剛構橋梁的優(yōu)化理論研究結題摘要

剛構橋梁具有造價較低、施工方便和對地形、地質條件適應性好等優(yōu)點，因此在大跨徑橋梁中具有非常好的競爭力。由于設計人員缺乏系統(tǒng)的理論指導橋梁結構的優(yōu)化設計，結構的優(yōu)化依靠人們積累起來的經(jīng)驗，帶有很強的主觀性和盲目性，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)剛構橋設計中，對主要參數(shù)進行優(yōu)化研究是必要的。我國正出于公路建設的大發(fā)展階段，剛構橋梁的應用非常廣泛。本研究成果的應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。研究內容主要將包含兩方面：1.設計參數(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)剛構橋梁的優(yōu)化目標，提出在靜力作用下時以截面應力分布均勻且應力最小以及造價最低為優(yōu)化目標。根據(jù)不同設計參數(shù)對連續(xù)剛構橋梁的受力影響，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度和撓度的結論。 在考慮混凝土彈性模量與設計值存在差異的前提下，運用魯棒優(yōu)化設計方法研究在混凝土彈性模量值波動對連續(xù)剛構橋跨中撓度的影響，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，進而得到恰當?shù)膹埨刂讫g期范圍。

剛構橋梁具有造價較低、施工方便和對地形、地質條件適應性好等優(yōu)點，因此在大跨徑橋梁中具有非常好的競爭力。剛構橋梁的設計參數(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)化目標為：考慮橋梁的魯棒性需求，使結構的經(jīng)濟性和可靠性達到綜合最優(yōu)。研究內容主要將包含兩方面：1.設計參數(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(ANN)的理論來對計算和實測樣本進行智能分析。研究時將同時考慮成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)下兩種不同的結構體系。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)學相關理論，考慮結構在施工、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，使橋梁能夠適應各種不確定性環(huán)境，按設計預期正常工作。本項目的研究成果將對指導工程實踐有較高的參考價值。

斜腿剛構橋分類

從結構分析方法來說，有靜力優(yōu)化和動力優(yōu)化。靜力優(yōu)化是在靜力荷載作 用下對結構進行靜力分析，建立重量、剛度、強度、穩(wěn)定等方面的目標函數(shù)或約束條件，采用合適的優(yōu)化方法，對結構進行優(yōu)化設計；動力優(yōu)化是對結構進行動力分析，建立關于結構固有特性(周期、頻率等)或動力反應的目標函數(shù)或約 束條件進行的優(yōu)化設計。

從優(yōu)化方法來講，有準則法和規(guī)劃法。準則法是通過力學概念或工程經(jīng)驗建立符合條件的優(yōu)化準則，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)學規(guī)劃理論為基礎的，適應面廣，收斂性好，但速度慢。后 一種方法更為常用。

斜腿剛構橋主要內容

(1)截面優(yōu)化。這是橋梁結構優(yōu)化設計的基本內容，包括截面形式、截面特性(面積、慣性距)和截面尺寸的優(yōu)化，是結構布局和材料一定時，預先確定優(yōu)化目標，建立目標函數(shù)，在某種荷載組合作用下，且滿足一定的約束條件，尋求結構最優(yōu)化、最合理的截面。截面優(yōu)化的優(yōu)化目標一般都為重量最輕或造價最低。

(2)結構布局優(yōu)化。主要有幾何優(yōu)化和拓撲優(yōu)化，其中每項都包含截面優(yōu)化的內容。幾何優(yōu)化是通過調整結構各結點在空間中的位置，尋求最合理的結構布局，使結構性能最優(yōu)。幾何優(yōu)化的目標函數(shù)一般也均為結構總重量。可進行幾何優(yōu)化的橋梁型式主要有斜腿剮構橋、桁架、鋼管拱、桁架拱等幾種。拓撲優(yōu)化是在不退化為機構的條件下，通過增加或去掉某些構件，尋求最合理、 最經(jīng)濟的連接形式，桁架類橋可進行拓撲優(yōu)化。 2100433B