碳纖維布加固混凝土梁承載力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法分析

張雄偉 陶國慶 黃飛龍

摘 要：隨著新技術(shù)的發(fā)展，建筑行業(yè)面臨如何維護已有建筑物的問題，碳纖維增強塑料加固法已成為工程界的熱點話題，因影響加固鋼筋混凝土梁抗彎承載力的因素眾多?？煽紤]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行研究。本文通過實驗資料分析，建立了基于網(wǎng)絡(luò)方法的碳纖維布加固混凝土梁受彎承載力的BP算法結(jié)構(gòu)模型，證明模型的有效性可用于預(yù)測碳纖維布加固混凝土梁的受彎承載力，進行了初步分析。

關(guān)鍵詞：碳纖維布;混凝土梁;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);承載力

中圖分類號：TU375.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）07-0188-04

Neural Network Algorithm Analysis of Bearing Capacity of Concrete Beams Strengthened with CFRP

Zhang Xiongwei1， Tao Guoqing2， Huang Feilong3

（1.School of Civil Engineering， Southwest University of Science and Technology， Mianyang 621010， China;

2.School of Civil Engineering， Shenyang Jianzhu University， Shenyang 110168， China; 3.School of Civil Engineering and Built Environment， Southwest University of Science and Technology， Mianyang 621010， China）

Abstract：With the development of new technology， the construction industry is facing the problem of how to maintain the existing buildings. The CFRP reinforcement method has become a hot topic in the engineering field， because there are many factors affecting the flexural capacity of reinforced concrete beams. The neural network algorithm can be considered for research. Based on the analysis of experimental data， this paper establishes a BP algorithm structure model for flexural bearing capacity of concrete beams strengthened with CFRP sheets based on network method. The validity of the model is proved and can be used to predict the flexural bearing capacity of concrete beams strengthened with CFRP.

Key words：carbon fiber sheet; concrete beam; neural network; bearing capacity

0 引言

隨著科技的發(fā)展，計算機廣泛應(yīng)用于人們生活中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法被結(jié)構(gòu)工程師關(guān)注。結(jié)構(gòu)選型和優(yōu)化設(shè)計重復(fù)性工作增加分析計算工作量，需要結(jié)構(gòu)工程師具有對以往工作經(jīng)驗判斷應(yīng)用能力，舊有建筑物經(jīng)歷較長時間后受到破壞，結(jié)構(gòu)變形引起結(jié)構(gòu)幾何尺寸變化，對建筑物鑒定診斷非常重要。碳纖維布加固混凝土梁在工程中應(yīng)用廣泛，粘貼在混凝土構(gòu)件外表面，對混凝土梁面剛度裂縫的產(chǎn)生有一定的約束作用，加固作用具有額很高的非線性性質(zhì)，實驗資料不能滿足加固后結(jié)構(gòu)的可靠度分析需要，采用現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法解決基本數(shù)據(jù)不足問題很有必要。本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法進行非線性模擬訓(xùn)練，進程初步的參數(shù)分析，本文建立的計算模型具有足夠的精度，可用于其影響參數(shù)分析。

1 已有研究綜述

近年來，采用碳纖維增強復(fù)合材料對構(gòu)件進行修復(fù)與翻新的技術(shù)，在國際上受到重視，碳纖維材料具有輕質(zhì)等優(yōu)點，此技術(shù)的研究應(yīng)用得到了飛速發(fā)展。我國在土木工程中應(yīng)用CFRP材料的研究發(fā)展較慢[1]。

我國參與CFRP技術(shù)研究的技術(shù)部門有科研所，設(shè)計施工單位等。對碳纖維布加固混凝土構(gòu)件的破壞形態(tài)等進行了較多的研究。但對預(yù)應(yīng)力碳纖維加固混凝土構(gòu)件的承載力變化等研究較少。因腐蝕，結(jié)構(gòu)改進，材料老化等原因，大量基礎(chǔ)設(shè)施繼續(xù)提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎，抗拉與抗暴能力。纖維增強復(fù)合材料的出現(xiàn)提供了新的加固途徑。Meier采用樹脂粘接加固了Ebach橋，80年代，F(xiàn)RP對建筑物加固修復(fù)技術(shù)在美國等得到了迅速發(fā)展。我國大陸對FRP加固技術(shù)的應(yīng)用起步較晚，一些重大工程的加固改造應(yīng)用了FRP復(fù)合材料。采用FRP材料集中于碳纖維，玻璃纖維與芳綸纖維塑料。

FRP加固技術(shù)研究與工程應(yīng)用同步進行，日本于80年代率先開展此方面的研究工作。國內(nèi)外近年來的研究中，梁板加固研究開展較早，大量的實驗與計算結(jié)果涉及加固構(gòu)件的抗彎，粘接方式，結(jié)點加固等方面。應(yīng)用FRP加固后的混凝土受彎構(gòu)件能有明顯改善。大量的研究使人們對加固構(gòu)件力學(xué)響應(yīng)有了較清楚的認識。FRP加固混凝土柱的研究，涉及加固后混凝土柱的抗彎性能，承載能力，彎矩曲率關(guān)系，疲勞性能等。FRP加固混凝土柱為被動約束，橫向膨脹促使外包FRP材料環(huán)向伸長，約束機制取決于混凝土橫向膨脹性能，其受力過程混凝土彈性階段，分界點在素混凝土峰值強度附近。因FRP約束作用，柱的抗壓，抗彎能力有所提高。

界面粘接問題成為人們關(guān)注的研究重點，F(xiàn)RP與混凝土界面粘結(jié)破壞的主要原因為混凝土表面不平，混凝土中出現(xiàn)彎曲裂縫等。粘接剝離破壞主要形式有梁端部應(yīng)力集中，由剪切破壞引起的錯動剝離破壞。針對混凝土構(gòu)件裂縫下的FRP開粘問題提出了各種理論分析模型，如基于實驗數(shù)據(jù)的經(jīng)驗公式，可根據(jù)裂縫尺寸設(shè)計FRP片材的粘接長度。與傳統(tǒng)加固方法相比，碳纖維材料加固修補混凝土結(jié)構(gòu)具有高強高效，施工簡捷，使用面廣，施工質(zhì)量高等優(yōu)點。碳纖維材料質(zhì)量輕薄，加固修補后不增加原結(jié)構(gòu)自重。其加固費用相對較高，有必要加快其加固材料的國產(chǎn)化。

FRP加固修補技術(shù)是材料與工程的交叉學(xué)科，是傳統(tǒng)建筑材料的重要補充，在今后幾年內(nèi)我國在FRP的應(yīng)用必將得到更大的發(fā)展。目前國內(nèi)外學(xué)者對碳纖維布加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究較少，對其進行研究非常必要。

2 BP算法

思維學(xué)普遍認為人類大腦的思維分為抽象思維，形象思維與靈感思維3種基本方式。信息通過神經(jīng)元的興奮模式分布儲存在網(wǎng)絡(luò)中，信息網(wǎng)絡(luò)模擬人類思維的形象思維，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究內(nèi)容廣泛，目前主要的研究工作集中于生物原型研究，建立理論模型，網(wǎng)絡(luò)模型與算法研究等方面。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由許多廣泛互聯(lián)的神經(jīng)元組成的網(wǎng)絡(luò)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論是對人腦神經(jīng)系統(tǒng)的簡化抽象，通過神經(jīng)元間相互作用實現(xiàn)對信息的處理。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是抽象的數(shù)學(xué)模型，單個神經(jīng)元結(jié)構(gòu)簡單，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能實現(xiàn)豐富多彩的行為。具有極強的容錯性與魯棒性。

BP網(wǎng)絡(luò)是多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中每個神經(jīng)元有幾個輸出，每個神經(jīng)元有多個連接通路，每個節(jié)點有狀態(tài)變量x，節(jié)點i到節(jié)點j有連接權(quán)系數(shù)wji，每個節(jié)點有閥值θ，定義一個變換函數(shù)，fj[xj，wji，θj（i≠j）] 隱單元層神經(jīng)元的變換函數(shù)通常采用S函數(shù)，如f（x）=1/（1+e-x）輸出采用線性函數(shù)時，網(wǎng)絡(luò)輸出可取任意值。在一定學(xué)習(xí)規(guī)則下，網(wǎng)絡(luò)通過初始連接權(quán)系數(shù)根據(jù)所選變換函數(shù)計算，以實際輸出向量與目標(biāo)間的誤差平方為判據(jù)。反饋誤差平方和滿足規(guī)定最小誤差時，結(jié)束訓(xùn)練[2]。各神經(jīng)元連接權(quán)系數(shù)與閥值為滿足給定輸入向量非線性映射關(guān)系的合適值。

很多專家學(xué)者將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法應(yīng)用研究轉(zhuǎn)移到土木工程領(lǐng)域，目前廣泛應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域，由于其大規(guī)模運算處理提高計算速度，知識分布存儲在連接權(quán)值上，具有很強容錯性，具有很強的自學(xué)習(xí)能力，結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計，檢測評估，多目標(biāo)綜合額判斷，施工管理及材料本構(gòu)關(guān)系等方面做出許多探究。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能模擬走向?qū)嵱没晒＜蚁到y(tǒng)技術(shù)可作為結(jié)構(gòu)設(shè)計，診斷評估中的有力工具，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合推理對建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計預(yù)測是開發(fā)應(yīng)用專家系統(tǒng)的基礎(chǔ)。許多專家應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測研究，大多采用BP網(wǎng)絡(luò)建立解決問題網(wǎng)絡(luò)模型，目前BP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最為廣泛，網(wǎng)絡(luò)模型簡單，但出現(xiàn)訓(xùn)練網(wǎng)格時間長難以收斂，需要通過編程建立解決模型問題。

3 碳纖維布加固混凝土梁受彎承載力的神經(jīng)網(wǎng)

絡(luò)預(yù)測

影響碳纖維布加固混凝土梁承載力有很多因素，包括碳纖維布材料的強度及錨固方式等，本文選擇10個變量作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型的輸入變量，建立BP網(wǎng)絡(luò)算法模型由輸入神經(jīng)元輸入層，隱含層與輸出層構(gòu)成。首先對輸入數(shù)據(jù)進行歸一化處理，采用建立數(shù)據(jù)矩陣方法，優(yōu)化程序，或采用其他歸一方法，需注意對輸出值用同樣方法還原成實際值。

網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練是用收集到的國內(nèi)外實驗數(shù)據(jù)進行，輸入向量中，混凝土強度2014～47183MPa，截面高度130～400mm，受彎加固碳纖維布配布率010376%～0164%。鋼筋屈服強度與碳纖維布抗拉強度比010662～016741.碳纖維布的錨固長度與梁跨度比012714%～0144%[3]。如表1所示。

訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)預(yù)測出碳纖維布加固混凝土實驗的受彎承載力，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可較好的預(yù)測混凝土碳纖維布加固后的混凝土梁受彎承載力值。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型輸入一定變量可通過推理得到預(yù)測輸出，預(yù)測結(jié)果表明，隨著梁截面高度增加，受彎承載力提高，混凝土強度提高，與其他研究結(jié)論相同。影響碳纖維加固混凝土梁抗彎極限荷載的因素眾多，根據(jù)收集的相關(guān)文獻實驗構(gòu)成數(shù)據(jù)庫，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，RBF網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到碳纖維布加固鋼筋混凝土梁承載力預(yù)測中。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用到結(jié)構(gòu)加固工程領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)加固工程不確定因素較多，可通過能處理大量信息的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究其間關(guān)系。RBP網(wǎng)絡(luò)進行抗彎承載力預(yù)測建模，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自適應(yīng)性增強，具有精度較高的優(yōu)點，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大量可調(diào)參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)性能有很大影響，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適用于碳纖維布加固抗彎承載力預(yù)測。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)量有限，訓(xùn)練數(shù)據(jù)來自四點加載實驗，參數(shù)變化外預(yù)測結(jié)果有待進一步驗證，工程中普遍存在的梁受彎承載力預(yù)測精度有待考證。對BP訓(xùn)練易陷于局部極值的缺點，形成BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模拓撲結(jié)構(gòu)，遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛華能力明顯提高。如圖3所示。

4 結(jié)語

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對碳纖維布加固混凝土梁受彎承載力進行預(yù)測，證明結(jié)果具有較高的精度，應(yīng)用預(yù)測模型可對影響混凝土梁受彎承載力影響因素進行定性分析?？蓱?yīng)用此方法進行進一步的研究。隨著FRP加固技術(shù)在土木工程中的廣泛應(yīng)用，如何進一步確定FRP加固技術(shù)的可靠性十分重要，文章結(jié)合相關(guān)文獻的實驗數(shù)據(jù)利用神經(jīng)元算法進行了研究，實際應(yīng)用中存在一些問題，如何建立碳纖維加固鋼筋混凝土梁的受剪切承載力，偏心受壓柱的承載力與加固柱在往復(fù)荷載作用下疲勞性能的預(yù)測模式需進一步研究。如何利用智能算法建立碳纖維承載力預(yù)測動態(tài)歸遞模型是未來研究的重要問題。

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