基于ANFIS的RPC中鋼筋搭接性能預測

陳瀟， 方志， 陳佳醒

(湖南大學 土木工程學院, 湖南 長沙 410082)

1 前言

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，簡稱RPC)系基于最大密實度原理配制的一種超高性能混凝土，通過提高其組分的細度與活性、減少內部缺陷，以獲得由其組分材料所決定的最大承載力及優異的耐久性。與普通混凝土相比，RPC具有超高的抗壓強度和較高的抗拉強度、良好的韌性、優異的耐久性、熱養護后基本無收縮且徐變大幅降低等特征，RPC也由此被歸于超高性能混凝土范疇并被視為新一代水泥基材料，在土木工程中具有良好的應用前景。有關RPC材料的國家標準GB/T 31387-2015《活性粉末混凝土》已頒布實施，但目前中國國內尚無相應結構設計方面的國家規范。

配筋混凝土結構中鋼筋的連接接長不可避免，一般有搭接、焊接和機械連接等連接方式，且以搭接連接最為簡便。搭接連接通過搭接區域的混凝土來實現鋼筋之間的應力傳遞。目前對于普通混凝土中鋼筋搭接連接性能的研究較為充分。徐有鄰等通過32個鋼筋搭接對拉試驗和8個鋼筋搭接梁受彎試驗，研究了搭接傳力性能及其影響因素，提出了搭接強度和鋼筋搭接長度計算公式，并被現行的GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》所采用；趙培完成了123個約束漿錨搭接連接試件的對拉試驗，獲得了螺旋箍筋配箍率對鋼筋搭接長度的影響規律；Mehmet Karatas等通過不同硅灰含量自密實混凝土梁和普通混凝土梁的受彎試驗，研究了硅灰含量對搭接性能的影響。

國內外對RPC中鋼筋搭接連接性能的研究尚才開始。Lee基于10個采用搭接鋼筋配筋的超高強度混凝土梁的受彎試驗，研究了不同搭接長度對搭接性能的影響，結果顯示：在鋼纖維體積摻量為2%、強度等級為130 MPa的超高強度混凝土中，130 mm搭接長度對于13 mm直徑鋼筋的搭接連接足夠可靠；Choi等完成了12個復合纖維增強超高性能混凝土中鋼筋搭接對拉試驗，結果表明：在強度等級為100 MPa的超高性能混凝土中，140 mm搭接長度可為直徑為16 mm鋼筋提供可靠的傳力搭接。

總之，目前國內外有關RPC中鋼筋搭接連接性能的研究才剛起步，RPC強度和配箍率等參數對搭接性能影響規律的研究尚未涉及，限制了RPC這種超高性能水泥基材料的工程應用。

自適應神經模糊推理系統(Adaptive Network based Fuzzy Inference System，簡稱ANFIS)，是模糊推理系統與神經網絡相結合的產物，既繼承了傳統神經網絡自適應性以及學習能力強等方面的優點，又克服了傳統神經網絡存在的局部極小值等缺陷，因而在土木工程中得到了較為廣泛的應用。

搭接應力-滑移曲線是對搭接連接性能的綜合反映。為了確定RPC中搭接鋼筋在對拉荷載下的連接性能，該文以搭接長度、RPC強度和配箍率為試驗參數，對13個RPC中鋼筋搭接連接試件進行對拉試驗，得到各試件的搭接應力-滑移曲線，并以試驗結果為樣本，建立基于ANFIS的RPC中鋼筋搭接應力-滑移曲線模型。以期通過該模型預測不同搭接長度、RPC強度和配箍率下RPC中鋼筋搭接試件的搭接應力-滑移曲線，為RPC中鋼筋搭接的有限元分析和工程設計提供依據。

2 試驗概況

2.1 試件設計

設計制作了13個RPC中的鋼筋搭接試件，試驗的主要參數為搭接長度、RPC強度和配箍率。試件RPC塊體部分的截面尺寸為150 mm×150 mm，長度即為搭接長度，分別取100、150和200 mm；RPC強度分別為100、120和150 MPa；搭接鋼筋采用強度等級為HRB400、直徑為20 mm的帶肋鋼筋；箍筋采用強度等級為HRB335、直徑分別為6、4 mm的帶肋鋼筋，對所有配箍試件，箍筋間距均保持為50 mm，搭接長度100、150和200 mm試件內的箍筋個數分別為2、3和4個，同一搭接長度試件內的配箍率分別為0、0.34%和0.75%；試件內的架立筋采用強度等級為HRB335、直徑為6 mm的帶肋鋼筋。試件尺寸及配筋構造見圖1。

圖1 試件尺寸及配筋構造(單位：mm)

試件編號及主要參數見表1。編號中L、R和S及其后的數字分別表示搭接長度、RPC強度和配箍率，如試件編號L100-R100-S34表示試件的搭接長度為100 mm、RPC強度為100 MPa、配箍率為0.34%。

表1 試件參數及主要試驗結果

注：表中L為搭接長度；fcu為RPC立方體抗壓強度；ρv為配箍率；Fu為極限荷載；τu為與Fu對應的搭接應力；τau為ANFIS模型得到的搭接強度；破壞模式中：P為鋼筋拔出破壞，B為鋼筋拉斷破壞，Y表示鋼筋屈服。

2.2 材料力學性能

所用鋼筋力學性能的測試結果如表2所示。

RPC的配合比(質量比)及實測強度見表3，其中鋼纖維體積摻量為2%，RPC的強度為邊長100 mm立方體28 d的實測抗壓強度。

2.3 加載方式與測點布置

采用單向拉伸的方法進行鋼筋搭接性能試驗，加載在專門加工制作的反力架上進行，加載設備采用500 kN穿心式液壓千斤頂。采用壓力傳感器控制荷載大小，主要測點布置如圖2所示。在兩根搭接鋼筋的加載端和自由端均布置百分表，用于測量搭接鋼筋滑移量，獲取搭接應力-滑移曲線。

表2 鋼筋力學性能

表3 RPC配合比及抗壓強度

試驗采用分級加載。極限荷載前采用力控制，每級荷載增量約為10 kN，達到極限荷載后采用位移控制，每級位移增量根據滑移發展情況取0.5～1 mm，直至加載鋼筋自由端位移超過15 mm左右為止。

3 試驗結果

定義試件受力過程中經歷的最大荷載為極限荷載，與極限荷載對應的加載鋼筋自由端滑移為極限滑移。根據試驗量測的荷載值F及搭接長度L，采用式(1)計算搭接區鋼筋表面的平均黏結應力(或稱搭接應力)。

(1)

圖2 加載裝置及測點布置

式中：F為對拉荷載；d為鋼筋直徑；L為搭接長度。

主要試驗結果見表1，RPC中鋼筋的搭接強度為15.56～21.39 MPa。

試驗中出現了搭接鋼筋拔出破壞和拉斷兩種破壞模式。

搭接長度為100、150 mm的試件均發生鋼筋拔出破壞，其搭接應力-滑移曲線如圖3所示。

圖3 鋼筋拔出破壞試件的搭接應力-滑移曲線

由圖3可知：發生鋼筋拔出破壞試件的搭接應力-滑移曲線包含上升段、下降段和殘余段。上升段表明：加載之初搭接鋼筋與RPC的膠結破壞和滑脫尚未滲透到搭接全長，相對滑移S很小，隨著荷載的增大，搭接鋼筋與RPC的膠結面被破壞，荷載由摩阻和咬合承擔，滑移增長加快，曲線呈現非線性特征；下降段表明：承載力達到峰值后，迅速減小，滑移大幅度增長；殘余段表明：滑移發展至一個橫肋間距時(直徑為20 mm的帶肋鋼筋橫肋間距為10 mm)進入殘余段，承載力由RPC與鋼筋的摩阻力維持。搭接長度為100 mm與搭接長度為150 mm試件的搭接應力-滑移曲線上升段基本一致，殘余段接近平行，形態相近。

搭接長度為200 mm的試件均發生鋼筋拉斷破壞。試件發生鋼筋拉斷破壞時搭接鋼筋自由端滑移值較小，搭接應力-滑移曲線如圖4所示，僅包含上升段。

圖4 鋼筋拉斷破壞試件的搭接應力-滑移曲線

由圖4可知：加載初期RPC與鋼筋表面的膠結力尚未破壞時，鋼筋未發生明顯滑移；隨著荷載的增大，滑移緩慢增加，直至鋼筋被拉斷。極限荷載由鋼筋的抗拉強度所決定。

4 ANFIS基本原理及結構

自適應網絡模糊推理系統，也稱為基于網絡的自適應模糊推理系統(Adaptive Network-based Fuzzy Inference System，簡稱ANFIS)。ANFIS是將神經網絡與模糊推理系統結合在一起，并基于自適應的建模方法建立起來的模糊推理系統。

ANFIS結構有5層，如圖5所示，為簡單起見，假定所考慮的模糊推理系統有兩個輸入x和y，輸出為f，用Oi,j表示第i層第j個節點的輸出值。各層的功能如下：

圖5 ANFIS結構圖

第1層為輸入層：

(2)

式中：O1,j表示第1層第j個結點的輸出；x，y為各結點的輸入；uAj、uBj分別為描述輸入量x、y的隸屬度函數。

第2層的每個結點為以Π表示的固定結點，將本層輸入信號相乘并輸出：

O2,j=wj=uAj(x)×uBj(y)，j=1,2

(3)

第3層的每個結點為以N表示的固定結點，其輸出為第j條輸入與本層所有輸入之和的比值：

(4)

第4層中的每個結點均是一個有結點函數的自適應結點：

(5)

第5層為標以∑的固定單結點，其功能在于將本層輸入求和并輸出：

(6)

5 基于ANFIS的搭接應力-滑移曲線模型

5.1 ANFIS模型的建立

通過Matlab中模糊邏輯工具箱完成RPC中鋼筋搭接應力-滑移曲線建模。考慮搭接長度、RPC強度和配箍率3個參數對RPC中鋼筋搭接應力-滑移曲線的影響。因此模型的輸入變量有4個：搭接長度、RPC強度、配箍率和滑移值。模型的訓練結構為網格分類法，輸入變量搭接長度、RPC強度、配箍率和滑移值分別賦予2、2、3、5個隸屬度函數，其類型均為雙S型，輸出搭接應力的函數類型設置為線性函數；模型的學習算法設置為混合學習算法。具體結構見圖6。

圖6 搭接應力-滑移曲線模型的ANFIS結構圖

5.2 ANFIS模型與試驗結果對比

將10個試件的試驗數據進行模型訓練，在模型訓練完成后，對其余3個試件L100-R120-S34、L100-R120-S75和L150-100-S34的搭接應力-滑移曲線進行檢驗，并與試驗結果對比，以驗證模型的適用性。模型的訓練和對比情況如表1和圖7所示。

圖7 ANFIS模型結果與試驗結果對比

由表1 及圖7可知:① RPC中鋼筋搭接應力-滑移曲線模型對不同參數下各試件的搭接強度擬合和預測效果良好。② RPC中鋼筋搭接應力-滑移曲線模型對不同參數下各試件的搭接應力-滑移曲線擬合效果良好。經檢驗，RPC中鋼筋搭接應力-滑移曲線模型對試件L100-R120-S34、L100-R120-S75和L150-R100-S34搭接應力-滑移曲線預測較準確，即該文所提出的基于ANFIS的RPC中鋼筋搭接應力-滑移曲線模型可以較好地描述RPC中鋼筋的搭接性能。

5.3 搭接性能的參數分析

利用得到的ANFIS模型對不同搭接長度、RPC強度和配箍率下RPC中鋼筋搭接試件的試驗結果進行預測，并分析各參數對搭接性能的影響。

5.3.1 搭接長度的影響

ANFIS模型預測的不同搭接長度對搭接應力-滑移曲線的影響如圖8所示。

圖8 不同搭接長度試件的搭接應力-滑移曲線

由圖8可知:試件L75-R100-S34、L125-R100-S34發生鋼筋拔出破壞，而試件L200-R100-S34發生鋼筋拉斷破壞。對于發生拔出破壞的試件，當搭接長度由75 mm增加至125 mm時，搭接強度降低3.6%。

5.3.2 RPC強度的影響

ANFIS模型預測的不同RPC強度對搭接應力-滑移曲線的影響如圖9所示。

圖9 不同RPC強度試件的搭接應力-滑移曲線

由圖9可知:與RPC強度為100 MPa的試件相比，強度為150 MPa和200 MPa試件的極限搭接強度分別提高24.1%和42.7%。

5.3.3 配箍率的影響

ANFIS模型預測的不同配箍率對搭接應力-滑移曲線的影響如圖10所示。L100-R100-S0、L100-R100-S50和L100-R100-S100分別表示配箍率為0%、0.5%和1%且搭接長度為100 mm、RPC強度為100 MPa的試件。由圖10可知:與配箍率為0的試件相比，配箍率為0.5%和1%試件的極限荷載和搭接強度分別提高5.2%和8.3%。

圖10 不同配箍率試件的搭接應力-滑移曲線

6 結論

(1) 通過對13個RPC中鋼筋搭接連接試件進行對拉試驗，結果表明：在對拉荷載下，RPC中鋼筋搭接連接分別出現鋼筋拔出和拉斷兩種破壞模式；RPC中鋼筋的搭接強度為15.56～21.39 MPa。

(2) 通過試驗所得的搭接應力-滑移曲線，建立了基于ANFIS的RPC中鋼筋搭接應力-滑移曲線模型，該模型綜合考慮了搭接長度、RPC強度和配箍率對搭接性能的影響。通過所得模型擬合和檢驗的搭接應力滑移曲線與試驗結果對比，結果表明：該文所提出的基于ANFIS的RPC中鋼筋搭接應力-滑移曲線模型可以較好地描述RPC中鋼筋的搭接性能。

(3) 利用得到的ANFIS模型對不同搭接長度、RPC強度和配箍率下RPC中鋼筋搭接試件的試驗結果進行預測，并分析各參數對搭接性能的影響。結果表明：搭接強度隨RPC強度、配箍率的增加而增加，隨搭接長度的增加而降低。

(4) 根據試驗結果和ANFIS預測模型可知，在強度等級為100 MPa、配箍率為0.34%的RPC中，直徑為20 mm帶肋鋼筋的臨界搭接長度約為10倍鋼筋直徑。