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

        2022-01-07 05:05:30梁凱軒趙幫軒張軒
        安徽建筑 2021年12期
        關(guān)鍵詞:試塊力學(xué)性能神經(jīng)元

        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(duì)混凝土的工作性能產(chǎn)生不可忽視的影響。因此,對(duì)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(cè),對(duì)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(cè)。目前已經(jīng)有眾多學(xué)者基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)各種混凝土的強(qiáng)度,并且預(yù)測(cè)結(jié)果較為精確。

        根據(jù)高寒地區(qū)氣候環(huán)境對(duì)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(duì)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(cè)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(cè)模型來預(yù)測(cè)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(jí)配良好;拌和用水采用自來水。試驗(yàn)擬配制強(qiáng)度等級(jí)為C50的混凝土,針對(duì)高寒地區(qū)對(duì)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(hào)J)和高寒引氣減水混凝土(代號(hào)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(duì)面布置測(cè)區(qū),每個(gè)面標(biāo)出8個(gè)回彈測(cè)點(diǎn)和3個(gè)超聲波測(cè)點(diǎn)。在28d時(shí)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)誤差最小并給出精度。

        使用SPSS軟件針對(duì)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(cè)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(cè)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為2-2-1,如圖1所示,預(yù)測(cè)結(jié)果如表3所示。表3可見,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差較小,均在1%左右,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試以及回彈測(cè)試,使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行強(qiáng)度預(yù)測(cè)后進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn),再計(jì)算相對(duì)誤差,測(cè)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(cè)驗(yàn)證分析 表4

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

        4 結(jié)論

        為了準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)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(duì)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(cè)模型,發(fā)現(xiàn)對(duì)于高寒引氣混凝土,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)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(cè)提供便捷、準(zhǔn)確的方法。

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