RC柱受剪承载力神经网络预测模型及其可解释性

常旭, 马财龙, 肖旭峰, 鲁成凤

新疆大学学报(自然科学版中英文) ›› 2025, Vol. 42 ›› Issue (01) : 114-128. DOI: 10.13568/j.cnki.651094.651316.2023.11.04.0001

RC柱受剪承载力神经网络预测模型及其可解释性

  • 常旭, 马财龙, 肖旭峰, 鲁成凤
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摘要

针对钢筋混凝土(Reinforced Concrete, RC)柱的受剪承载力传统预测模型精度提升及已有试验数据的挖掘利用,基于机器学习方法和可解释性SHAP方法,建立人工神经网络模型对RC柱的受剪承载力进行预测.基于受剪理论,确定了纵筋配筋率ρl、纵筋屈服强度fyl、面积配箍率ρsv等9个输入特征并对其相关性进行验证.利用收集整理的441组RC柱受剪试验数据,将所建神经网络模型与5种机器学习模型、5种传统半经验半理论公式进行比较,发现所建神经网络模型具有更好的泛化性和鲁棒性,其预测结果更加精准(在训练集和测试集上的R2分别达到0.99和0.92).然后,采用SHAP方法对神经网络模型进行全局与局部可解释性分析.结果表明:截面宽度b、轴压力N、剪跨比λ、有效截面高度h0、轴心抗拉强度f_t等特征对RC柱的受剪性能具有显著影响,SHAP方法对未知样例的预测结果同样给出了具有一定可信度的分析结果.综上,此数据与机理协同驱动的神经网络模型和SHAP可解释性方法可用于RC柱受剪承载力及类似问题的预测.

关键词

结构工程 / 钢筋混凝土柱 / 受剪承载力 / 神经网络 / 可解释性 / SHAP

中图分类号

TP183 / TU375.3

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常旭, 马财龙, 肖旭峰, 鲁成凤. RC柱受剪承载力神经网络预测模型及其可解释性. 新疆大学学报(自然科学版中英文). 2025, 42(01): 114-128 https://doi.org/10.13568/j.cnki.651094.651316.2023.11.04.0001

基金

国家自然科学基金面上项目“硫酸盐-氯盐耦合作用下钢筋混凝土柱侵蚀机理与抗力退化模型”(52478215); 天山英才-青年拔尖人才项目“复杂服役环境下RC构件受剪问题及设计方法研究”(2023TSYCCX0110); 新疆维吾尔自治区优秀博士后特别资助项目“基于数据与机理协同驱动的RC节点受剪性能预测与分析方法”(10062301001)

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