剛構(gòu)橋梁的優(yōu)化理論研究

剛構(gòu)橋梁具有造價較低、施工方便和對地形、地質(zhì)條件適應(yīng)性好等優(yōu)點，因此在大跨徑橋梁中具有非常好的競爭力。由于設(shè)計人員缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化依靠人們積累起來的經(jīng)驗，帶有很強(qiáng)的主觀性和盲目性，且工作量大，費時費力，又無法保證方案的正確性。所以在大跨徑PC連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計中，對主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究是必要的。我國正出于公路建設(shè)的大發(fā)展階段，剛構(gòu)橋梁的應(yīng)用非常廣泛。本研究成果的應(yīng)用有廣闊的市場前景，對降低橋梁造價、確保橋梁安全有直接的作用。研究內(nèi)容主要將包含兩方面：1.設(shè)計參數(shù)的敏感性研究。2.環(huán)境參數(shù)的不敏感性研究，即魯棒性。 對于連續(xù)剛構(gòu)橋梁的優(yōu)化目標(biāo)，提出在靜力作用下時以截面應(yīng)力分布均勻且應(yīng)力最小以及造價最低為優(yōu)化目標(biāo)。根據(jù)不同設(shè)計參數(shù)對連續(xù)剛構(gòu)橋梁的受力影響，確定了在優(yōu)化時的優(yōu)化變量與優(yōu)化常量。研究墩高比對橋梁的受力影響，計算得出墩高比的變化對連續(xù)剛構(gòu)橋梁的上部受力影響較小，而對橋墩的自身受力影響較大的結(jié)論。邊中跨比對邊跨根部彎矩與中跨撓度影響較大，對中跨根部彎矩與中跨跨中彎矩影響較小。研究在不同邊中跨比下主梁應(yīng)力和撓度變化，用優(yōu)化軟件lingo 擬合邊中跨比的變化曲線，得出采用較小的邊中跨比可以得到較好的主梁強(qiáng)度和撓度的結(jié)論。 在考慮混凝土彈性模量與設(shè)計值存在差異的前提下，運用魯棒優(yōu)化設(shè)計方法研究在混凝土彈性模量值波動對連續(xù)剛構(gòu)橋跨中撓度的影響，從而得出跨中撓度敏感性最小的彈性模量波動范圍。結(jié)合該橋梁工程混凝土實驗報告，分析不同配合比對混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量以及收縮徐變的影響。最終依據(jù)混凝土材料試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行魯棒分析，計算出主梁懸臂施工時混凝土彈性模量取值的合理區(qū)間，進(jìn)而得到恰當(dāng)?shù)膹埨刂讫g期范圍。

剛構(gòu)橋梁具有造價較低、施工方便和對地形、地質(zhì)條件適應(yīng)性好等優(yōu)點，因此在大跨徑橋梁中具有非常好的競爭力。剛構(gòu)橋梁的設(shè)計參數(shù)非常多而且其中一些是相互耦合的，環(huán)境參數(shù)同時存在概率不確定性量和非概率不確定性量，其優(yōu)化又屬于有約束的多維非線性優(yōu)化問題，因此研究難度較大。本研究擬建立的優(yōu)化理論的優(yōu)化目標(biāo)為：考慮橋梁的魯棒性需求，使結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性達(dá)到綜合最優(yōu)。研究內(nèi)容主要將包含兩方面：1.設(shè)計參數(shù)的敏感性研究。將引入基于遺傳算法（GA）和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)的理論來對計算和實測樣本進(jìn)行智能分析。研究時將同時考慮成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)下兩種不同的結(jié)構(gòu)體系。2.環(huán)境參數(shù)的不敏感性研究，即魯棒性。將引入模糊數(shù)學(xué)相關(guān)理論，考慮結(jié)構(gòu)在施工、使用時產(chǎn)生的一些不確定因素產(chǎn)生的影響。通過魯棒性研究，使橋梁能夠適應(yīng)各種不確定性環(huán)境，按設(shè)計預(yù)期正常工作。本項目的研究成果將對指導(dǎo)工程實踐有較高的參考價值。

斜腿剛構(gòu)橋分類

從結(jié)構(gòu)分析方法來說，有靜力優(yōu)化和動力優(yōu)化。靜力優(yōu)化是在靜力荷載作 用下對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，建立重量、剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定等方面的目標(biāo)函數(shù)或約束條件，采用合適的優(yōu)化方法，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；動力優(yōu)化是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力分析，建立關(guān)于結(jié)構(gòu)固有特性(周期、頻率等)或動力反應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)或約 束條件進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計。

從優(yōu)化方法來講，有準(zhǔn)則法和規(guī)劃法。準(zhǔn)則法是通過力學(xué)概念或工程經(jīng)驗建立符合條件的優(yōu)化準(zhǔn)則，這種方法物理意義明確，方法相對簡單，收斂速度快；規(guī)劃法是以數(shù)學(xué)規(guī)劃理論為基礎(chǔ)的，適應(yīng)面廣，收斂性好，但速度慢。后 一種方法更為常用。

斜腿剛構(gòu)橋主要內(nèi)容

(1)截面優(yōu)化。這是橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基本內(nèi)容，包括截面形式、截面特性(面積、慣性距)和截面尺寸的優(yōu)化，是結(jié)構(gòu)布局和材料一定時，預(yù)先確定優(yōu)化目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)，在某種荷載組合作用下，且滿足一定的約束條件，尋求結(jié)構(gòu)最優(yōu)化、最合理的截面。截面優(yōu)化的優(yōu)化目標(biāo)一般都為重量最輕或造價最低。

(2)結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化。主要有幾何優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化，其中每項都包含截面優(yōu)化的內(nèi)容。幾何優(yōu)化是通過調(diào)整結(jié)構(gòu)各結(jié)點在空間中的位置，尋求最合理的結(jié)構(gòu)布局，使結(jié)構(gòu)性能最優(yōu)。幾何優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)一般也均為結(jié)構(gòu)總重量?？蛇M(jìn)行幾何優(yōu)化的橋梁型式主要有斜腿剮構(gòu)橋、桁架、鋼管拱、桁架拱等幾種。拓?fù)鋬?yōu)化是在不退化為機(jī)構(gòu)的條件下，通過增加或去掉某些構(gòu)件，尋求最合理、 最經(jīng)濟(jì)的連接形式，桁架類橋可進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。 2100433B