基于MATLAB的连续刚构桥顶推力优化算法研究

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连续刚构桥在合龙施工前的顶推步骤对减小混凝土收缩徐变产生的桥墩墩顶变形和次弯矩等不利影响有重要作用。传统的人工试算效率和可靠性偏低,随着桥梁领域对自动化、信息化、智能化的应用需求增加,利用MATLAB编写相关算法对连续刚构桥顶推力计算进行研究。以云南省某真实在建连续刚构桥为背景,根据顶推力作用效果分析需要和M ATLAB算法模块构造需要建立多种桥梁Midas/Civil有限元模型并编写三种MA TLAB算法对连续刚构桥顶推力进行优化,主要完成的工作和结论如下:(1)整理了国内外连续刚构桥顶推力研究进展与相关方法、在桥梁领域智能化算法的应用情况,分析了现有研究的有益经验与不足。剖析了基于MATLA B的相关优化算法基本原理,论述了fmincon函数和fgoalattain函数中SQP序列二次规划法的优化逻辑和非线性迭代运算的演化归宿复杂性。(2)原设计利方案使用试算法并将墩顶变形量控制的很低,以1#墩墩顶变形为零作为目标,使得25年后四座桥墩墩顶总变形量相较无顶推时减小4.672倍,其中1#墩单肢墩顶最小变形量仅0.216mm;最大次弯矩分别减少了88.76%、55.05%、36.45%、66.76%。但1#墩在顶推过程中墩底混凝土拉应力为2.250MPa,超过C50混凝土抗拉强度设计值1.89MPa,存在安全风险。(3)结合无顶推有限元模型,以控制墩顶相对变形量为目标,编写复合PS O粒子群智能算法代码。论述了该算法在未知顶推力前提下代替人工试算的可行性,可为初步设计阶段提供参考。再结合更换施工顺序有限元模型,以控制桥墩最大拉应力断面应力值为目标,编写fmincon优化函数代码模块。论述了fminc on函数局部最优顶推力解的优化效果,其中控制断面最大拉应力为0.429MPa。(4)结合原设计顶推力方案,以控制桥墩协同工作性能为目标,编写复合ACO蚂蚁智能算法。论述了蚂蚁算法有效克服fgoalattain函数参数对迭代演化归宿影响的复杂性问题,求解出最终优化顶推力为[1722.5k N,498.5k N,2000.7k N]T。25年后墩顶平均位移由原设计[2.019mm,13.516mm,17.267mm,-5.767mm]变更为[12.500mm,8.155mm,11.671mm,-5.735mm],各墩位移量变化较大。总变形量由38.573mm减小为38.057mm,保留了原设计总变形量很小的优点。控制断面最大次弯矩由原设计[1520.5k N?m;37762.7k N?m;20125.0k N?m;-5973.2k N?m]变更为[3179.5k N?m;26881.0k N?m;11347.8k N?m;-5962.1k N?m],整体而言减小了次弯矩。墩顶位移量方差比原设计减小了4.93倍,最大次弯矩方差减小了2.38倍,说明桥墩的协同工作性能得到较好提升。桥墩控制截面最大拉应力减小为1.19MPa,消除了原设计在顶推阶段的安全风险。
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