基于神经网络的矩形钢管混凝土柱承载性能研究

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近年来,国内外研究人员对矩形钢管混凝土柱的力学性能及变形性能进行了大量的研究,但是他们选用的方法大多为试验研究、解析方法以及数值分析方法,这些方法都存在一定的局限性。而神经网络算法是一种高效求解非线性问题的方法,通过创建神经网络模型对矩形钢管混凝土柱力学性能进行研究,为推进矩形钢管混凝土构件的进一步研究和应用做出贡献。本文介绍了矩形钢管混凝土柱承载力的几种计算理论及方法,并指出它们存在的缺陷及局限性;对矩形钢管混凝土柱有限元分析方法进行了简单的阐述;提出寻找一种高效统一的承载力计算方法的必要性,并将神经网络方法运用在矩形钢管混凝土柱承载力的计算中。基于ANSYS有限元软件分别对矩形钢管混凝土柱轴心受压和偏压构件进行了考虑几何非线性、材料非线性以及接触非线性的有限元模拟分析,得到了矩形钢管混凝土柱的应力分布规律、力学性能以及变形性能。结果表明,轴压矩形钢管混凝土柱大多发生由材料强度破坏而引起的局部屈曲破坏,包括腰鼓形破坏和剪切型破坏,且随着长宽比的增大,剪切破坏越来越明显;最终破坏时,矩形钢管混凝土柱的某一截面均出现鼓曲,形成一个连续的横向屈曲环,环向屈曲和水平面之间的夹角大约在0-45度之间;当构件的长细比较大时,构件会发生整体弯曲失稳破坏。偏心受压矩形钢管混凝土柱的破坏形态均是由材料强度破坏引起的局部屈曲破坏,最终破坏时,在矩形钢管混凝土柱的某一截面附近,受压的短边和相邻的两个长边上发生钢管外凸变形。利用MATLAB编程建立神经网络模型,分别对矩形钢管混凝土柱的轴压和偏压承载力进行计算。结果表明,神经网络计算值较公式计算值更接近试验实测值。本文建立矩形钢管混凝土柱轴心受压承载力BP神经网络模型的适用范围是:截面长度60.2~300mm,长宽比1.0~2.02,宽厚比7.5~90.57,长细比2.31~103.92,钢材屈服强度190~550MPa,混凝土抗压强度12.53~79.85MPa;建立的矩形钢管混凝土柱偏心受压承载力BP神经网络模型的适用范围是:截面长度76.2~300mm,长宽比1.0~2.0,宽厚比7.45~73.58,长细比9.01~92.66,钢材屈服强度194~495MPa,混凝土抗压强度18.6~89.4MPa,偏心率0.1067~1.9580。
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