張云峰 趙德望 韓 雙

(1.東北石油大學(xué),大慶 163318;2.哈爾濱四通建設(shè)集團有限責(zé)任公司,哈爾濱 150100)

FRP筋在酸堿侵蝕下的耐久性能

張云峰1趙德望1韓 雙2

(1.東北石油大學(xué),大慶 163318;2.哈爾濱四通建設(shè)集團有限責(zé)任公司,哈爾濱 150100)

由于酸堿鹽、潮濕、紫外線、溫度等環(huán)境條件對 FRP筋的長期性能具有一定的影響,致使國際上對 FRP筋長期性能的研究越來越關(guān)注,本文提出應(yīng)用 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對 CFRP筋在酸堿侵蝕下的耐久性能研究,預(yù)測結(jié)果表明此方法可行,可以為CFRP筋耐久性設(shè)計提供理論依據(jù)。

CFRP筋;酸堿侵蝕;BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);耐久性

1 引言

所周知,材料、能源和信息是現(xiàn)代文明的三大支柱。腐蝕是材料研究的重要組成部分。為解決因鋼筋銹蝕引起的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用性能,解決引起的耐久性問題,國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過近 50年的分析研究,普遍認(rèn)為[1]采用新型的聚合物材料 FRP(F iberReinforced Polymer)筋替代鋼筋是一個較好的選擇。FRP筋[2]是由數(shù)以萬計的纖維和樹脂組合而成,纖維直徑在 6 μ m～ 15 μ m,目前用于土木工程結(jié)構(gòu)中的 FRP筋主要有碳纖維筋(Carbon Fiber Reinforced Polymer,簡稱 CFRP筋)、玻璃纖維筋(GlassF iberReinforced Polym er,簡稱 GFRP筋 )和芳綸纖維筋 (Aram id Fiber Reinforced Polym er,簡稱AFRP筋)[3]。當(dāng) FRP筋受到外力荷載時,由于其力學(xué)性能,對其施加荷載時,纖維和樹脂將負(fù)載壓力轉(zhuǎn)移到鄰近纖維,達到共同承擔(dān)荷載的作用。與鋼材相比,FRP筋具有強度、質(zhì)量比高、彈性模量小、疲勞性能好、應(yīng)力松弛小、耐腐蝕性能好等特點。除上述優(yōu)點外,FRP筋具有非磁性,大大降低了電化學(xué)環(huán)境的形成,為腐蝕環(huán)境下替代鋼筋、解決鋼筋銹蝕問題提供了很大的幫助。

雖然組成 FRP筋的纖維和樹脂基體一般情況下不易銹蝕,但近幾年的研究發(fā)現(xiàn),酸堿鹽、潮濕、紫外線、溫度等環(huán)境條件對 FRP筋的長期性能還是有一定的影響,致使國際上對 FRP筋長期性能的研究越來越關(guān)注。迄今為止,土木工程結(jié)構(gòu)中所使用的 FRP筋大多不超過 20年,已有不少國家對實際工程進行跟蹤研究工作,但相關(guān)成果的報告還很少。本文利用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱建立于BP經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對 CFRP筋在酸堿侵蝕下的質(zhì)量變化進行預(yù)測,從而達到對預(yù)測 CFRP筋在溶液中腐蝕情況。

2 基于 L-M算法的 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

多層前向 BP網(wǎng)絡(luò)是目前應(yīng)用最多的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),其模型包括:輸入層、隱含層、輸出層,層與層之間通過權(quán)值連接。網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過程包括信號的前向傳播和誤差的反向傳播,其核心是通過向后傳播誤差及修正誤差的方向來不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)(權(quán)、閥值),逼近所期望的輸入輸出映射關(guān)系。

傳統(tǒng)的 BP算法具有收斂速度慢、局部級值等缺陷,在實際應(yīng)用中很難勝任,因此提出了很多改進的算法,由于 L-M算法具有收斂快﹑精度高等優(yōu)點,所以本文利用 L-M算法來訓(xùn)練 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。其迭代公式為

式中:I為單位陣;η為一個非負(fù)值。依賴于 η的幅值,該方法光滑地在兩種極端情況之間變化:即Guass-New ton法 η→ 0和標(biāo)準(zhǔn)梯度下降法 η→∞,可作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練方法。

并以此不斷來調(diào)整訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò),直至達到目標(biāo)要求。由式 (1)可知,L-M法實際上是 New ton法和標(biāo)準(zhǔn)梯度下降法的結(jié)合,它綜合了New ton法和標(biāo)準(zhǔn)梯度下降法兩者的優(yōu)點。因此,以 L-M算法設(shè)計的 BP網(wǎng)絡(luò)有著更高的精度和更快的收斂速度[4]。L-M算法在MATLAB工具箱中提供的訓(xùn)練函數(shù)為 train lm。

3 CFRP筋在酸堿侵蝕下質(zhì)量變化的 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

根據(jù)研究需要,本文 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型輸入為:溫度(T0)、濃度(C)、、時間 (T)和溶液的類型。輸出為CFRP筋的質(zhì)量變化量。確定使用擁有一個隱含層的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),結(jié)構(gòu)為輸入層神經(jīng)元的個數(shù)為 4個,隱含層神經(jīng)元的個數(shù)為 8個,輸出層神經(jīng)元個數(shù)為 1個。如圖 1所示。

4 訓(xùn)練樣本采集

制作 CFRP筋試件共 18個,采用分析天平稱量其原始質(zhì)量,并裝入濃度為 0.05/0.1/0.2 mol/L,NaOH溶液和 HCI溶液 6個容量瓶(1L)中,依次編號 1-6在室溫條件下,分別在 30d、60d、90d、120d、150d和 180d后取出稱量干燥前質(zhì)量,采用 DHG-9240A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱對材料進行烘干 2h,烘干 2次,直至恒重,記錄恒重質(zhì)量,測定其質(zhì)量的變化,進而得出 CFRP筋腐蝕的速率。具體數(shù)據(jù)如表 1,其中 1代表酸溶液,2代表NaOH溶液。

5 模型的建立與訓(xùn)練

取表 1的 36個樣本來訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)的輸入向量 P=[P1,……,P36],輸出為 T=[T1,……,T36]。取表 2樣本做為預(yù)測樣本 Ptest= [Ptest1,……,Ptest10],預(yù)測樣本如表 2。

本文采用MATLAB人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱中的new ff函數(shù)來建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),new ff函數(shù)的格式為:

圖 1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

表 1 訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)

表 2 預(yù)測樣本

其中 PR為輸入失量的最大值與最小值,[S1,S2……Sn]中的各元素分別表示各層神經(jīng)元的數(shù)目;{TF1TF2……TFn}中各元素分別表示各層神經(jīng)元采用的傳遞函數(shù);BTF表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時所使用的訓(xùn)練函數(shù);本文網(wǎng)絡(luò)模型中 PR為m inmax(P),隱含層和輸出層的神經(jīng)元個數(shù)分別為 8和 1,隱含層與輸出層神經(jīng)元傳遞函數(shù)分別為 tansig函數(shù)與 purelin函數(shù),因為應(yīng)用 L-M算法訓(xùn)練 BP網(wǎng)絡(luò),所以 BP網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練函數(shù)為 train lm;訓(xùn)練要求精度 ne.t trainparam.goal=0.001,由于輸入數(shù)據(jù)的大小差別較大,為了保證網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速度與精度先對 P歸一化處理,處理方法為調(diào)用工具箱里的 premn mx函數(shù)把數(shù)據(jù)歸一化到-1～1之間。網(wǎng)絡(luò)建立完畢后調(diào)用函數(shù) train訓(xùn)練 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程曲線如圖2所示。

圖 2 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程曲線

調(diào)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱中函數(shù) s im對樣本 Ptest的結(jié)構(gòu)型式預(yù)測

其中 Ptestn為 Ptest的歸一化形式,具體結(jié)果,如表 2。

6 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測與結(jié)果分析

通過對CFRP筋在堿溶液中腐蝕模型的可靠性驗證得知,模型預(yù)測結(jié)果和真實質(zhì)量誤差小。最大誤差也只有 18.1%,所以應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對 CFRP筋耐久性的預(yù)測是可行的,本文認(rèn)為引起誤差的原因可能有兩種:

(1)因訓(xùn)練樣本過少而導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果存在誤差,當(dāng)然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測能力也不是百分之百準(zhǔn)確,所以存在一定的誤差。

(2)試驗過程當(dāng)中由量具、工具、夾具等引起的誤差,同時操作者的操作所引起的(或外界因素所引起的)偶然誤差也不可避免。

7 結(jié)論

采用 CFRP這種新型的耐腐蝕材料來代替鋼筋,提高結(jié)構(gòu)的耐久性能。解決鋼筋銹蝕嚴(yán)重的問題,可以有效地延長工程的使用年限,進而節(jié)約資源。本文利用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存貯專家的設(shè)計經(jīng)驗和具有漸進的學(xué)習(xí)功能來對 CFRP筋的耐久性進行預(yù)測。該方法可為 CFRP筋耐久性設(shè)計提供理論參考,從而可得出較為合理的結(jié)構(gòu)耐久理論和設(shè)計方案,更好地消除其薄弱環(huán)節(jié),為提高 CFRP筋在惡劣條件下的工作效率提供理論指導(dǎo)。

[1]NANNIA.FRP reinforcement for concrete structures[M].Elsevier Science Publishers,1993.

[2]薛偉辰,康清梁.纖維塑料筋 FRP在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].工業(yè)建筑,1999,29(2):19-21.

[3]劉志勇,吳桂芹,等.FRP筋及其增強砼的耐久性與壽命預(yù)測[J].煙臺大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)與工程版 ),2005(01):66-73.

[4]閆濱,高真?zhèn)?強麗峰.基于 L-M算法的 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在大壩安全監(jiān)控預(yù)報中的應(yīng)用[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009:506-509.

Study on the FRP's Durability in the of Acid-base Erosion

Zhang Yunfeng1,Zhao Dewang1,Han Shuang2

(1.Northeast Petroleum University,Daqing163318,China;
2.Harbin Si Tong Construction Group Co.,Ltd.,Harbin150100,China)

As the acid-base sal,t moisture,UV ligh,t te mperature and other environ m ental conditions has some influence on the FRP bars,whichmakes the international long-ter m performance of FRP international study bemore and more concerned.This paper proposes the study ofCFRP's durability in the of acid-base erosion using BP neural ne tworkm ethod CFRP's.The results show that thism ethod is possible and it can provide theoretical basis for the durability design.

CFRP;Acid-base Erosion;BP NeuralNetwork;Durability

TU53;TP183

A

1674-7461(2011)02-0033-04

黑龍江省自然科學(xué)基金重點項目(ZD200805);黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究面上項目(11541002)

張云峰(1966-),男,教授,博士。主要從事土木工程方面的研究。