閆春嶺，劉德龍，閆世龍，王振豪

（1.安陽(yáng)工學(xué)院,河南 安陽(yáng) 455000;2.鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450002）

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化水平的不斷推進(jìn)，全國(guó)各地的混凝土用量每年都在增加，同時(shí)，伴隨著大量的廢舊建筑的拆除，產(chǎn)生建筑垃圾逐年增多。傳統(tǒng)處理建筑廢棄物的方式多采用填埋或露天堆放，這樣，無(wú)形之中造成了環(huán)境的污染和浪費(fèi)大量的田地[1]。因此，科學(xué)提倡廢棄建筑物資源化不僅可以解決砂石骨料短缺的危機(jī)，同樣，對(duì)環(huán)境保護(hù)起了重要作用。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)于再生混凝土性能進(jìn)行了大量的研究，并取得了大量的研究成果。Gluzhge[2]、Evangelista[3]對(duì)再生混凝土和普通混凝土抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度對(duì)比研究，得到了再生混凝土抗壓強(qiáng)度略高于普通混凝土抗壓強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度略低于普通混凝土的結(jié)論。肖建莊[4]等基于大量的室內(nèi)試驗(yàn)，得出了當(dāng)再生骨料取代率為50%時(shí)，混凝土強(qiáng)度達(dá)到最大值。閆春嶺[5]等對(duì)實(shí)驗(yàn)室廢棄的C30試塊加工處理后制作的混凝土試塊進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)合方差分析對(duì)影響混凝土抗壓強(qiáng)度的主要因素進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[6-8]對(duì)再生混凝土力學(xué)性能進(jìn)行了相差的研究，并探討了今后再生混凝土力學(xué)性能的研究方向。文獻(xiàn)[9-10]研究了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的再生混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)中的應(yīng)用。

作為評(píng)價(jià)再生混凝土主要性能指標(biāo)之一——抗壓強(qiáng)度，它與再生骨料的摻入率、水灰比及齡期等影響因素有關(guān)。況且混凝土的抗壓強(qiáng)度屬于破壞性、不可重復(fù)的試驗(yàn)，每個(gè)強(qiáng)度的測(cè)試至少需要相同的試樣3塊，這樣費(fèi)力又耗時(shí)，若能建立一個(gè)混凝土抗壓強(qiáng)度虛擬仿真試驗(yàn)，同時(shí)建立一個(gè)穩(wěn)定可靠的預(yù)測(cè)模型，則可避免破壞性試驗(yàn)。若采用解析法建立一個(gè)多因素的再生混凝土抗壓強(qiáng)度方程較為困難和復(fù)雜，因此，考慮采用改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立再生混凝土抗壓強(qiáng)度模型，以期為再生混凝土的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的缺陷

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種單向傳播的多層前向網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[11]，由于篇幅所限，網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)規(guī)則不再贅述，相關(guān)知識(shí)請(qǐng)參見文獻(xiàn)[12]。雖然BP網(wǎng)絡(luò)在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，但其自身也存在一些明顯缺陷，如學(xué)習(xí)速率是固定、訓(xùn)練速度慢、容易陷入局部極小值及網(wǎng)絡(luò)隱含層確定無(wú)理論指導(dǎo)等，因此有必要在對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)。

圖1 多層前向BP網(wǎng)絡(luò)

2 改進(jìn)BP網(wǎng)絡(luò)的的訓(xùn)練和預(yù)測(cè)

為了達(dá)到較快的收斂速度及計(jì)算精度，本文反復(fù)試驗(yàn)，最終采用雙隱含層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)建立再生混凝土抗壓強(qiáng)度的計(jì)算模型。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。本文根據(jù)文獻(xiàn)[5,13-15]收集到的再生混凝土的水灰比、不同齡期、再生骨料取代率及再生混凝土的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，從中選取了38組數(shù)據(jù)作為學(xué)習(xí)樣本，另選取5組作為預(yù)測(cè)樣本以檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果。為了加快網(wǎng)絡(luò)的收斂速度，在訓(xùn)練之前將各輸入物理量化為0.2～0.8歸一化區(qū)間，預(yù)測(cè)樣本中網(wǎng)絡(luò)的抗壓強(qiáng)度反歸一化后得到預(yù)測(cè)值。歸一化后的學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)見表1。

圖2 四層BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

在改進(jìn)的BP網(wǎng)絡(luò)中，將目標(biāo)誤差為0.01，初始學(xué)習(xí)速率通過(guò)LP.Ir設(shè)置為0.15，動(dòng)量因子net.train?Param.Ir=0.9，遞增因子Ir_inr=1.05，遞減因子Ir_dec=0.7，網(wǎng)絡(luò)只學(xué)習(xí)了404次以后，學(xué)習(xí)誤差就達(dá)4.15×10-3。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程見圖3，訓(xùn)練誤差見圖4，回歸曲線見圖5，可以看出回歸系數(shù)大于0.9，訓(xùn)練效果較好，利用訓(xùn)練好的BP網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測(cè)5組再生混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果見表2。由表2可以看出，相對(duì)誤差均小于8%，進(jìn)一步說(shuō)明該模型能夠有效地進(jìn)行再生混凝土的抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)，并能滿足工程需要，該模型可以推廣應(yīng)用。

表1 BP網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)樣本

3 結(jié)論

本研究將傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了改進(jìn)，建立了雙隱含層的4層改進(jìn)的BP網(wǎng)絡(luò)，并應(yīng)用于再生粗骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)，建立了混凝土抗壓強(qiáng)度隨再生粗骨料的取代率、水灰比及齡期的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。該模型經(jīng)過(guò)訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，經(jīng)測(cè)試樣本的檢驗(yàn)，訓(xùn)練效率大大提高，且誤差較小，結(jié)合回歸擬合系數(shù)，進(jìn)一步表明該模型能夠有效的的預(yù)測(cè)再生混凝土抗壓強(qiáng)度值，能滿足工程需要，該模型可以進(jìn)行推廣應(yīng)用。

圖3 改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過(guò)程

圖5 回歸擬合結(jié)果

表2 BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)樣本