本發(fā)明涉及橋梁結(jié)構(gòu)智能建模與優(yōu)化領(lǐng)域，具體是一種基于人機(jī)協(xié)同的鋼-混凝土組合梁橋智能建模與優(yōu)化一體化方法。

背景技術(shù)：

1、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)結(jié)合了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，可以更好地適應(yīng)綠色化、裝配化和智能化要求。有限元模型是橋梁設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，目前橋梁設(shè)計(jì)主要通過人工建立有限元計(jì)算模型，有限元模型分析包括前處理、計(jì)算分析和后處理三個(gè)過程，前處理耗時(shí)占了整個(gè)過程約一半的時(shí)間，建模效率低，且模型容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，需反復(fù)調(diào)試以保證模型的準(zhǔn)確性。此外，人工優(yōu)化過程耗時(shí)多，常依賴于設(shè)計(jì)師經(jīng)驗(yàn)，且優(yōu)化結(jié)果往往不能接近理論最優(yōu)解。因此，亟需提出一種基于人機(jī)協(xié)同的鋼-混凝土組合梁橋智能建模與優(yōu)化一體化方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于人機(jī)協(xié)同的鋼-混凝土組合梁橋智能建模與優(yōu)化一體化方法，包括以下步驟：

2、1)確定鋼-混凝土組合梁橋的結(jié)構(gòu)體系、跨度和分孔方案，并繪制初始條件圖；初始條件圖包括橋梁初始條件平面圖和橋梁初始條件立面圖；

3、2)基于初始條件圖，構(gòu)建鋼-混凝土組合梁橋初始智能模型；

4、3)對(duì)鋼-混凝土組合梁橋初始智能模型進(jìn)行優(yōu)化，得到鋼-混凝土組合梁橋的優(yōu)化方案。

5、進(jìn)一步，所述初始條件圖中記載有橋梁墩臺(tái)平面定位和標(biāo)高、橋梁中線和邊線平面定位、橋面標(biāo)高信息。

6、進(jìn)一步，構(gòu)建鋼-混凝土組合梁橋初始智能模型的步驟包括：

7、2.1)利用圖層分析算法讀取初始條件圖中的初始設(shè)計(jì)信息；

8、2.2)利用讀取的初始設(shè)計(jì)信息生成鋼-混凝土組合梁橋的構(gòu)件單元；

9、2.3)生成鋼-混凝土組合梁橋的約束信息；

10、2.4)輸入各類荷載，包括但不限于各類構(gòu)件自重、瀝青鋪裝自重、欄桿自重、車道荷載；

11、2.5)輸出鋼-混凝土組合梁橋初始智能模型。

12、進(jìn)一步，利用圖層分析算法讀取初始條件圖中初始設(shè)計(jì)信息的步驟包括：

13、標(biāo)記橋梁初始條件平面圖的墩臺(tái)、橋梁中線和邊線，并利用圖層分析算法讀取橋梁初始條件平面圖；

14、標(biāo)記橋梁初始條件立面圖的墩臺(tái)和橋面板頂線，并利用圖層分析算法讀取橋梁初始條件立面圖利用圖層分析算法讀取線型信息，確定橋墩底中心的平面坐標(biāo)和標(biāo)高、橋梁中心線的平面坐標(biāo)、橋梁支座底中心標(biāo)高以及橋面板頂標(biāo)高信息。

15、進(jìn)一步，生成鋼-混凝土組合梁橋的構(gòu)件單元的步驟包括：

16、2.2.1)確定橋墩體系和組合梁的截面形式、截面初步尺寸、材料信息以及支座信息；所述橋墩體系包括墩柱、系梁、蓋梁；

17、2.2.2)基于初始設(shè)計(jì)信息、截面形式、截面初步尺寸、材料信息以及支座信息，確定各個(gè)構(gòu)件單元的尺寸及起止坐標(biāo)；

18、2.2.3)制定單元?jiǎng)澐譁?zhǔn)則，確定各個(gè)構(gòu)件單元數(shù)量，并按照橋臺(tái)支座底、橋墩、系梁、蓋梁、鋼主梁、橫梁、橋面板順序進(jìn)行節(jié)點(diǎn)編號(hào)；

19、2.2.4)定義各個(gè)構(gòu)件單元的纖維截面；

20、2.2.5)結(jié)合步驟2.2.2)-2.2.4)的信息，生成鋼-混凝土組合梁橋的構(gòu)件單元。

21、進(jìn)一步，定義各個(gè)構(gòu)件單元的纖維截面的步驟包括：

22、2.2.4.1)制定纖維截面網(wǎng)格劃分準(zhǔn)則；

23、2.2.4.2)定義各材料的本構(gòu)關(guān)系，建立本構(gòu)關(guān)系庫。

24、2.2.4.3)自動(dòng)生成截面尺寸，劃分纖維截面，根據(jù)材料信息讀取本構(gòu)關(guān)系。

25、進(jìn)一步，生成鋼-混凝土組合梁橋的約束信息的步驟包括：

26、2.3.1)提取橋墩底和橋臺(tái)支座底處節(jié)點(diǎn)，定義橋墩底和橋臺(tái)支座底的邊界條件；

27、2.3.2)提取蓋梁頂部和橋臺(tái)處的支座底處節(jié)點(diǎn)以及對(duì)應(yīng)位置處鋼主梁節(jié)點(diǎn)，自動(dòng)生成蓋梁頂部和橋臺(tái)處的支座單元。

28、2.3.3)自動(dòng)生成鋼主梁與橋面板間的剛臂單元。

29、2.3.4)將邊界條件、支座單元和剛臂單元信息寫入文件中，從而實(shí)現(xiàn)各類約束的自動(dòng)定義。

30、進(jìn)一步，各類構(gòu)件自重、瀝青鋪裝自重、欄桿自重通過均布線荷載形式施加；

31、車道荷載以均布荷載和集中荷載的方式施加。

32、進(jìn)一步，對(duì)鋼-混凝土組合梁橋初始智能模型進(jìn)行優(yōu)化的步驟包括：

33、3.1)選取各構(gòu)件待優(yōu)化變量，并確定決策變量取值范圍；所述待優(yōu)化變量包括但不限于橋面板厚度和配筋率、橋面板混凝土強(qiáng)度、鋼主梁高度、鋼主梁翼緣寬度和厚度、鋼主梁腹板厚度；

34、3.2)建立約束數(shù)學(xué)模型，包括但不限于鋼主梁翼緣寬厚比不超過限值約束、鋼主梁腹板高厚比不超過限值約束、截面抗彎承載力不超過截面抗彎承載力限值約束、截面抗剪承載力不超過截面抗剪承載力限值約束、構(gòu)件撓度不超過撓度限值約束、裂縫寬度不超過裂縫寬度限值約束；

35、所述鋼主梁翼緣寬厚比不超過限值約束如下所述：

36、bf/tf≤rflim(1)

37、式中，bf為鋼主梁翼緣寬度，tf為鋼主梁翼緣厚度,rflim為鋼主梁翼緣寬厚比限值。

38、所述鋼主梁腹板高厚比不超過限值約束如下所述：

39、hw/tw≤＝rwlim(2)

40、式中，hw為鋼主梁腹板寬度，tw為鋼主梁腹板厚度,rwlim為鋼主梁腹板高厚比限值。

41、所述截面抗彎承載力不超過截面抗彎承載力限值約束如下所述：

42、m≤mlim(3)

43、式中，m為截面抗彎承載力，mlim為截面抗彎承載力限值。

44、所述截面抗剪承載比不超過截面抗剪承載限值約束如下所述：

45、v≤vlim(4)

46、式中，v為截面抗剪承載力，vlim為截面抗剪承載力限值。

47、所述構(gòu)件撓度不超過撓度限值約束如下所述：

48、δ≤δlim(5)

49、式中，δ為構(gòu)件撓度，δlim為構(gòu)件撓度限值。

50、所述裂縫寬度不超過裂縫寬度限值約束如下所述：

51、wcr≤wcrlim(6)

52、式中，wcr為裂縫寬度，wcrlim為裂縫寬度限值。

53、3.3)建立材料成本的優(yōu)化模型f，即：

54、

55、式中，i為組件材料編號(hào)，i＝1,2,3…,n，n為組件材料總數(shù)，ai為組件材料截面面積，li為組件材料長度，pi為組件材料單價(jià)。

56、3.4)利用優(yōu)化算法求解優(yōu)化模型f，得到各構(gòu)件的優(yōu)化參數(shù)，進(jìn)而構(gòu)建鋼-混凝土組合梁橋的優(yōu)化方案。

57、進(jìn)一步，所述優(yōu)化算法包括但不限于：遺傳算法、粒子群算法、差分進(jìn)化算法；

58、求解優(yōu)化模型f的過程中，采用參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整策略優(yōu)化種群質(zhì)量，避免生成無效個(gè)體，包括以下分步驟：

59、a)固定鋼主梁上翼緣寬度，根據(jù)鋼主梁翼緣寬厚比不超過限值約束進(jìn)行判斷，滿足要求時(shí)不改變上翼緣厚度，不滿足時(shí)自動(dòng)更新為滿足鋼主梁翼緣寬厚比限值約束的最小翼緣厚度。

60、b)固定鋼主梁下翼緣寬度，根據(jù)鋼主梁翼緣寬厚比不超過限值約束進(jìn)行判斷，滿足要求時(shí)不改變下翼緣厚度，不滿足時(shí)自動(dòng)更新為滿足鋼主梁翼緣寬厚比限值約束的最小翼緣厚度。

61、c)固定鋼主梁腹板高度，根據(jù)鋼主梁腹板高厚比不超過限值約束進(jìn)行判斷，滿足要求時(shí)不改變腹板厚度，不滿足時(shí)自動(dòng)更新為滿足鋼主梁腹板高厚比限值約束的最小腹板厚度。

62、本發(fā)明的技術(shù)效果是毋庸置疑的，本發(fā)明提出了一種基于人機(jī)協(xié)同的鋼-混凝土組合梁橋智能建?？蚣?。該方法利用圖層分析算法提取初始條件圖信息，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)鋼-混凝土組合梁橋的智能建模，僅需少量的人機(jī)交互操作，即可實(shí)現(xiàn)同類橋梁的快速化建模，極大地減小了人工建模工作量，避免了人工建模誤差，提高了建模效率和質(zhì)量。

63、本發(fā)明提出了一種鋼-混凝土組合梁橋智能優(yōu)化框架。該方法基于建立的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型采用優(yōu)化算法對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，避免了人工優(yōu)化周期長、主觀性強(qiáng)的缺陷，具有效率高、優(yōu)化效果好等優(yōu)勢(shì)。

64、本發(fā)明提出了一種基于人機(jī)協(xié)同的鋼-混凝土組合梁橋智能建模與優(yōu)化一體化框架，可以一體化實(shí)現(xiàn)鋼-混凝土組合梁橋的智能建模與優(yōu)化，具有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，可推廣到不同類型的橋梁設(shè)計(jì)中。