一种群钉钢混组合梁多目标综合优化设计方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种群钉钢混组合梁多目标综合优化设计方法及系统，应用于钢混组合梁技术领域，优化设计方法包括：确定群钉钢混组合梁的设计参数并通过无量纲化形成不同的设计参数组合；选取部分设计参数组合并制作剪力钉推出试验试件并验算；通过弯曲试验件的试验结果，形成用于修正的数据库；定义等效抗弯刚度，计算当前种群下的截面抗弯刚度，并验算；定义桥梁的安全性和经济性目标函数；通过目标函数最优解获得优化设计结果；系统包括输入模块

【技术实现步骤摘要】
一种群钉钢混组合梁多目标综合优化设计方法及系统


[0001]本专利技术涉及钢混组合梁
，特别涉及一种群钉钢混组合梁多目标综合优化设计方法及系统
。

技术介绍

[0002]目前的钢混组合梁通常设计为完全抗剪连接组合梁，具体是采用满铺剪力钉的方式实现，即钢梁顶的剪力钉沿全桥纵向均匀分布或剪力钉间距逐渐加密或变稀疏
。
对于满铺剪力钉组合梁，其具体的施工方式通常为两种，也均存在一定的局限性：
1)
方式一：混凝土板与钢梁在工厂整跨预制，运输到项目现场后即吊起安装，但因为整跨预制梁长较长，对道路运输条件要求很高，一般的城市道路交叉口处需进行交通管制或疏导方能实现运梁车的转弯；
2)
方式二：钢梁在工厂分段预制，运输至现场拼装后，再支模现浇混凝土板
(
尤其是桥梁内外侧悬臂端混凝土板
)
，支模现浇需耗费较多工时，导致其施工效率较低
。
[0003]采用“钢梁预焊剪力群钉
+
混凝土板预留后浇槽口”的方式，则可以实现组合梁的钢梁和混凝土板均在工厂预制，运输到现场后再后浇槽口完成钢混组合，这样的组合梁称为群钉钢混组合梁
。
对于群钉钢混组合梁，其运输不受道路交通条件限制，现场也不需再额外支模才能现浇，因此可以有效避免满铺剪力钉的上述两方面局限，实现钢混组合梁的装配化施工
、
缩短建设工期并降低预制梁厂费用，同时混凝土板可存梁一段时间后再与钢梁组合，有效缓解满铺剪力钉组合梁的混凝土板材料收缩徐变引起的质量风险
。
[0004]对于满铺剪力钉等完全抗剪连接组合梁，已有了大量的理论和试验研究成果，现行规范
《
公路钢混组合桥梁设计与施工规范
(JTG/T D64
‑
01
‑
2015)》
也给出了详细的设计方法，但针对群钉连接部分抗剪组合梁的理论和试验研究仍相对较少，更缺乏成套的优化设计方法
。
根据本专利申请人已发表的论文
《
群钉连接装配式组合轨道梁受力特性研究
(
中国铁道科学
(EI)
，
2021
年第2期
)》
可知，组合梁群钉连接不同于剪力钉均匀满铺，其平截面假定不再适用，现行规范中的一些主要设计计算方法
(
包括剪力钉抗剪刚度
、
组合梁挠度和应力计算公式
)
也存在较大误差
。
根据目前调研的一些采用群钉组合梁的项目情况，因无系统性的设计和优化方法，导致剪力钉数量
、
钢板厚度等主要设计参数过分保守地取值
(
如剪力钉承载力通常有2～4倍富余
)
，大大降低了装配式群钉组合梁的经济性
。
因此，如何在兼顾安全性和经济性的多重目标下实现群钉钢混组合梁的综合优化设计，是目前装配式桥梁在城市建设中大规模推广应用所存在的“卡脖子”问题
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术中所存在的上述无系统的设计和优化的不足，提供一种群钉钢混组合梁多目标综合优化设计方法及系统，能够基于力学公式
、
有限元和试验数据库
、
多元函数插值等方法，避免了实际项目设计优化时需大规模精细化有限元计算或大规模开展试验的情况，兼顾桥梁的安全性和经济性等多重目标，实现综合效益最优，同时显著降低了设计工作量和设计成本，实现装配式桥梁在城市建设中大规模推广应用
。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了以下技术方案：
[0007]一种群钉钢混组合梁多目标综合优化设计方法，其包括：
[0008]确定群钉钢混组合梁的设计参数上下限，通过无量纲化得到无量纲化设计参数的上下限，并根据上下限将各无量纲化设计参数等分为
n
个区间，通过不同参数之间的各区间组合，形成不同的设计参数组合，并作为遗传算法的种群；
[0009]选取部分设计参数组合并制作相应的剪力钉推出试验试件，基于推出试验实测结果对各设计参数组合对应的组合梁建立相应的有限元模型，根据有限元计算获得规范规定的各验算指标对应的计算结果；
[0010]选取部分设计参数组合并制作相应的弯曲试验试件，将有限元结果与弯曲试验结果对比并形成试验修正系数
a2的系数数据库
A2
，将有限元结果与基于结构力学所得的解析结果对比并形成理论修正系数
a3的数据库
A3
；
[0011]定义等效抗弯刚度
I1＝
a2a3I3，其中，
I3为当前设计参数组合对应的满铺剪力钉组合梁截面弯曲刚度；
[0012]定义初始种群，将遗传算法初始种群对应的设计参数组合的均值确定为数据库
A3
中的对应各值的均值；
[0013]计算当前种群对应的组合梁的截面抗弯刚度
I
，并计算当前种群的验算指标，判断验算指标是否满足设计规范；
[0014]计算桥梁的安全性评价指标和经济性评价指标，并根据各指标的权重加权求和后得到安全性和经济性综合指标
Y
，定义目标函数为
min(Y)
；
[0015]判断目标函数
min(Y)
值是否最小，若否，则进行遗传操作，生成新一代种群，重复进行种群的验算指标计算和目标函数
min(Y)
的计算；若是，则优化设计完成
。
[0016]该优化设计方法，通过确定参数上下限以及无量纲化处理，为后续的优化设计提供取值范围和基础，以便进行计算；通过试验并进行有限元仿真，确保了设计参数组合的实际可行性和准确性；通过对比有限元
、
试验及结构力学理论推导的结果，形成了修正系数的数据库，同时增强了计算的精确性，更接近真实结果；通过建立种群进行计算，能够高效率地在多组合的参数中寻找最优结果，并提高运算速度；采用遗传算法进行优化，能够自动寻找最优解，减少人工干预和误差；通过引入目标函数判断，将安全性和经济性综合考虑其中，能够简化计算，使优化设计更加明确；该优化方法兼顾了桥梁的安全性和经济性等多重目标，实现综合效益最优，同时显著降低了设计工作量和设计成本，实现装配式桥梁在城市建设中大规模推广应用
。
[0017]在本专利技术较佳的实施例中，上述制作剪力钉推出试验试件时，选取
m
种涉及不同设计参数中的某些组合确定为试验试件，并根据试验结果进行曲线拟合获得群钉组合梁各剪力钉的“荷载
‑
滑移”曲线，再对所有剪力钉的滑移求平均值，获得单个剪力钉的“荷载
‑
滑移”曲线
m
条，最后，建立各设计参数组合对应的非线性实体有限元精细化全桥仿真模型，并将模拟剪力钉的非线性弹簧单元本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种群钉钢混组合梁多目标综合优化设计方法，其特征在于，包括：确定群钉钢混组合梁的设计参数上下限，通过无量纲化得到无量纲化设计参数的上下限，并根据上下限将各无量纲化设计参数等分为
n
个区间，通过不同参数之间的各区间组合，形成不同的设计参数组合，并作为遗传算法的种群；选取部分设计参数组合并制作相应的剪力钉推出试验试件，基于推出试验实测结果对各设计参数组合对应的组合梁建立相应的有限元模型，根据有限元计算获得规范规定的各验算指标对应的计算结果；选取部分设计参数组合并制作相应的弯曲试验试件，将有限元结果与弯曲试验结果对比并形成试验修正系数
a2的系数数据库
A2
，将有限元结果与基于结构力学所得的解析结果对比并形成理论修正系数
a3的数据库
A3
；定义等效抗弯刚度
I1＝
a2a3I3，其中，
I3为当前设计参数组合对应的满铺剪力钉组合梁截面弯曲刚度；定义初始种群，将遗传算法初始种群对应的设计参数组合的均值确定为数据库
A3
中的对应各值的均值；计算当前种群对应的组合梁的截面抗弯刚度
I
，并计算当前种群的验算指标，判断验算指标是否满足设计规范；计算桥梁的安全性评价指标和经济性评价指标，并根据各指标的权重加权求和后得到安全性和经济性综合指标
Y
，定义目标函数为
min(Y)
；判断目标函数
min(Y)
值是否最小，若否，则进行遗传操作，生成新一代种群，重复进行种群的验算指标计算和目标函数
min(Y)
的计算；若是，则优化设计完成
。2.
根据权利要求1所述的群钉钢混组合梁多目标综合优化设计方法，其特征在于，制作剪力钉推出试验试件时，选取
m
种涉及不同设计参数中的某些组合确定为试验试件，并根据试验结果进行曲线拟合获得群钉组合梁各剪力钉的“荷载
‑
滑移”曲线，再对所有剪力钉的滑移求平均值，获得单个剪力钉的“荷载
‑
滑移”曲线
m
条，最后，建立各设计参数组合对应的非线性实体有限元精细化全桥仿真模型，并将模拟剪力钉的非线性弹簧单元的本构关系设置为相应的“荷载
‑
滑移”曲线
。3.
根据权利要求1所述的群钉钢混组合梁多目标综合优化设计方法，其特征在于，所述验算指标包括最大挠度
z、
自振基频
f、
最大钢梁和砼应力
σ
s
、
σ
c
。4.
根据权利要求3所述的群钉钢混组合梁多目标综合优化设计方法，其特征在于，所述试验修正系数
a2＝
min[z1/z2,(f2/f1)
0.5
,
σ
s1
/
σ
s2
,
σ
c1
/
σ
c2
]
，其中
z1、f1、
σ
s1
、
σ
c1
分别为有限元计算所得的最大挠度
、
自振基频
、
去除应力集中后的最大钢梁和砼应力，
z2、f2、
σ
s2
、
σ
c2
分别为弯曲试验所得的最大挠度
、
自振基频
、
去除应力集中后的最大钢梁和砼应力
。5.
根据权利要求3所述的群钉钢混组合梁多目标综合优化设计方法，其特征在于，所述理论修正系数
a3＝
min[z1/z3,(f3/f1)
0.5
,
σ
s1
/
σ
s3
,
σ
c1
/
σ
c3
]
，其中
z3、f3、
σ
s3
、
σ
c3
分别为结构力学理论推导所得的最...

【专利技术属性】
技术研发人员：周帅，于鹏，朱尔玉，聂建国，徐升桥，彭华春，文望青，曾永平，方聪，李璋，杨坚，
申请(专利权)人：湖南中建五局绿色市政工程研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：