基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高寒混凝土抗壓強(qiáng)度預(yù)測研究

梁凱軒 ，趙幫軒，張軒

（1.西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710021 2.中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300222）

我國國土面積大，東西南北跨度大，不同地區(qū)的氣候環(huán)境差異很大。在西北、東北、西南等地區(qū)，海拔高、氣壓低、降水量少、年霜凍期長，屬高寒地區(qū)。高寒地區(qū)由于其特殊的地理位置及惡劣的氣候條件，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度及耐久性降低，對混凝土的工作性能產(chǎn)生不可忽視的影響。因此，對高寒地區(qū)混凝土的工作性能尤其力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測，對高寒地區(qū)的混凝土工程具有較大的工程價(jià)值。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它可以擺脫常規(guī)函數(shù)形式的局限性，自動(dòng)地發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的模式，較好地建立各自變量之間復(fù)雜的映射，開發(fā)非線性系統(tǒng)模型，進(jìn)行可靠的混凝土強(qiáng)度預(yù)測。目前已經(jīng)有眾多學(xué)者基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測各種混凝土的強(qiáng)度，并且預(yù)測結(jié)果較為精確。

根據(jù)高寒地區(qū)氣候環(huán)境對混凝土力學(xué)性能及耐久性的影響，結(jié)合已有的研究成果，對高寒混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證高寒混凝土的力學(xué)性能及耐久性。并測試高寒混凝土的超聲波波速、回彈值及28d抗壓強(qiáng)度，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型來預(yù)測混凝土28d抗壓強(qiáng)度。

1 高寒混凝土試驗(yàn)

1.1 高寒混凝土配合比

試驗(yàn)地點(diǎn)位于甘肅省某地，海拔約2900m，氣候寒冷濕潤，常年多雨且霜凍期較長，屬高海拔寒冷地區(qū)。原材料均就地取材，水泥采用普通P·O52.5硅酸鹽水泥；細(xì)骨料采用河砂，按照粒徑可分為中粗砂；粗骨料采用礦山碎石，粒徑為5mm～20mm，級配良好；拌和用水采用自來水。試驗(yàn)擬配制強(qiáng)度等級為C50的混凝土，針對高寒地區(qū)對混凝土工作性能產(chǎn)生的影響，已有學(xué)者進(jìn)行混凝土配合比的優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過多次試配及力學(xué)性能試驗(yàn)，最終得到滿足強(qiáng)度要求的高寒減水混凝土（代號J）和高寒引氣減水混凝土（代號YJ）配合比，見表1。

高寒引氣混凝土配合比 表1

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)制作規(guī)格為150×150×150mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊若干塊，試塊拆模后放入標(biāo)養(yǎng)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，溫度為20℃，濕度為90%。在試塊的澆筑面的側(cè)面及其對面布置測區(qū)，每個(gè)面標(biāo)出8個(gè)回彈測點(diǎn)和3個(gè)超聲波測點(diǎn)。在28d時(shí)測試混凝土試塊的超聲波波速代表值以及回彈代表值后進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，部分測試數(shù)據(jù)見表2。

高寒引氣混凝土試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表 表2

2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高寒混凝土強(qiáng)度預(yù)測模型

一個(gè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含輸入層、一個(gè)或多個(gè)隱含層、輸出層，神經(jīng)元之間的連接代表相關(guān)的權(quán)重。將數(shù)據(jù)輸入到輸入層，訓(xùn)練算法進(jìn)行迭代，過程中不斷調(diào)整不同神經(jīng)元的權(quán)重，使得預(yù)測誤差最小并給出精度。

使用SPSS軟件針對高寒引氣混凝土建立含有一個(gè)隱含層的多輸入單輸出的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，選取試塊的超聲波波速代表值、回彈代表值作為輸入層，70%數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，30%數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)樣本；試塊的抗壓強(qiáng)度作為輸出層，輸出層激活函數(shù)為恒等式。算法自動(dòng)選擇最優(yōu)的隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，經(jīng)過多重迭代計(jì)算，高寒引氣混凝土神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層最優(yōu)神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)為2，隱藏層激活函數(shù)為雙曲正切。最終建立的高寒引氣混凝土BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為2-2-1，如圖1所示，預(yù)測結(jié)果如表3所示。表3可見，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型預(yù)測結(jié)果相對誤差較小，均在1%左右，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型訓(xùn)練結(jié)果較好。

圖1 高寒引氣混凝土神經(jīng)元結(jié)構(gòu)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果 表3

3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證高寒引氣混凝土BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的準(zhǔn)確性，隨機(jī)抽取高寒引氣混凝土9塊，在28d進(jìn)行超聲波波速測試以及回彈測試，使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型進(jìn)行強(qiáng)度預(yù)測后進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，再計(jì)算相對誤差，測試及計(jì)算結(jié)果如表4所示。

高寒引氣混凝土神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度預(yù)測驗(yàn)證分析 表4

通過表3抗壓強(qiáng)度的實(shí)測值和預(yù)測值以及相對誤差可見：高寒引氣混凝土抗壓強(qiáng)度預(yù)測值的平均相對誤差為2.9%，說明所訓(xùn)練的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型預(yù)測效果較好，具有可信度。

4 結(jié)論

為了準(zhǔn)確地預(yù)測高寒地區(qū)混凝土抗壓強(qiáng)度，制作了高寒引氣混凝土立方體試塊，進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)以及數(shù)據(jù)處理，得出以下結(jié)論：

①根據(jù)高寒地區(qū)氣候環(huán)境對混凝土力學(xué)性能的影響，在已有成果的基礎(chǔ)上經(jīng)試配，得到了高寒引氣混凝土的配合比；

②建立高寒引氣混凝土BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，發(fā)現(xiàn)對于高寒引氣混凝土，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為2-2-1具有較好的訓(xùn)練效果。并驗(yàn)證其可靠性，為高寒混凝土的預(yù)測提供便捷、準(zhǔn)確的方法。