疲劳载荷下钢管混凝土强度预测模型仿真分析.pdf

第3 4 卷第3 期计算机仿真 2 0 1 7 年3 月 文章编号：1 0 0 6 9 3 4 8 ( 2 0 1 7 ) 0 3 0 3 6 1 0 4 疲劳载荷下钢管混凝土强度预测模型仿真分析 郝翔刘英达 ( 内蒙古科技大学建筑与土木工程学院，内蒙古包头0 1 4 0 1 0 ) 摘要：对疲劳载荷下钢管混凝土强度进行准确预测，可提高建筑用混凝土结构的安全性，改善建筑的质量。进行凝土强度预 测时，应对钢管混凝土的位移延性进行准确分析，计算钢管混凝土最大载荷强度，采集疲劳载荷下钢管混凝土最强度预测样 本进行训练完成预测，而传统方法通过获取钢管混凝土强度荷载一应变曲线，通过建立钢管超高强混凝土本构关系进行强度 预测不能计算位移延性和最大载荷强度，降低了预测的精度。提出一种改进延性破坏准则的疲劳载荷下钢管混凝土强度 预测建模方法。上述方法先建立钢管混凝土圆柱的低周疲劳寿命拟合曲线模型，计算出钢管混凝土的位移延性，得出钢管 混凝土最大载荷强度。采集疲劳载荷下钢管混凝土最强度预测样本，并组建B P 网络模型组建钢管混凝土轴心受压强度承载 力预测模型。仿真结果证明，强度计算值和本构关系预测结果与实测值吻合良好。 关键词：疲劳载荷；钢管混凝土；强度预测 中图分类号：T U 5 2 8 5 9文献标识码：B S t r e n g t ho fC o n c r e t eF i l l e dS t e e lT u b eu n d e rF a t i g u e L o a dP r e d i c t i o nM o d e lS i m u l a t i o nA n a l y s i s H A OX i a n g ，L I UY i n g - d a ( I n n e rM o n g o l i aU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，A r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n 西n e e r i n gI n s t i t u t e ， B a o t o uI n n e rM o n g o l i a0 1 4 0 1 0 ，C h i n a ) A B S T R A C T ：I tc a ne n h a n c eb u i l d i n gc o n c r e t es t r u c t u r a ls a f e t ya n di m p r o v eb u i l d i n gq u a l i t yt oa c c u r a t e l yp r e d i c t c o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b e ( C F S T ) s t r e n g t hu n d e rf a t i g u el o a d I tn e e d st oa n a l y z eC F S Td i s p l a c e m e n td u c t i l i t ye x a c t l y a n dc a l c u l a t eC F S Tm a x i m u ml o a ds t r e n g t hd u r i n gp r e d i c t i n gc o n c r e t es t r e n g t h T r a d i t i o n a lm e t h o dp r e d i c t ss t r e n g t h v i ao b t a i n i n gC F S Ts t r e n g t hl o a d - s t r a i nc u r v ea n db u i l d i n gs t e e lt u b eu l t r a h i g hs t r e n g t hc o n c r e t ec o n s t i t u t i v er e l a t i o n ， i tc a n n o tc a l c u l a t ed i s p l a c e m e n td u c t i l i t ya n dm a x i m u ml o a ds t r e n g t ha n dr e d u c e sp r e d i c t i o na c c u r a c y T h i sp a p e r p r o p o s e sam o d e l i n gm e t h o do fC F S Ts t r e n g t hp r e d i c t i o nu n d e rm o d i f i e dd u c t i l i t yf a i l u r ec r i t e r i o nf a t i g u el o a d F i r s t l y ， t h eC F S Tc o l u m n a rl o wc y c l ef a t i g u el i f ef i t t e dC U l W em o d e li sb u i l t T h e nt h eC F S Td i s p l a c e m e n td u c t i l i t yi sc a l e u l a t e d ，a n di t sm a x i m u ml o a ds t r e n g t hi so b t a i n e d F i n a l l y ，t h eC F S Tm a x i m u mp r e d i c t i o ns a m p l ei sc o l l e c t e d ，a n dB P n e t w o r ki su s e dt ob u i l da x i a lc o m p r e s s i o ns t r e n g t hb e a r i n gc a p a c i t yp r e d i c t i o nm o d e l S i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t p r e d i c t i o nr e s u l to fs t r e n g t hc a l c u l a t i o na n dc o n s t i t u t i v er e l a t i o ni si d e n t i c a lw i t hm e a s u r e dv a l u e K E Y W O R D S ：F a t i g u el o a d ；C o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b e ；S t r e n g t hp r e d i c t i o n 1 引言 目前，钢管混凝土结构的低周疲劳破坏受位移延性影响 显著但是在对钢管混凝土强度结构和构件的疲劳破坏进行 分析时，无法计算出精确地位移延性指数，容易产生无法反 映出钢管混凝在不同位移延性水平下的疲劳寿命的问 题 1 q 】。在这种情况下，如何可以有效地组建疲劳载荷下钢 管混凝土强度预测模型成为了该领域亟待解决的主要问 题【4 。6 。而疲劳载荷下钢管混凝土强度预测建模方法可以在 收稿日期：2 0 1 6 0 5 2 8 修回日期：2 0 1 6 0 6 一0 1 钢管混凝土轴心受压短柱强度承载力试验的基础上对疲劳 载荷下钢管混凝土强度进行预测是解决上述问题的根本途 径，引起了很多专家与学者的重视。疲劳载荷下钢管混凝土 强度预测建模在建筑领域中具有非常重要的应用价值，受到 了相关领域专家的普遍关注，同时也取得了一定的进展。 文献 8 提出一种最b - - 乘支持矢量回归机的疲劳载荷 下钢管混凝土强度预测建模方法。该方法先采用蚁群算法 对最小二乘支持矢量回归机的模型参数进行训练获取的最 佳参数组合，构建疲劳载荷下钢管混凝土强度非线性模型。 该方法建模效率较高。但是存在没有考虑到由基体混凝土水 灰比所引起的再生混凝土徐变性能的差异的问题。文献f 9 一3 6 】一 万方数据 重点采用了基于经验模态分解的疲劳载荷下钢管混凝土强 度预测建模方法。该方法利用经验模态分解提取疲劳载荷 下钢管混凝土强度预测特征。利用该特征组建经验模态分解 提取疲劳载荷下钢管混凝土强度预测模型。该方法较为简 单，但是存在鲁棒性较差的问题。文献 1 0 提出基于神经网 络的疲劳载荷下钢管混凝土强度预测建模方法。该方法先 结合历史疲劳载荷下钢管混凝土强度数据和钢管混凝土强 度最大负荷等各项因素，在此基础上，组建神经网络预测模 型，并对训练好的模型进测试和评估该方法进行疲劳载荷 下钢管混凝土强度预测的准确度较高但是时间复杂度也较 高，难以大规模的应用，具有一定的局限性。 为了克服传统方法存在的问题，本文提出一种基于延性 破坏准则的疲劳载荷下钢管混凝土强度预测建模方法。仿真 结果证明强度计算值和本构关系预测结果与实测值吻合良 好。 2 钢管混凝土强度预测原理 在对疲劳载荷下钢管混凝土强度预测建模的过程中，先 计算出钢管和混凝土强度的套箍指标描述钢管混凝土强度 荷载一应变曲线，得到钢管超高强混凝土的本构关系，在此基 础上组建疲劳载荷下钢管混凝土强度预测模型，具体的步骤 如下详述： 假设，由妒代表混凝土轴心受压，则利用式( 1 ) 计算出 钢管和混凝土强度的套箍指标 m ，：生生坚三盟 ( 1 ) 2 r ( t ) 矿 式中，e 。JtI 代表再生混凝土徐变特性影响，e o w ( t ) 代表混凝 土轴压构件，r ( t ) 代表低强度基体混凝土配制。 利用式( 2 ) 描述钢管混凝土强度荷载一应变曲线 磊o e , a c = ( 洲t ) 警) 刑( 2 ) 式中，k 。代表基体混凝土的水灰比，代表再生混凝土的 水灰比，酬代表基体混凝土水灰比的影响，C 删代表基体混 凝土水灰比。 假设，由D 。代表普通混凝土中粗细骨料表观密度的加 权平均值，气( ，t 。) 代表再生混凝土和普通混凝土中骨料的 吸水量，则利用式( 3 ) 组建疲劳载荷下钢管混凝土强度预测 模型 岫【掣】篆 式中。代表荷载变化范围，D 代表核心混凝土强度，C 代表 校核加载过程。 但是传统方法不能计算位移延性和最大载荷强度，降低 了预测的精度。提出一种基于改进基于延性破坏准则的疲 劳载荷下钢管混凝土强度预测建模方法。 - - - - 3 6 2 - - - - 3 基于延性破坏准则的混凝土强度预测模型 3 1 低周疲劳寿命拟合曲线模型的组建 在建立疲劳载荷下钢管混凝土强度预测优化模型的过 程中，建立钢管混凝土圆柱的低周疲劳寿命拟合曲线模型， 具体的步骤如下详述： 假设，由u 代表位移延性参数，则利用式( 4 ) 组建钢筋混 凝土柱低周疲劳寿命曲线模型 帆= C N u i N ? i C ( 4 ) 式中，、，代表构件的疲劳寿命，代表构件在位移比u 水平上 作对称循环的疲劳寿命，届代表与构件类型有关的常数由低 周疲劳试验确定。 利用式( 5 ) 获取等效位移延性 、 N B NP u P ft u 2 矿 7 式中，u 代表考虑低周疲劳破坏特性的等效层间延性，丙代 表等效滞回循环次数，u ，代表相对应的循环次数。 因为p 通常可取1 4 ，则利用式( 6 ) 将上式改写为 “= ( 4 N ) 一口M ( 6 ) 式中，k 代表等效系数，口取0 1 5 2 。 图1 为钢管混凝土圆柱的屈服曲率与位移示意图，其 中，。代表钢管混凝土柱的加载位移幅值，。代表钢管混凝 土柱的塑性位移，f 。代表钢管混凝土柱的塑性铰长度，西。代 表钢管混凝柱的极限曲率日代表反弯点到柱端截面的距 离，多，代表钢管混凝土圆柱的屈服弯矩对应的曲率，西，与混 凝土立方体抗压强度L 和轴压比7 , 有关。 也 月 ( a ) 曲率分布 ( b ) 变形曲线 图l钢管混凝土屈服曲率与位移示意图 一 万方数据 3 2 钢管混凝土的位移延性计算 假设，由Z 。代表混凝土立方体抗压强度，n 代表轴压比 则利用式( 7 ) 获取钢管混凝土圆柱的屈服弯矩对应的曲率 卟釉，吐 ( 7 ) 上式中，A 。和A 。代表钢管混凝土圆柱截面中钢管面积 和混凝土面积。利用式( 8 ) 计算出钢管混凝土圆柱的屈服 位移 ，= 了1 西，n 2 ( 8 ) 利用式( 9 ) 计算出u 代表的钢管混凝土的位移延性 u = 糕龇 ( 9 ) u2 蕊凶 cp7 假设。由代表钢管混凝土的低周疲劳寿命，利用式 ( 1 0 ) 以对数形式表述为 l g ( N ) = a l g ( M ) + b ( 1 0 ) 式中，b 均为常数。 假设，由r 2 代表绝对系数，r 2 的值越接近，其曲线拟合效 果越好，则利用式 1 1 ) 计算r 2 ，：丛兰! ! 旦! 鱼生J s ( 1 1 ) r = ：一J ) ， 八t ) 式中以z i ) 代表低周疲劳寿命预测值，Y i 、多代表各试件低周 疲劳寿命试验值和实测平均值。 则利用式( 1 2 ) 计算出钢管混凝土最大载荷强度 f 。：掣竽t 工。 ( 1 2 ) 综上所示可以说明，在对疲劳载荷下钢管混凝土强度预 测建模过程建立钢管混凝土圆柱的低周疲劳寿命拟合曲线 模型，得到钢管混凝土最大载荷强度，为实现对疲劳载荷下 钢管混凝土强度预测提供了依据。 3 3 疲劳载荷下钢管混凝土强度预测模型的组建 在对疲劳载荷下钢管混凝土强度预测建模过程。以3 2 节获取的疲劳载荷下钢管混凝土强度最大载荷为依据在钢 管混凝土轴心受压强度承载力试验的基础上，组建B 尸网络 模型对钢管混凝土轴心受压强度承载力进行了预测。 假设由x 和y 代表B 尸网络学习用的一组疲劳载荷下钢 管混凝土强度预测样本输入矢量和期望输出量利用3 2 节 获取的f 。为依据，利用式( 1 3 ) 计算网络节点实际输出 q = Z ( n e t i ) f l ( o i W F q ) f 1 ( 1 3 ) 式e oZ 代表输入的权值，( w t ，) 代表钢管混凝土强度阈值，o 。 代表多种因素对对钢管混凝土承载力的影响，们i 对未训练钢 管混凝土强度预测样本，O i 代表幅度随套箍指标。 利用式( 1 4 ) 计算神经网络的输出误差 肘= Nii l 荟K 半1 a q = l “ ( 1 4 ) 式中，p f i 代表输入、输出变量，K 代表神经元的启动函数，代 表迭代次数。 利用式( 1 5 ) 和式( 1 6 ) 反向逐层计算网络输出层、隐层 的各节点间偏差 职：塑2 善L 盟 ( 1 5 ) i U i 形= O r ( 1 0 I ) W m w F 形 ( 1 6 ) 式中，形。代表疲劳载荷下钢管混凝土强度观测样本集。 利用式( 1 7 ) 和式( 1 8 ) 修正神经网络权值和节点阈值 训F ( t + 1 ) = z q + 弛t c F ( ) ( 1 7 ) a O j ( t + 1 ) = Z W o o j + 丁：仉( t ) ( 1 8 ) 式中，z 代表非线性启动函数，p ，( t ) 代表反向修改阈值， A w 。( t ) 代表反向修改阈值，r 代表B P 神经网络输入节点。 利用式( 1 9 ) 组建B P 网络模型对钢管混凝土轴心受压强 度承载力预测模型利用该模型完成对钢管混凝土轴心受压 强度承载力预测 硝：坐! 尘! ! ：垒业! !( 1 9 ) 町 以上方法可以有效的说明。疲劳载荷下钢管混凝土强度 预测建模原理，有效地建立了疲劳载荷下钢管混凝土强度预 测模型。 4仿真结果与分析 为了证明提出的基于改进基于延性破坏准则的疲劳载 荷下钢管混凝土强度预测建模方法有效性需要进行一次实 验。将混凝土强度和黏结长度定义为变化参数，设计了3 个 钢管高强混凝土柱试件，试件主要设计参数见表1 表1 试件主要设计参数 在表1 中，L 代表试件长度，d 代表钢管外径，t 代表钢管 厚度，L 。代表黏结长度。 4 1 钢管混凝土低周疲劳寿命拟合曲线的计算 分别利用本文组建的预测模型和文献8 建立的预测模 型计算钢管超高强混凝土试件最大荷载，将实际的钢管超高 强混凝土试件最大荷载和2 种模型的计算结果相比较比较 结果见图2 。 分析图2 可知，利用本文算法建立的预测模型计算钢管 超高强混凝土试件最大荷载和实际的钢管超高强混凝土试 件最大荷载较为吻合。说明本文方法预测最大载荷的精度较 高。 4 2 钢管混凝土强度预测结果有效性对比 分别利用本文组建的预测模型和文献 8 建立的预测模 型进行疲劳载荷下钢管混凝土强度预测将实际测量的疲劳 载荷下钢管混凝土强度数值和2 种模型预测强度结果相比 3 6 3 万方数据 童 柱 辑 应变 图2不同模型计算的最大载荷精确度对比 较比较结果见图3 蒜 群 屡 魁 慧 辐 避 应变， 图3 不同算法进行疲劳载荷下钢管混凝土 强度预测的结果对比 分析图3 可知，利用本文模型进行疲劳载荷下钢管混凝 土强度预测的数据和实际测量的疲劳载荷下钢管混凝土强 度数据较为吻合。说明本文可以保证疲劳载荷下钢管混凝土 强度预测的数据有效性。 4 3 不同算法下钢管混凝土强度预测稳定性对比 分别利用本文组建的预测模型和文献 8 建立的预测模 型进行疲劳载荷下钢管混凝土强度预测，比较2 种不同模型 对钢管混凝土轴心受压强度承载力预测稳定性，对比结果见 图4 。 分析图4 可知，利用本文模型进行疲劳载荷下钢管混凝 土强度预测的稳定性远高于文献 8 模型进行疲劳载荷下钢 管混凝土强度预测的稳定性，说明本文方法进行疲劳载荷下 钢管混凝土强度预测结果稳定可靠。 仿真结果表明，强度计算值和本构关系预测结果与实测 值吻合良好。 一3 6 4 一 更 丑 靛 掣 删 嚣 P 一改进方法 2345 相对应变 图4 不同算法模型预测稳定性对比 5 结束语 针对传统方法进行疲劳载荷下钢管混凝土强度预测的 缺陷，提出一种基于改进基于延性破坏准则的疲劳载荷下钢 管混凝土强度预测建模方法。仿真结果证明，强度计算值和 本构关系预测结果与实测值吻合良好。 参考文献： 1 刘晓，等低周反复载荷下型钢钢管混凝土柱力学性能 J 沈阳大学学报：自然科学版，2 0 1 5 ，2 7 ( 6 ) ：4 7 7 4 8 2 2 戴永红多工况载荷下钢管混凝土格构柱受力性能实测分析 J 安徽建筑，2 0 1 4 ，2 1 ( 6 ) ：1 2 7 1 2 9 3 邓继华，周福霖，谭平圆钢管混凝土拱空间极限荷载计算方 法研究 J 建筑结构学报，2 0 1 4 ，3 5 ( 1 1 ) ：2 8 3 5 4 林荣伟，等随机载荷下F R P 加固R c 梁疲劳寿命预测的实验 研究 J 工程质量，2 0 1 4 ，3 2 ( 7 ) ：3 2 3 5 5 张杰，等拉一拉循环载荷下4 4 3 铁素体不锈钢产热规律及疲 劳性能预测 J 材料工程，2 0 1 5 ，4 3 ( 2 ) ：7 9 8 4 6 章彦，等竖向均布荷载作用下四肢钢管混凝土格构柱力学性 能数值分析 J 钢结构，2 0 1 5 ，2 5 ( 1 0 ) ：3 8 4 3 7 杨涛，代攀运营多年钢管混凝土拱桥荷载试验分析 J 山 西建筑，2 0 1 5 ，4 1 6 ) ：1 5 9 1 6 0 8 王景玄，王文达，石晓飞基于备用荷载路径法的钢管混凝土 框架抗连续倒塌机制非线性动力分析 J 建筑结构学报， 2 0 1 5 ，3 6 ( S I ) ：1 4 2 0 9 贾璐，宋烨，戴焕云高速动车组轴箱体强度分析 J 计算机 仿真，2 0 1 5 ，3 2 ( 8 ) ：1 8 5 1 8 9 1 0 崔东辉，张晓丽，谢华，梁大开结构健康监测中铝合金板的低 速冲击仿真分析 J 科技通报，2 0 1 6 ，3 ( 3 2 ) ：1 8 0 - 1 8 4 博 作者简介 郝翔( 1 9 9 1 一) ，男( 汉族) ，山西太原人，在读硕士 研究生，主要研究方向：结构工程； 刘英达( 1 9 7 5 一) ，男( 汉族) ，内蒙古包头人，硕士研 究生导师，讲师，主要研究方向：结构工程。 万方数据