BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測PVA-ECC在抗鹽凍下的結(jié)構(gòu)壽命

侯慧芳 閆敏

摘 要：為了預(yù)測不同纖維含量下的聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（PVA-ECC）在氯鹽浸漬、凍融循環(huán)作用下的使用壽命，以試驗(yàn)結(jié)果為訓(xùn)練樣本值，建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。結(jié)果表明，采用Trainlm訓(xùn)練函數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠達(dá)到目標(biāo)精度0.01。不同纖維含量下的PVA-ECC在氯鹽浸漬環(huán)境下，所能承受的凍融循環(huán)次數(shù)各不相同，最優(yōu)配合比為1%的纖維含量，在經(jīng)過475次凍融循環(huán)作用后才發(fā)生破壞。

關(guān)鍵詞：聚乙烯醇纖維;氯鹽環(huán)境;凍融循環(huán);BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

普通混凝土抗鹽凍性經(jīng)過大量的研究和工程實(shí)際已經(jīng)證明較差，難以滿足現(xiàn)代土木工程新的結(jié)構(gòu)形式及在特殊環(huán)境建造的建筑物對輕質(zhì)、高強(qiáng)、高耐久性的要求。自從PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料出現(xiàn)后，國內(nèi)外的一些學(xué)者、專家對PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究，并取得了一些研究成果^[1][2]。本文采用不同纖維含量下的PVA-ECC ，研究其在氯鹽浸漬、快速凍融循環(huán)作用下的相對動(dòng)彈性模量。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過300次凍融循環(huán)作用后，部分PVA-ECC試件沒有破壞，為了預(yù)測這部分試件的使用壽命，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為樣本值，建立基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命預(yù)測模型。

一、試驗(yàn)概況及結(jié)果

根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（GBJ82-85）中抗凍性能試驗(yàn)的快凍法的規(guī)定，試驗(yàn)制作了8組尺寸為100mm×100mm×400mm的棱柱體試件，每組3個(gè);養(yǎng)護(hù)后放入濃度為3.5%的NaCl溶液中浸泡，凍融循環(huán)作用，每經(jīng)過25次凍融循環(huán)作用后測定相對動(dòng)彈性模量值，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

二、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的建立

（一）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模型

神經(jīng)元是建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的關(guān)鍵，本文采用的是基于模擬生物神經(jīng)元信息的傳遞特性，即輸入、輸出關(guān)系。 輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)一般由建立網(wǎng)絡(luò)時(shí)所考慮的因素的個(gè)數(shù)確定^{【3】【4】}，在本文中考慮的影響因素主要有水泥含量、粉煤灰含量、硅粉含量、PVA纖維含量以及凍融循環(huán)次數(shù)，所以網(wǎng)絡(luò)輸入層的節(jié)點(diǎn)數(shù)為5。輸出層節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)由輸出的變量數(shù)確定。在本文中輸出的變量只有一個(gè)即相對動(dòng)彈性模量，所以輸出層的節(jié)點(diǎn)數(shù)為1。所以采用的節(jié)點(diǎn)數(shù)為5-N-1，其中N表示隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)。

本文采用公式1來討論神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)的確定^[4]，在本文中=5， =1，所以N的取值范圍為7-16之間的常數(shù)。

當(dāng)隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)N=13時(shí)，運(yùn)行結(jié)果如下：

從圖1中可以看出，5-13-1的結(jié)構(gòu)在經(jīng)過8693次訓(xùn)練后，其誤差平方和就達(dá)到0.0099938，，所以5-13-1結(jié)構(gòu)無論在迭代次數(shù)、訓(xùn)練誤差、耗時(shí)和測試樣本精度方面都滿足要求。因此，本研究確定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為5-13-1三層網(wǎng)絡(luò)。

輸入層采用tansig正切S型傳遞函數(shù)神經(jīng)元，輸出層采用logsig對數(shù)s型傳遞函數(shù)神經(jīng)元，訓(xùn)練函數(shù)為trainlm（Levenberg-Marquardt的BP算法訓(xùn)練函數(shù)）^[5]，最多訓(xùn)練次數(shù)為30000次，目標(biāo)精度為0.01。

（二）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練與預(yù)測

對于已經(jīng)建立好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性，本文采用試驗(yàn)取得的部分?jǐn)?shù)據(jù)作為訓(xùn)練與對比樣本。表2所示為預(yù)測點(diǎn)與實(shí)測點(diǎn)相對動(dòng)彈性模量之間的對比圖，從表中可以看出，實(shí)測值與預(yù)測值比較接近，誤差較小。

（三）凍融循環(huán)作用下的結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測

《普通混凝土長期性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：凍融條件下的混凝土結(jié)構(gòu)壽命準(zhǔn)則以其相對動(dòng)彈性模量下降到60%為準(zhǔn)^[6]。從表1中可以看出，不同纖維、硅粉、粉煤灰、水泥含量下的PVA-FRCC試件，經(jīng)歷相同次數(shù)凍融循環(huán)作用下的破壞程度不相同。故將水泥含量、粉煤灰含量、硅粉含量、PVA纖維含量以及凍融循環(huán)次數(shù)作為變量，輸入到人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，得到如表3所示的壽命預(yù)測值。

表3分析可知，纖維含量0%的試件可經(jīng)受200次凍融循環(huán)作用就發(fā)生破壞，0.5%的試件經(jīng)受425次凍融循環(huán)作用破壞，1%的試件經(jīng)歷475次發(fā)生破壞，2%的試件經(jīng)歷450次。

綜上分析可知，PVA纖維摻量的加入可提高試件的抗鹽凍性能，纖維摻量為1%的試件的性能最好;粉煤灰、硅粉的摻量對試件的性能影響不大。

三、結(jié)論

1.建立的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能較好的預(yù)測PVA-FRCC試件在不同纖維含量下的的相對動(dòng)彈性模量。

2.PVA-FRCC試件的相對動(dòng)彈性模量下降到60%時(shí)的凍融循環(huán)次數(shù)隨著纖維含量的增加呈先增加后減少的趨勢，纖維摻合量為1%時(shí)試件的抗鹽凍性能最好，能承受475次凍融循環(huán)作用后才發(fā)生破壞。

3.在PVA-FRCC試件中加入硅粉、粉煤灰，對試件的抗鹽凍性能影響不大。

參考文獻(xiàn)

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