量的預(yù)測,其測試結(jié)果與實(shí)際值之間誤差較小,且在合理范圍之內(nèi)。試驗(yàn)證明該種方法是可以對混凝土的強(qiáng)度和彈性模量進(jìn)行程序預(yù)測的。這種方法可以建立混凝土三種測強(qiáng)方法之間的關(guān)系,這不僅可以減少工作量,降低試驗(yàn)成本,而且可以有效地避免因天氣、溫度、路況等因素導(dǎo)致試驗(yàn)無法進(jìn)行以致延誤工期而造成的工程損耗。