[发明专利]一种悬索桥整体结构分析的参数化优化方法

说明书

一种悬索桥整体结构分析的优化方法，步骤如下：确定悬索桥主要构件尺寸参数，选择设计变量；建立悬索桥的参数化有限元模型，进行静力分析；判断悬索桥的受力和变形是否符合规范，若不符合计算应力调整系数，更新构件尺寸；判断应力或变形是否小于规范的40％，若不符合更新构件尺寸，反之，进入精确优化；计算锚碇、索夹、吊杆和主缆；建立优化目标函数，选择改进的遗传算法进行求解；若优化过程不收敛，重新进行初步优化，调整构件尺寸；输出优化结果。本发明的优化过程中引入两个设计变量对目标函数的影响因子，精确控制改进方向，从而对悬索桥整体结构进行优化，达到受力合理、造价经济的目标。

技术领域

本发明属于桥梁设计和优化理论技术领域，具体涉及到一种悬索桥整体结构分析的参数化优化方法。

背景技术

随着我国交通事业的迅猛发展，跨越大江、大河、海湾的特大型桥梁越来越多，作为跨越能力大、受力性能好、轻盈美观的现代大跨径悬索桥运用越来越多。悬索桥是以主缆索受拉为主要承重构件的桥梁结构，其结构构造包括基础、塔墩、锚碇、主缆索、吊索、加劲梁及桥面结构等，其工程造价通常很大。目前最常用的设计方法主要以经验设计和有限元计算为主，根据有限元计算的结果适当调整结构的尺寸，以达到受力合理和造价相对节省的目标。但是由于悬索桥结构复杂，设计参数众多，每个参数的变化都影响到结构的受力状态，如果以经验的方法来确定优化的结果，一般是不能找到最优解的。近期理论上也探索过悬索桥的结构优化问题，研究的方法主要分为两种，一是人为更新设计变量，然后分别进行静力分析；二是基于ANSYS等软件中的优化程序对结构进行优化。两者优化过程都存在一些缺点，人为地进行设计变量的更新，导致设计变量不连续，优化效率不高、结果不够精确；ANSYS中的优化方法主要为零阶方法、一阶方法，其中零阶方法属于粗优化方法，精度不高，而一阶优化的精度虽然比零阶优化要高，但是求解过程复杂，并且可能陷入局部最小点。

发明内容

本发明提供了一种悬索桥整体结构分析的参数化优化方法。该方法实现悬索桥的参数化建模，并在恒载作用下自动调整索力，利用MGA算法(改进的遗传算法)，引入两个设计变量(边跨l₁，矢高f，)对目标函数的影响因子，精确控制改进方向，从而对悬索桥整体结构进行优化，达到受力合理、造价经济的目标。本发明优化过程分为两部分，一是初步优化，二是精确优化。首先进行初步优化，根据参数变化引起的变形内力变化趋势调整悬索桥主要构件尺寸，使得悬索桥的变形和内力在合理的范围内，既不超过规范的限值，也不过小使得材料无法完全发挥其性能。其次是精确优化，利用数学的优化模型进行悬索桥的整体优化。

本发明的技术方案：

一种悬索桥整体结构分析的参数化优化方法，包括以下步骤：

初步优化步骤：

S1.确定悬索桥主要构件尺寸参数，选择设计变量。

根据设计要求，确定悬索桥的主要构件尺寸和荷载(主跨跨径l，吊杆间距a，桥面系重度q₁，二期恒载q₂)，并选择优化过程的设计变量。依据主要构件尺寸和荷载的初值，计算边跨跨径l₁，矢高f，塔高h，主缆截面面积A_d，吊杆截面面积A_h，索塔截面面积A_t的初始结果。

S2.建立悬索桥的参数化有限元模型，进行静力分析。