[发明专利]基于疲劳寿命评估的大跨斜拉桥梁钢混结合段位置优选方法

权利要求书

1.一种基于疲劳寿命评估的大跨斜拉桥梁钢混结合段位置优选方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、建立钢混结合段位置优选的目标函数：首先根据影响钢混结合段位置确定的四个主要因素：钢混结合段截面静力作用下的弯矩和剪力；钢混结合段剪力连接件的疲劳寿命；钢混结合段位置对施工的影响；钢混结合段位置对结构造价的影响，分别建立钢混结合段位置与各因素之间的函数关系；然后结合钢混结合段位置与各因素之间的函数关系建立钢混结合段位置优选的多目标函数；

所述步骤1中四个影响因素与钢混结合段位置之间的函数关系建立过程如下：

步骤1.1、建立钢混结合段位置与钢混结合段处静力作用下截面弯矩的函数关系：斜拉桥钢混结合段设置在主塔的中跨一侧，以斜拉桥桥塔所在中心线为坐标原点，从原点指向斜拉桥跨中方向为X方向，建立坐标系，设x为钢混结合段距原点的距离，M为钢混结合段处(A₂点)截面弯矩，建立钢混结合段位置与钢混结合段处截面弯矩的函数关系：

M＝f_M(x) (1)

步骤1.2、建立钢混结合段位置与钢混结合段剪力连接件的疲劳寿命之间的函数关系：

N＝f_N(x) (2)

式中N表示钢混结合段剪力连接件的疲劳寿命代表值；

步骤1.3、建立钢混结合段位置与施工阶段桥墩容许附加弯矩之间的函数关系：

M_s＝f_s(x)≤ΔM (3)

其中M_s表示桥梁结构在施工阶段产生的附加弯矩，ΔM表示桥墩容许附加弯矩；

步骤1.4、建立钢混结合段位置与桥面梁造价之间的函数关系：

C＝f_c(x)＝C_砼(x)+C_钢(x) (4)

其中C表示桥面梁总造价，C_砼表示混凝土梁造价，C_钢表示钢梁造价；

步骤1.5、结合上述四个影响因素，建立钢混结合段位置优选的多目标函数：

其中钢混结合段位置x为优化变量，优化变量的取值范围为

-δ_边＜x＜δ_中 (6)

当-δ_边＜x≤0时，表示钢混结合段设置在主塔边跨一侧，在边跨也可直接设置在辅助墩上；当0＜x＜δ_中时，表示钢混结合段设置在主塔中跨一侧，其中δ_边表示钢混结合段设置在主塔边跨一侧的距离，δ_中表示钢混结合段设置在主塔中跨一侧的距离；

步骤2、目标函数求解：首先钢混结合段x的取值范围内选取一系列离散点，根据有限元方法和拟合方法，拟合出钢混结合段位置与各因素之间的函数关系的解析表达式，然后将步骤1中的多目标函数转化为单目标函数优化问题，并采用遗传算法进行优化，最终得到钢混结合段的优选位置；

所述步骤2中各目标函数的求解过程具体如下：

步骤2.1、钢混结合段截面弯矩及剪力计算，在钢混结合段x的取值范围内取一系列离散点[x₁,x₂,…x_i…,x_n]，其中-δ_边＜x₁＜x₂＜…＜x_n＜δ_中，分别采用有限元方法计算在钢混结合段x_i处，钢混结合段截面的弯矩和剪力f_M(x_i)，其中i＝1，2，…，n，然后通过拟合的方法，求出在钢混结合段x的取值范围-δ_边＜x＜δ_中内，钢混结合段截面的弯矩和剪力f_M(x)的解析表达式；

步骤2.2、钢混结合段剪力连接件的疲劳寿命计算：在钢混结合段x的取值范围内取一系列离散点[x₁,x₂,…x_i…,x_n]，其中-δ_边＜x₁＜x₂＜…＜x_n＜δ_中，分别采用有限元方法计算在钢混结合段x_i处，钢混结合段剪力连接件的疲劳寿命f_N(x_i)i＝1，2，…，n，然后通过拟合的方法，求出在钢混结合段x的取值范围-δ_边＜x＜δ_中内，钢混结合段剪力连接件的疲劳寿命f_N(x)的解析表达式；

步骤2.3、施工阶段桥墩附加弯矩计算：在钢混结合段x的取值范围内取一系列离散点[x₁,x₂,…x_i…,x_n]，其中-δ_边＜x₁＜x₂＜…＜x_n＜δ_中，分别计算结构自重及施工荷载对桥墩产生的附加弯矩f_S(x_i)；然后通过拟合的方法，求出在钢混结合段x的取值范围-δ_边＜x＜δ_中内，结构自重及施工荷载对桥墩产生的附加弯矩f_S(x)的解析表达式；

步骤2.4、混凝土梁和钢梁造价计算：在钢混结合段x的取值范围内取一系列离散点[x₁,x₂,…x_i…,x_n]，其中-δ_边＜x₁＜x₂＜…＜x_n＜δ_中，依据经验，分别计算混凝土梁造价C_砼(x_i)及钢梁造价C_钢(x_i)，然后通过拟合的方法，求出在钢混结合段x的取值范围-δ_边＜x＜δ_中内，桥梁结构造价f_c(x)的解析表达式；

步骤2.5、利用线性加权法求解多目标函数：

将式(5)的多目标函数通过对各个目标函数线性加权求和运算，将多目标函数优化问题转化为单目标函数优化问题：

min Z＝λ_Mf_M(x)+λ_N[-f_N(x)]+λ_S[ΔM-f_S(x)]+λ_Cf_C(x) (7)

约束条件为：-δ_边＜x＜δ_中，

其中λ_M,λ_N,λ_S,λ_C为权值，且λ_M+λ_N+λ_S+λ_C＝1，权值选取原则是根据目标的重要性选取，上述四个目标的重要性由高到底依次为MNSC，最终求得钢混结合段位置x的确定值。

2.如权利要求1所述的一种基于疲劳寿命评估的大跨斜拉桥梁钢混结合段位置优选方法，其特征在于，所述步骤2.5中求解目标函数的优化方法采用遗传算法，具体过程如下：

步骤2.5.1、个体编码：将优化变量区间-δ_边＜x＜δ_中等分成n份，每个钢混结合段位置用二进制表示，钢混结合段位置与二进制之间通过编码解码程序转换；

步骤2.5.2、初始群体产生：群体规模取为k，个体通过随机方法产生；

步骤2.5.3、适应度计算：利用目标函数值作为个体的适应度；

步骤2.5.4、选择运算：采用与适应度成正比的概率来确定个体复制到下一代群体的数量；

步骤2.5.5、交叉运算：以某个概率相互交换任意两个个体之间的部分编码，产生新个体；

步骤2.5.6、变异运算：对个体以较小概率进行改变，产生新个体；

步骤2.5.7、重复2.5.2-2.5.6的过程，直至结果收敛，此时得到的结果即为钢混结合段的优选位置。