張雄偉 陶國慶 黃飛龍

摘 要：隨著新技術的發(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)絡算法進行研究。本文通過實驗資料分析，建立了基于網(wǎng)絡方法的碳纖維布加固混凝土梁受彎承載力的BP算法結構模型，證明模型的有效性可用于預測碳纖維布加固混凝土梁的受彎承載力，進行了初步分析。

關鍵詞：碳纖維布;混凝土梁;神經(jīng)網(wǎng)絡;承載力

中圖分類號：TU375.1 文獻標識碼：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，計算機廣泛應用于人們生活中，神經(jīng)網(wǎng)絡等智能算法被結構工程師關注。結構選型和優(yōu)化設計重復性工作增加分析計算工作量，需要結構工程師具有對以往工作經(jīng)驗判斷應用能力，舊有建筑物經(jīng)歷較長時間后受到破壞，結構變形引起結構幾何尺寸變化，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用廣泛，粘貼在混凝土構件外表面，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構的可靠度分析需要，采用現(xiàn)代數(shù)學方法解決基本數(shù)據(jù)不足問題很有必要。本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡BP算法進行非線性模擬訓練，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，采用碳纖維增強復合材料對構件進行修復與翻新的技術，在國際上受到重視，碳纖維材料具有輕質(zhì)等優(yōu)點，此技術的研究應用得到了飛速發(fā)展。我國在土木工程中應用CFRP材料的研究發(fā)展較慢[1]。

我國參與CFRP技術研究的技術部門有科研所，設計施工單位等。對碳纖維布加固混凝土構件的破壞形態(tài)等進行了較多的研究。但對預應力碳纖維加固混凝土構件的承載力變化等研究較少。因腐蝕，結構改進，材料老化等原因，大量基礎設施繼續(xù)提高結構構件的抗彎，抗拉與抗暴能力。纖維增強復合材料的出現(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對建筑物加固修復技術在美國等得到了迅速發(fā)展。我國大陸對FRP加固技術的應用起步較晚，一些重大工程的加固改造應用了FRP復合材料。采用FRP材料集中于碳纖維，玻璃纖維與芳綸纖維塑料。

FRP加固技術研究與工程應用同步進行，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果涉及加固構件的抗彎，粘接方式，結點加固等方面。應用FRP加固后的混凝土受彎構件能有明顯改善。大量的研究使人們對加固構件力學響應有了較清楚的認識。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注的研究重點，F(xiàn)RP與混凝土界面粘結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力集中，由剪切破壞引起的錯動剝離破壞。針對混凝土構件裂縫下的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構具有高強高效，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構自重。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加固修補技術是材料與工程的交叉學科，是傳統(tǒng)建筑材料的重要補充，在今后幾年內(nèi)我國在FRP的應用必將得到更大的發(fā)展。目前國內(nèi)外學者對碳纖維布加固混凝土結構的研究較少，對其進行研究非常必要。

2 BP算法

思維學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)絡中，信息網(wǎng)絡模擬人類思維的形象思維，神經(jīng)網(wǎng)絡的研究內(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)絡模型與算法研究等方面。

神經(jīng)網(wǎng)絡是由許多廣泛互聯(lián)的神經(jīng)元組成的網(wǎng)絡，神經(jīng)網(wǎng)絡理論是對人腦神經(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)絡是抽象的數(shù)學模型，單個神經(jīng)元結構簡單，但神經(jīng)網(wǎng)絡系統(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)絡是多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡，網(wǎng)絡中每個神經(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)絡輸出可取任意值。在一定學習規(guī)則下，網(wǎng)絡通過初始連接權系數(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，結束訓練[2]。各神經(jīng)元連接權系數(shù)與閥值為滿足給定輸入向量非線性映射關系的合適值。

很多專家學者將神經(jīng)網(wǎng)絡等智能算法應用研究轉(zhuǎn)移到土木工程領域，目前廣泛應用于建筑工程領域，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值上，具有很強容錯性，具有很強的自學習能力，結構分析及優(yōu)化設計，檢測評估，多目標綜合額判斷，施工管理及材料本構關系等方面做出許多探究。神經(jīng)網(wǎng)絡功能模擬走向?qū)嵱没晒＜蚁到y(tǒng)技術可作為結構設計，診斷評估中的有力工具，應用神經(jīng)網(wǎng)絡綜合推理對建筑工程結構設計預測是開發(fā)應用專家系統(tǒng)的基礎。許多專家應用神經(jīng)網(wǎng)絡預測研究，大多采用BP網(wǎng)絡建立解決問題網(wǎng)絡模型，目前BP網(wǎng)絡應用最為廣泛，網(wǎng)絡模型簡單，但出現(xiàn)訓練網(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)

絡預測

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)絡結構模型的輸入變量，建立BP網(wǎng)絡算法模型由輸入神經(jīng)元輸入層，隱含層與輸出層構成。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)絡訓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。

訓練好的網(wǎng)絡結構預測出碳纖維布加固混凝土實驗的受彎承載力，網(wǎng)絡結構可較好的預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)絡模型輸入一定變量可通過推理得到預測輸出，預測結果表明，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)收集的相關文獻實驗構成數(shù)據(jù)庫，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡，RBF網(wǎng)絡應用到碳纖維布加固鋼筋混凝土梁承載力預測中。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡可應用到結構加固工程領域，結構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)絡研究其間關系。RBP網(wǎng)絡進行抗彎承載力預測建模，網(wǎng)絡系統(tǒng)自適應性增強，具有精度較高的優(yōu)點，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡大量可調(diào)參數(shù)對網(wǎng)絡性能有很大影響，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡適用于碳纖維布加固抗彎承載力預測。網(wǎng)絡結構模型訓練數(shù)據(jù)量有限，訓練數(shù)據(jù)來自四點加載實驗，參數(shù)變化外預測結果有待進一步驗證，工程中普遍存在的梁受彎承載力預測精度有待考證。對BP訓練易陷于局部極值的缺點，形成BP神經(jīng)網(wǎng)絡建模拓撲結構，遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡的泛華能力明顯提高。如圖3所示。

4 結語

神經(jīng)網(wǎng)絡方法對碳纖維布加固混凝土梁受彎承載力進行預測，證明結果具有較高的精度，應用預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。可應用此方法進行進一步的研究。隨著FRP加固技術在土木工程中的廣泛應用，如何進一步確定FRP加固技術的可靠性十分重要，文章結合相關文獻的實驗數(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荷載作用下疲勞性能的預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測動態(tài)歸遞模型是未來研究的重要問題。

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