本發(fā)明涉及火災(zāi)后混凝土梁力學(xué)性能評估，具體涉及一種火災(zāi)后銹蝕混凝土梁力學(xué)性能綜合預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

1、目前，銹蝕狀態(tài)下的鋼筋混凝土簡支梁的抗彎承載力預(yù)測方法主要分為以下兩大類，試驗(yàn)研究途徑和有限元模擬途徑。

2、試驗(yàn)研究的方法通過設(shè)計(jì)銹蝕梁的抗彎試驗(yàn)，在銹蝕梁受壓的全過程分析中進(jìn)行記錄，在試驗(yàn)結(jié)束后對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以建立起銹蝕混凝土梁的抗彎承載力預(yù)測模型。然而，此種方法雖具有較高的實(shí)際驗(yàn)證價(jià)值，但其劣勢在于投入成本高昂，包括設(shè)備購置、材料準(zhǔn)備以及人工操作等費(fèi)用，且試驗(yàn)周期長，從設(shè)計(jì)、制備樣品到完成試驗(yàn)分析往往需要數(shù)周乃至數(shù)月的時(shí)間，對研究人員的專業(yè)技能和經(jīng)驗(yàn)要求較高。

3、有限元模擬方法則是利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元分析軟件(如abaqus)對銹蝕混凝土梁建立精細(xì)的有限元模型，通過非線性力學(xué)分析手段，模擬銹蝕對梁抗彎性能的影響，進(jìn)而預(yù)測其抗彎承載力。這種方法相較于試驗(yàn)方法節(jié)省了一定的人力成本，計(jì)算時(shí)間也大大縮短。在有限元模型建立的過程中，由于模型誤差的存在，有限元模型不能精準(zhǔn)的模擬實(shí)際構(gòu)件的性能。雖然有著有限元模型修正等的方法，但是這無疑加大了對有限元方法應(yīng)用的使用成本。盡管如此，有限元研究在縮短研究周期的同時(shí)，仍需承擔(dān)較高的計(jì)算成本，其計(jì)算時(shí)間通常是以小時(shí)為單位計(jì)量的。

4、目前，已有多種方法可用于預(yù)測銹蝕混凝土梁的抗彎承載力，但它們普遍存在實(shí)際應(yīng)用難度大、計(jì)算成本高、耗時(shí)長等問題，限制了其在工程實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用。相比較現(xiàn)如今銹蝕混凝土梁抗彎承載力預(yù)測的研究，對于銹蝕混凝土梁火災(zāi)后的抗彎承載力研究和承載力預(yù)測研究較少。具體來說，現(xiàn)有火災(zāi)后rc構(gòu)件力學(xué)性能預(yù)測方法存在以下不足之處：首先，資源消耗較大。例如，使用試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法預(yù)測極限承載力與荷載位移曲線時(shí)，試驗(yàn)過程耗時(shí)且繁瑣。其次，計(jì)算不夠簡便。比如，采用有限元方法時(shí)，需要有相當(dāng)?shù)膶I(yè)知識(shí)以及繁瑣的建模過程，在這個(gè)過程中費(fèi)時(shí)費(fèi)力。最后，使用場景比較局限，目前的力學(xué)性能預(yù)測還處在單一的極限承載力預(yù)測，未把荷載-位移曲線與極限承載力預(yù)測方式結(jié)合起來。而且對于銹蝕構(gòu)件在火災(zāi)后的力學(xué)性能預(yù)測研究較少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出一種火災(zāi)后銹蝕混凝土梁力學(xué)性能綜合預(yù)測方法，針對實(shí)際工程中缺少一種計(jì)算速度快、操作簡單的火災(zāi)后銹蝕混凝土梁抗彎承載力預(yù)測方法的現(xiàn)狀，開發(fā)了一種基于att-tcn-lstm網(wǎng)絡(luò)模型的新型預(yù)測方法，用于預(yù)測火災(zāi)后銹蝕混凝土梁的荷載-位移曲線和殘余極限承載力。本發(fā)明利用深度學(xué)習(xí)特征提取和遞歸圖對多維空間的非線性特征表示對火災(zāi)后受損的銹蝕rc(reinforced?concrete)構(gòu)件進(jìn)行模型修正和損傷識(shí)別，經(jīng)過多方面試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，att-tcn-lstm網(wǎng)絡(luò)模型收斂速度最快、精度最高。實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)銹蝕混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能綜合預(yù)測，節(jié)省了大量試驗(yàn)資源和時(shí)間。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

3、一種火災(zāi)后銹蝕混凝土梁力學(xué)性能綜合預(yù)測方法，所述的預(yù)測方法通過att-tcn-lstm網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)，所述的att-tcn-lstm網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建包括如下步驟：

4、步驟1、構(gòu)建數(shù)據(jù)集：利用abaqus模型分別建立銹蝕混凝土梁的溫度場模型、熱-動(dòng)力耦合的模型、熱-靜力耦合的模型、模態(tài)計(jì)算模型，利用這些模型建立起殘余極限承載力和荷載-位移曲線的abaqus數(shù)據(jù)集；

5、步驟2、構(gòu)建tcn-lstm融合網(wǎng)絡(luò)模型；

6、步驟3、承載力預(yù)測網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練，基于通道注意力技術(shù)和tcn-lstm融合網(wǎng)絡(luò)模型，獲得att-tcn-lstm網(wǎng)絡(luò)模型；

7、步驟4、分別通過tcn和att-tcn-lstm使用abaqus數(shù)據(jù)集進(jìn)行殘余承載力預(yù)測，驗(yàn)證att-tcn-lstm網(wǎng)絡(luò)模型的有效性；

8、步驟5、分別通過tcn、lstm、gru和att-tcn-lstm使用abaqus數(shù)據(jù)集進(jìn)行荷載-位移曲線預(yù)測，驗(yàn)證att-tcn-lstm網(wǎng)絡(luò)模型的有效性；

9、步驟6、對att-tcn-lstm網(wǎng)絡(luò)模型的有效性進(jìn)行綜合驗(yàn)證。

10、優(yōu)選的，所述的步驟1中：所述的abaqus數(shù)據(jù)集由經(jīng)過模型修正后的abaqus模型生成，通過使用abaqus腳本批量建立火災(zāi)后銹蝕混凝土梁的數(shù)值模型，開展批量化的火災(zāi)后銹蝕混凝土梁靜力數(shù)值模擬，并計(jì)算提取其荷載-位移曲線。

11、優(yōu)選的，所述的步驟1中，為了構(gòu)造足夠數(shù)量的樣本，將銹蝕率與構(gòu)件的受火時(shí)間變量特征進(jìn)行組合，遵循工程實(shí)際與現(xiàn)有文獻(xiàn)研究結(jié)果，銹蝕率選擇按照0、0.05、0.10、0.15、0.20的5個(gè)梯度間隔進(jìn)行構(gòu)建，以體現(xiàn)不同程度的銹蝕對混凝土梁截面強(qiáng)度和剛度的削減效應(yīng)；在受火時(shí)間的選擇上，選取受火時(shí)間按照0min、60min、90min和120min的選擇設(shè)置4個(gè)代表性的火災(zāi)持續(xù)時(shí)間；同時(shí)為了擴(kuò)充數(shù)據(jù)集，在保證以上參數(shù)的同時(shí)改變混凝土梁的混凝土密度，將其按照不同的混凝土密度進(jìn)行分組，對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，得到最終abaqus數(shù)據(jù)集以完成火災(zāi)后銹蝕試件的荷載-位移曲線訓(xùn)練。

12、優(yōu)選的，所述的步驟1中，基于abaqus數(shù)據(jù)集，遵循正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，批量建立共計(jì)480組受火后銹蝕混凝土梁的動(dòng)力學(xué)分析模型，設(shè)定采樣頻率為100hz，采集5秒時(shí)長的白噪聲激勵(lì)數(shù)據(jù)，在完成動(dòng)力學(xué)計(jì)算后，提取加速度信號(hào)，并將所得的動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型轉(zhuǎn)化為與之參數(shù)匹配的靜力學(xué)計(jì)算模型，進(jìn)而確定銹蝕混凝土梁的殘余承載力與荷載-位移曲線。

13、優(yōu)選的，所述的步驟2中，分別將tcn和lstm視為兩個(gè)子模型，通過融合策略，整合二者輸出以產(chǎn)生最終預(yù)測結(jié)果。

14、優(yōu)選的，所述的步驟3中，利用得到的abaqus數(shù)據(jù)集輸入att-tcn-lstm網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，將得到的abaqus數(shù)據(jù)集按照80％訓(xùn)練集，20％測試集的大小進(jìn)行劃分，在訓(xùn)練過程中，繼續(xù)使用adam作為網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化算法，設(shè)置每個(gè)每個(gè)批量的大小為8，共設(shè)置100個(gè)訓(xùn)練輪次；為了驗(yàn)證改進(jìn)算法在火災(zāi)后銹蝕混凝土梁荷載-位移曲線預(yù)測上的有效性，同時(shí)選取的gru網(wǎng)絡(luò)、lstm網(wǎng)絡(luò)和tcn網(wǎng)絡(luò)共同訓(xùn)練作為對比；這4種算法的初始學(xué)習(xí)率均定為0.01；

15、為了評估深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型在荷載-位移曲線的預(yù)測任務(wù)中的表現(xiàn)，選取多個(gè)評價(jià)指標(biāo)，包括均方誤差mse、均方根誤差rmse、平均絕對誤差mae以及決定系數(shù)，計(jì)算公式分別如下：

16、

17、優(yōu)選的，所述的步驟4中，將銹蝕混凝土梁實(shí)際火災(zāi)試驗(yàn)得到的加速度信號(hào)作為網(wǎng)絡(luò)模型的輸入，利用步驟3中訓(xùn)練好的att-tcn-lstm網(wǎng)絡(luò)模型及未經(jīng)過改進(jìn)的tcn網(wǎng)絡(luò)模型輸出承載力折減系數(shù)，進(jìn)而驗(yàn)證att-tcn-lstm網(wǎng)絡(luò)模型的有效性。

18、優(yōu)選的，所述的步驟6中，取梁的實(shí)測值荷載-位移曲線與經(jīng)過模型修正后的abaqus模型的荷載-位移曲線、att-tcn-lstm網(wǎng)絡(luò)模型的荷載-位移曲線進(jìn)行對比，對att-tcn-lstm網(wǎng)絡(luò)模型的有效性進(jìn)行綜合驗(yàn)證。

19、本發(fā)明一種火災(zāi)后銹蝕混凝土梁力學(xué)性能綜合預(yù)測方法的有益效果為：

20、1、本發(fā)明基于深度學(xué)習(xí)中的tcn和lstm建立了一種可以同時(shí)預(yù)測結(jié)構(gòu)承載力和荷載-位移曲線的att-tcn-lstm網(wǎng)絡(luò)模型；利用這種網(wǎng)絡(luò)模型，將火災(zāi)后銹蝕混凝土梁的極限承載力預(yù)測與荷載-位移曲線預(yù)測結(jié)合起來，可得到更為精準(zhǔn)可靠的荷載-位移曲線。

21、2、att-tcn-lstm網(wǎng)絡(luò)模型基于tcn、lstm網(wǎng)絡(luò)及通道注意力技術(shù)，提出了一種新型的極限承載力與荷載-位移曲線預(yù)測方法，可以簡便精準(zhǔn)的預(yù)測出火災(zāi)及銹蝕構(gòu)件在火災(zāi)后的綜合力學(xué)性能。

22、3、在實(shí)際使用中，基于火災(zāi)后構(gòu)件的受火時(shí)間，鋼筋配比以及構(gòu)件尺寸數(shù)據(jù)，使用本發(fā)明的att-tcn-lstm網(wǎng)絡(luò)模型可精確得出火災(zāi)后構(gòu)件的殘余力學(xué)性能，為合理評估火災(zāi)后構(gòu)件的承載能力提供了精確、簡便的新方法。

23、說明書附圖

24、圖1為數(shù)值模擬荷載-位移曲線。

25、圖2為tcn網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

26、圖3為lstm網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

27、圖4為預(yù)測精度雷達(dá)圖。

28、圖5為模型的訓(xùn)練損失及驗(yàn)證損失。

29、圖6為時(shí)域預(yù)測結(jié)果。

30、圖7為預(yù)測值與試驗(yàn)值(實(shí)測值)對比圖。

31、圖8為有限元模型對比圖。