BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鋼管纖維混凝土柱疲勞破壞研究

李江南

（中鐵十九局集團(tuán)第七工程有限公司，廣東珠海 519020）

1 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用由龍門架、L形大梁和液壓伺服作動器等組成的多功能加載系統(tǒng)。

1.2 試驗(yàn)材料

（1）混凝土。試驗(yàn)選用C35混凝土作為鋼管內(nèi)部的填充混凝土，考慮到混凝土強(qiáng)度形成需要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在養(yǎng)護(hù)的過程中鋼管極容易生銹，銹蝕的液體可能會對混凝土有一定的腐蝕，在混凝土中添加一定的防腐劑。

（2）鋼管。試驗(yàn)采用Q235a型圓形鋼管，試件尺寸為Φ150×400 mm，壁厚2 mm。

（3）碳纖維。試驗(yàn)用碳纖維采用SKO型賽克歐纖維布。試驗(yàn)中碳纖維體積摻量為1%，采用代替細(xì)骨料法，碳纖維只填充至鋼管內(nèi)部混凝土內(nèi)，未錨固到上下固定端梁里。

（4）環(huán)氧樹脂。試驗(yàn)用膠合劑選取環(huán)氧樹脂膠，用于將纖維膠結(jié)在鋼管的表面。

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)加載方式分別為 1 mm，2 mm，4 mm，8 mm，16 mm……，豎向荷載的加荷速度為0.7 MPa/s。

2 鋼管纖維混凝土柱疲勞破壞極限強(qiáng)度預(yù)測

2.1 模型建立

輸入試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用低周疲勞破壞的參數(shù)進(jìn)行模型的訓(xùn)練方式，進(jìn)行高周疲勞破壞的預(yù)測分析。隱含層設(shè)置3層，最大訓(xùn)練次數(shù)為1000，全局最小誤差為0.005。學(xué)習(xí)率為0.02。由于該計(jì)算模型不能進(jìn)行破壞點(diǎn)的預(yù)判，故設(shè)置預(yù)測結(jié)果低于0.55倍加載力作為破壞點(diǎn)[1]。

2.2 試件加載試驗(yàn)結(jié)果

表1為試件加載試驗(yàn)結(jié)果。

表1 試件加載試驗(yàn)結(jié)果

2.3 BP（Back Propagation，反向傳播）網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果檢驗(yàn)

針對所建立的模型進(jìn)行檢驗(yàn)，輸入加載次數(shù)為55次，通過連續(xù)輸入的方式尋找破壞點(diǎn)出現(xiàn)時循環(huán)的次數(shù)。表2為預(yù)測模型方案檢驗(yàn)的結(jié)果。

根據(jù)表2所示結(jié)果，對比分析5種建模方案，就準(zhǔn)確度而言，方案3高于其他4種方案，方案5的預(yù)測結(jié)果在55次循環(huán)時較為準(zhǔn)確，但后期預(yù)測時結(jié)果偏差較大。采用方案5的建模方法，針對于本試驗(yàn)結(jié)果較為準(zhǔn)確，但其是否具有普遍性還需要進(jìn)一步外延。

表2 預(yù)測方案檢驗(yàn)表

3 基于數(shù)值模擬的鋼管纖維混凝土柱疲勞破壞BP網(wǎng)絡(luò)模型驗(yàn)證

通過大型有限元軟件FLAC3D，對鋼管纖維混凝土柱的軸壓試件和偏壓試件進(jìn)行數(shù)值模擬。對比試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，對鋼管纖維混凝土柱疲勞破壞BP網(wǎng)絡(luò)模型的正確性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 數(shù)值模擬模型的建立

（1）模型尺寸。數(shù)值計(jì)算模型與試驗(yàn)尺寸一致，采用Φ150×400 mm，壁厚2 mm的試件進(jìn)行計(jì)算。

（2）邊界條件。根據(jù)實(shí)際情況以及工程經(jīng)驗(yàn)，本文邊界采用位移邊界，限定模型的頂面、底面不可動，其余面為自由面。

（3）材料參數(shù)。材料參數(shù)與上述1.2節(jié)保持一致，材料參數(shù)需按照FLAC3D內(nèi)置需求進(jìn)行換算。

（4）計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.2 建模對試件進(jìn)行數(shù)值模擬

（1）軸壓結(jié)果驗(yàn)證。表3為 A1，A2，A3編號的3個試件的軸壓試驗(yàn)與模擬結(jié)果對比分析，從表3可以看出，模擬值與試驗(yàn)結(jié)果值相差不大，誤差均＜5%，模擬結(jié)果與實(shí)際情況相符合。

圖1為A1試件的試驗(yàn)與模擬結(jié)果對比曲線。從圖1可以看出，2條曲線基本吻合，經(jīng)數(shù)值模擬得到的彈性模量較試驗(yàn)得到的彈性模量稍大，但強(qiáng)度較試驗(yàn)結(jié)果偏低，模擬曲線的下降平臺更為明顯[2]。

（2）水平荷載加載結(jié)果驗(yàn)證。表4為水平荷載作用下數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證表。根據(jù)表4，該模擬方法計(jì)算結(jié)果正確、有效。

3.3 BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的數(shù)值模擬驗(yàn)證

將基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型得到的結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果匯總，如表5所示。

表3 模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比分析表

圖1 試驗(yàn)與模擬對比分析

表4 水平荷載作用下數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

表5 模擬與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果對比分析

對比分析可以發(fā)現(xiàn)，剛度指標(biāo)的誤差最大為4.16%＜5%，破壞次數(shù)最大誤差為3，該BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測滿足精度要求。

4 結(jié)束語

利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)了對鋼管纖維混凝土破壞點(diǎn)的預(yù)測。將試驗(yàn)真實(shí)狀態(tài)和數(shù)值模擬結(jié)果對比，驗(yàn)證了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，用于預(yù)測鋼管纖維混凝土柱疲勞破壞極限強(qiáng)度的可行性和準(zhǔn)確性，試驗(yàn)結(jié)果可為鋼管纖維混凝土柱的疲勞破壞機(jī)理研究提供參考。