基于体系可靠度的悬索桥优化方法技术

一种基于体系可靠度的悬索桥优化方法,包括以下步骤：A、确定悬索桥待优化设计变量X

【技术实现步骤摘要】
基于体系可靠度的悬索桥优化方法


[0001]本专利技术属于桥梁结构优化设计
，具体涉及到一种基于体系可靠度的悬索桥优化方法。

技术介绍

[0002]悬索桥是以缆索作为主要承重构件的组合结构体系，通过吊索支撑作用有效地减少了主梁的挠度变形，提高了其跨越能力。世界上第一座用钢丝做主缆的人行吊桥的建成揭开了现代悬索桥发展的序幕。伴随着科学技术的进步，结构分析理论、施工技术等的不断完善以及新材料的提出，悬索桥最大跨径记录也不断被刷新，目前已建的跨径最大的悬索桥是日本的明石海峡大桥，跨径达到1991m。为了满足现代交通运输需求，推动区域经济繁荣，国内外正筹备在宽阔的海峡或水深流宽的大江大河上建设超大跨悬索桥，例如主跨3300m的墨西拿海峡大桥、主跨2016m的巽他海峡大桥以及主跨2000m的琼州海峡跨海大桥。超大跨悬索桥对设计、建造、维护和分析水平提出了更高的要求，也预示着现代悬索桥的建设又将会兴起新的高潮。
[0003]传统悬索桥设计多是工程人员依据专业知识，结合工程经验，假定几个设计方案并进行方案比选，然后应用力学计算方法分别展开强度、刚度及稳定性验算，在校核的基础上通过重新设计得出可行方案。采用这种传统方法得到的可行方案多是取决于设计人员所掌握的科学知识及工程经验，而非完全取决于客观工程条件的最优方案。计算机技术在桥梁工程中的广泛应用使桥梁设计发生革命性变化，而且基于计算机的结构优化设计技术的发展与应用为获得经济技术最佳桥梁工程方案创造了条件。然而，传统确定性或者基于构件可靠度的结构分析方法难以考虑悬索桥设计中存在的不确定因素对结构体系安全的影响，也无法协调结构体系可靠性与经济性之间的矛盾，难以满足新时代悬索桥发展要求。因此，推动悬索桥的设计理论和设计方法进步十分必要。
[0004]结构体系可靠度优化理论将工程结构在设计、运营过程中存在的不确定性因素视为随机变量，应用数理统计方法定量计算结构体系可靠度并构建可以考虑体系可靠度的优化模型，结合优化算法实现设计参数调整，获取最佳匹配的设计参数以实现经济效益最大化，达到结构设计目标。而结构体系可靠度优化是可靠性优化理论发展的最新研究成果，针对结构体系可靠度优化问题，国内外许多学者都开展了研究，提出了结构优化模型及求解算法，但悬索桥不同于其他结构，它包括多种不同受力类型部件，且每类部件又由众多构件组成，在诸多因素(拉索抗力计算复杂、结构失效模式繁多、联合失效概率积分困难等)影响下悬索桥体系可靠度计算过程十分困难、繁琐，致使悬索桥体系可靠度优化难以实现。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足,提出了一种基于体系可靠度的悬索桥优化方法，该方法提出以悬索桥体系可靠度为约束，以塔、梁、缆索建筑费用最低为目标的优化模型。针对悬索桥具有隐式体系可靠度的特点提出了适用约束条件处
理方法，在此基础上结合遗传算法建立了悬索桥优化模型求解框架，实现了大跨度钢悬索桥体系可靠度优化分析。
[0006]解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于体系可靠度的悬索桥优化方法,包括以下步骤：
[0007]A、确定悬索桥待优化设计变量X
d
；
[0008]B、确定悬索桥塔、梁、缆索费用作为悬索桥优化目标W(X
d
)；
[0009]C、将悬索桥体系可靠度β
sys
[G(X
d
,y)≥0]作为约束条件；
[0010]D、建立悬索桥体系可靠度优化模型；
[0011]E、计算悬索桥体系可靠指标限值[β
sys
]；
[0012]E1、确定悬索桥体系可靠性分析随机参数；
[0013]E2、计算悬索桥主缆抗力；
[0014]E3、计算悬索桥吊索抗力；
[0015]E4、计算悬索桥构件可靠度；
[0016]E5、确定悬索桥候选失效单元：首先确定最小构件可靠度β
min
，然后根据β
min
确定约界参数β
C
＝1.29+0.86β
min
，满足β≤β
C
条件的构件将成为候选失效单元；
[0017]E6、模拟单元失效，计算下一阶段构件可靠指标直至悬索桥体系失效，形成一条完整失效路径；
[0018]E7、遍历所有主要失效路径，建立悬索桥失效树及串并联失效模型，并采用改进的微分等价递归算法计算不同失效模式间的联合失效概率及体系可靠指标限值[β
sys
]；
[0019]F、悬索桥隐式体系可靠度β
sys
[G(X
d
,y)≥0]约束显示化；
[0020]G、引入罚函数Viod(X
d
)将悬索桥有约束优化模型转化为无约束优化模型；
[0021]H、采用遗传算法求解悬索桥无约束优化模型，实现结构体系可靠度优化设计。
[0022]本专利技术的悬索桥待优化设计变量X
d
为悬索桥塔、梁截面特性参数。
[0023]本专利技术的步骤D中以主梁、桥塔、缆索的费用最低为目标构建了悬索桥体系可靠度优化模型：
[0024][0025]式中：X
d
为悬索桥优化设计变量；A1,A2,
…
,A
n
分别为悬索桥主梁及桥塔的截面面积参数；I1,I2,
…
,I
n
分别为悬索桥主梁及桥塔的截面惯性矩参数；Cost(X
d
)为主梁、桥塔及缆索的造价；V
tow
为桥塔的混凝土体积；V
beam
为主梁用钢量，以吨为单位；V
cable
为缆索的长度，以米为单位；ρ
beam
为主梁钢材单价；ρ
tow
为桥塔混凝土单价；ρ
cable
为缆索单价；β
sys
[G(X
d
,y)≥0]为悬索桥体系可靠指标；[β
sys
]为体系可靠指标限值；]为体系可靠指标限值；分别为设计变量的上下限值。
[0026]本专利技术的步骤E2中将悬索桥主缆简化为关于长钢丝并联模型，并将长钢丝视为短钢丝的串联体系；根据主缆最大索夹间距L
C
及短钢丝静力拉伸试件长度L0，计算主缆长钢丝分段数λ，以考虑主缆夹连效应对抗力的影响；
[0027][0028]假设主缆短钢丝抗力服从均值为μ
M
，标准差为σ
M
的正态分布且短钢丝抗力之间独立同分布，长钢丝抗力之间独立同分布，按下式计算主缆长钢丝分布特征：
[0029][0030]式中：λ
i
为组成主缆的第i根长钢丝的分段数；为每段短钢丝抗力；
[0031]然后采用蒙特卡罗抽样法计算主缆抗力：采用随机方法生成样本矩阵t
N
×
n
，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于体系可靠度的悬索桥优化方法,其特征在于包括以下步骤：A、确定悬索桥待优化设计变量X
d
；B、确定悬索桥塔、梁、缆索费用作为悬索桥优化目标W(X
d
)；C、将悬索桥体系可靠度β
sys
[G(X
d
,y)≥0]作为约束条件；D、建立悬索桥体系可靠度优化模型；E、计算悬索桥体系可靠指标限值[β
sys
]；E1、确定悬索桥体系可靠性分析随机参数；E2、计算悬索桥主缆抗力；E3、计算悬索桥吊索抗力；E4、计算悬索桥构件可靠度；E5、确定悬索桥候选失效单元：首先确定最小构件可靠度β
min
，然后根据β
min
确定约界参数β
C
＝1.29+0.86β
min
，满足β≤β
C
条件的构件将成为候选失效单元；E6、模拟单元失效，计算下一阶段构件可靠指标直至悬索桥体系失效，形成一条完整失效路径；E7、遍历所有主要失效路径，建立悬索桥失效树及串并联失效模型，并采用改进的微分等价递归算法计算不同失效模式间的联合失效概率及体系可靠指标限值[β
sys
]；F、悬索桥隐式体系可靠度β
sys
[G(X
d
,y)≥0]约束显示化；G、引入罚函数Viod(X
d
)将悬索桥有约束优化模型转化为无约束优化模型；H、采用遗传算法求解悬索桥无约束优化模型，实现结构体系可靠度优化设计。2.根据权利要求1所述的基于体系可靠度的悬索桥优化方法，其特征在于：所述的悬索桥待优化设计变量X
d
为悬索桥塔、梁截面特性参数。3.根据权利要求1所述的基于体系可靠度的悬索桥优化方法，其特征在于：所述的步骤D中以主梁、桥塔、缆索的费用最低为目标构建了悬索桥体系可靠度优化模型：式中：X
d
为悬索桥优化设计变量；A1,A2,
…
,A
n
分别为悬索桥主梁及桥塔的截面面积参数；I1,I2,
…
,I
n
分别为悬索桥主梁及桥塔的截面惯性矩参数；Cost(X
d
)为主梁、桥塔及缆索的造价；V
tow
为桥塔的混凝土体积；V
beam
为主梁用钢量，以吨为单位；V
cable
为缆索的长度，以米为单位；ρ
beam
为主梁钢材单价；ρ
tow
为桥塔混凝土单价；ρ
cable
为缆索单价；β
sys
[G(X
d
,y)≥0]为悬索桥体系可靠指标；[β
sys
]为体系可靠指标限值；]为体系可靠指标限值；分别为设计变量的上下限值。4.根据权利要求1所述的基于体系可靠度的悬索桥优化方法，其特征在于：所述的步骤E2中将悬索桥主缆简化为关于长钢丝并联模型，并将长钢丝视为短钢丝的串联体系；根据主缆最大索夹间距L
C
及短钢丝静力拉伸试件长度L0，计算主缆长钢丝分段数λ，以考虑主缆夹连效应对抗力的影响；
假设主缆短钢丝抗力服从均值为μ
M
，标准差为σ
M
的正态分布且短钢丝抗力之间独立同分布，长钢丝抗力之间独立同分布，按下式计算主缆长钢丝分布特征：式中：λ
i
为组成主缆的第i根长钢丝的分段数；为每段短钢丝抗力；然后采用蒙特卡罗抽样法计算主缆抗力：采用随机方法生成样本矩阵t
N
×
n
，其中t
ij
～U(0,1)(1≤i≤N，1≤j≤n)，N表示主缆抗力样本数，n表示组成主缆的长钢丝数量；以t
ij
作为主缆长钢丝抗力R
ij
的累计概率分布函数值并下式计算主缆长钢丝抗力抽样值R
ij
，形成长钢丝抗力样本矩阵R
N
×
n
；R
ij
＝Φ
‑1(1
‑
(1
‑
t
ij
)
1/λ
)
×
σ+μ根据长钢丝抗力样本矩阵R
N
×
n
，按下式计算主缆抗力R
Mcablei
，形成主缆抗力样本集合R
Mcable
＝(R
Mcable1
,R
Mcable2
,
···
,R
McableN
)，采用数理统计方法计算出主缆抗力分布特征值即均值标准差R
Mcable
＝max[(n
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：王春生，张文婷，段兰，寇婷苇，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：