基于随机森林与HDBSCAN的声发射特征双路径框架分析钢纤维增强超高性能混凝土的弯曲断裂模式与损伤演化

《Journal of Building Engineering》：Flexural fracture modes and damage evolution in UHPC under four-point-bending: A dual-path framework integrating random forest and HDBSCAN using acoustic emission features

本文创新性地融合随机森林（RF）与层次密度聚类（HDBSCAN）算法，构建了声发射（AE）信号的双路径分类模型，实现了超高性能混凝土（UHPC）中拉伸开裂、剪切开裂和纤维拔出三种断裂模式的精准识别。通过四点半弯曲试验系统探究了钩端/平直钢纤维（0-3%含量）对UHPC力学性能的影响机制，结合小波变换等时频分析技术揭示不同断裂模式的AE波形特征（如高频能量集中表征拉伸裂纹）。该研究为UHPC材料设计优化和结构健康监测提供了智能诊断新范式。

　　

Highlight

本研究通过结合奇异谱分析-变分模态分解（SSA-VMD）去噪、连续小波变换（CWT）和快速傅里叶变换（FFT）等先进信号处理技术，从声发射信号中提取关键时频特征。利用极限梯度提升（XGBoost）和随机森林（RF）构建特征重要性评估体系，并通过相关性分析筛选核心特征，最终建立RF-HDBSCAN双路径断裂分类模型。该模型对单峰信号分类准确率达98.95%，并能精准识别多峰混合损伤，如同"声纹鉴定"般解析材料内部损伤机制。

Load–displacement variation

四点弯曲试验的荷载-位移曲线变化（图10）清晰表明，钢纤维类型和含量对UHPC弯曲性能具有显著影响。不含纤维的S0H0组表现出最低峰值荷载和近乎垂直的脆性破坏曲线，而随着平直钢纤维含量增加，试件的承载能力和延性同步提升，特别是S3H0组呈现典型的应变硬化行为。有趣的是，钩端纤维虽然能有效提升强度，但过量添加（如S0H3）会导致界面粘结过强，反而限制纤维拔出机制，引发应力集中而降低延性。

Conclusion

本研究系统揭示了钢纤维参数对UHPC断裂行为的调控机制：平直纤维通过促进纤维拔出形成有效的桥接效应，延缓裂纹扩展；而钩端纤维虽增强界面粘结但易引发应力集中。基于AE智能分类模型发现，拉伸裂纹呈现高频能量集中特征，纤维拔出具有窄带频谱和突发性能量释放，剪切裂纹则表现为低频分散特性。该双路径框架为复杂损伤模式的解码提供了新思路，有望推动UHPC结构健康监测向智能化方向发展。