基于遗传算法的钢管混凝土拱桥拱肋吊装优化研究
|
摘要
大跨度钢管拱桥的拱肋吊装过程是一个复杂的过程，为了保证最终的成桥状态满足设计要求，考虑扣索索长的调整方法，确定出施工各阶段的合理状态是很有必要的。
本文针对大跨度钢管拱桥合理成桥状态的确定和扣索索长调整问题，将改进的遗传算法嵌入到拱肋吊装的结构计算中，采用实数编码技术，引入了基于排序的适应度分配选择方式，将动态罚函数法应用于处理有约束的最优化问题。为了满足大跨度钢管混凝土拱桥施工的安全性与成桥预期的内力状态和拱肋线形，本文结合工程实例，分别对合理成桥状态和扣索索长调整的目标函数的确定进行了分析，将一组多变量、多约束的最小化问题无约束化，从而建立起适合于该问题的遗传算法优化模型，将其计算结果分别与迭代前进法和随机最优控制理论进行了比较；结果表明，采用该方法编制的基于结构计算的遗传优化程序操作灵活，能很好的满足施工和设计要求。
本文的研究是一种全新的智能计算理论在桥梁施工控制领域中的应用，对于促进施工控制技术的发展，实现大跨度钢管混凝土拱桥的施工控制是十分必要和有意义的，并能在其它桥种的施工控制中提供参考。
Rib-hoisting of the long-span CFST arch bridge is very complex .In order that the finished state of structure meets the design requirement it is necessary to study the method of buckle-cable adjusted and determine reasonable finished state.
In this paper improved genetic algorithm is combined with computation of buckle-cable adjusted. And the genetic optimization model based on real number encoding is introduced. In the established model, rank-based fitness assignment selection and dynamic penalty strategy are introduced to handling restriction problems. In order to assure that the stress and strain state of structure is secure, the author analyses respectively the objective functions of the reasonable finished state and buckle-cable adjusted phase; thus, the optimized model based on FGA is framed. Finally according to the example, the computation datum are compared with the iterative forward analysis method and the optimal control theory. The result shows that this method can be used conveniently and meet the construction and design precision.
The research is an application of new intelligent computation theory in the construction control field of bridges. It is very essential and significative for the development of construction control technology of CFST. Furthermore, it has great reference value for the construction control of other kinds of bridges.
本文针对大跨度钢管拱桥合理成桥状态的确定和扣索索长调整问题，将改进的遗传算法嵌入到拱肋吊装的结构计算中，采用实数编码技术，引入了基于排序的适应度分配选择方式，将动态罚函数法应用于处理有约束的最优化问题。为了满足大跨度钢管混凝土拱桥施工的安全性与成桥预期的内力状态和拱肋线形，本文结合工程实例，分别对合理成桥状态和扣索索长调整的目标函数的确定进行了分析，将一组多变量、多约束的最小化问题无约束化，从而建立起适合于该问题的遗传算法优化模型，将其计算结果分别与迭代前进法和随机最优控制理论进行了比较；结果表明，采用该方法编制的基于结构计算的遗传优化程序操作灵活，能很好的满足施工和设计要求。
本文的研究是一种全新的智能计算理论在桥梁施工控制领域中的应用，对于促进施工控制技术的发展，实现大跨度钢管混凝土拱桥的施工控制是十分必要和有意义的，并能在其它桥种的施工控制中提供参考。
Rib-hoisting of the long-span CFST arch bridge is very complex .In order that the finished state of structure meets the design requirement it is necessary to study the method of buckle-cable adjusted and determine reasonable finished state.
In this paper improved genetic algorithm is combined with computation of buckle-cable adjusted. And the genetic optimization model based on real number encoding is introduced. In the established model, rank-based fitness assignment selection and dynamic penalty strategy are introduced to handling restriction problems. In order to assure that the stress and strain state of structure is secure, the author analyses respectively the objective functions of the reasonable finished state and buckle-cable adjusted phase; thus, the optimized model based on FGA is framed. Finally according to the example, the computation datum are compared with the iterative forward analysis method and the optimal control theory. The result shows that this method can be used conveniently and meet the construction and design precision.
The research is an application of new intelligent computation theory in the construction control field of bridges. It is very essential and significative for the development of construction control technology of CFST. Furthermore, it has great reference value for the construction control of other kinds of bridges.
引文
[1] 李敏强，寇纪淞等．遗传算法的基本理论及应用．科学出版社，2002．
[2] 陈宝春．钢管混凝土拱桥设计与施工．人民交通出版社，2000．
[3] 王小平，曹立明．遗传算法—理论、应用于软件实现．西安交通大学出版社，2002．
[4] 袁海庆，范剑锋，范小春．钢管混凝土拱桥拱肋吊装过程的线形优化方法．武汉理工大学学报，2002(2)：32-35．
[5] 王佶，李耀雄．基于神经网络和遗传算法的实验参数确定．武汉理工大学学报 2003(12)
[6] 张开银，刘三元等．大跨径钢管混凝土拱桥线形动态控制技术．武汉交通科技大学学报,2000(1)：1-4．
[7] 张建民，郑皆连，秦荣．大跨度钢管混凝土拱桥吊装过程的优化计算方法．桥梁建设，2002，(1)．
[8] 陈德伟等．用遗传算法确定斜拉桥的恒载初始索力．同济大学学报，2003(1)：11-15．
[9] 沈成武等．大跨度钢管混凝土拱桥吊装过程的索力逆分析．武汉交通科技大学学报，1998，22(30)．
[10] 范小春．大跨度钢管混凝士拱桥吊装过程施工控制理论研究．武汉理工大学硕士学位论文，2001．5．
[11] 肖汝诚，林平．计算结构力学在桥梁结构施工设计与施工控制中的应用．计算结构力学及应用，1993(1)：92-98．
[12] 周水兴，顾安邦等．钢管混凝土拱桁架设斜拉扣挂索力仿真计算分析研究．中国公路学会桥梁与结构工程学会一九九九年桥梁学术讨论会论文集．人民交通出版社，2000．1：665-667．
[13] 王晓鹏．遗传算法及其在气动优化设计中的应用研究．西北工业大学博士学位论文，2000．12．
[14] 范剑锋．大跨度钢管混凝土拱桥拱肋吊装过程的仿真计算分析．武汉理工大学硕士学位论文，2002．5．
[15] 吴大宏，赵人达．基于遗传算法的混凝土桥梁耐久性优化设计．桥梁建设，2002(2)．
[16] 张建仁，刘扬．遗传算法和人工神经网络在斜拉桥可靠度分析中的应用．土木工程学报．2001．2
[17] 何雄君等．遗传算法在预应力混凝土连续梁配束中的应用．中南公路工程，2000．12
[18] 李戈，秦权等．用遗传算法选择悬索桥监测系统中传感器的最优布点．工程力学，2000．2
[19] 赵雷，卜一之．钢管混凝土系杆拱桥施工过程结构行为非线性分析．西南交通大学学报，2000(8)：352-356．
[20] 袁海庆，范小春，袁军．大跨度桥梁施工控制理论研究．武汉理工大学学报，2000．8．
[21] 彭卫．大跨度钢管混凝土拱桥的工程控制．浙江大学博士学位论文，1998．
[22] 周汉东，许晓锋，黄福伟．大跨度钢管混凝土拱桥钢管拱肋吊装施工控制．哈尔滨建筑大学学报，95；(5)：87-92．
[23] 王黎，马光文．桁架结构优化设计的遗传算法．成都科技大学学报，1996，(5)．
[24] 余宝中等．桥梁工程中的人工智能．黑龙江交通高等专科学校学报，2000，14(1)．
[25] 项海帆．高等桥梁结构理论．人民交通出版社．
[26] 沈成武，闻骥骏．大跨径桥梁预应力损失的遗传算法识别．武汉理工大学学报，2002(1)：62-65
[27] 袁海庆，将沧如．有限元法的理论与工程应用．武汉工业大学出版社，1997．8
[28] 舒宣武．计算机辅助结构设计．中国建筑工业出版社，1998．9
[29] 李向京，胡云昌．基于遗传算法—神经网络混合训练技术的结构近似可靠分析方法．土木工程学报，2000，33(5)．
[30] 沈成武等．大跨度预应力损失的遗传算法识别．武汉理工大学学报，2002，24(1)．
[31] 黄豪，沈成武，雷建平．一种连续变量的遗传算法．武汉交通科技大学学报，1999,23(2)：123～126．
[32] 陈宝春．钢管混凝土拱桥施工问题研究．桥梁建设，2002(3)：55-59．
[33] 陈德伟、王小同等，斜拉桥施工控制可视化软件，同济大学学报，98，26(5)，537-541．
[34] 陈德伟，范立础．确定P．C．斜拉桥恒载初始索力的方法．同济大学学报，1998，26(2)：120-124．
[35] 吕大刚，王光远．结构智能优化设计——一个新的研究方向．哈尔滨建筑大学学报，1999，32(4)．
[36] 孙艳丰，郝江凌．大型复杂结构优化问题的遗传算法．北方交通大学学报，1997，21(6)．
[37] 韩青．结构最优设计的GA方法．内蒙古工业大学出版社，2000，19(1)．
[38] 王宏丽，李铠，李良辰．基于遗传算法的框架结构的优化设计．西北农林科技学学报，2001，29(5)．
[39] 李文勇，李泉永．基于模拟退火的全局优化算法．桂林电子工业学院学报，2001，21(1)．
[40] 唐文艳，顾元宪．桁架优化遗传算法的若干改进．机械强度，2002，24(1)．
[41] 武广号，文毅，乐美峰．遗传算法及其应用．应用力学学报，1996，13(2)．
[42] 何雨微，刘三元．大跨径钢管拱加工与现场预拼施工．桥梁建设，1999(3)．
[43] 何雄君，文武松，胡志坚．钢管混凝土拱桥温度荷载分析．桥梁建殴，2000(1)
[44] 周宗泽，易建国．可视化桥梁结构设计软件—桥梁博士系统．同济大学学报，1999．4：243-248．
[45] 朱伯芳．有限单元法原理应用．水利电力出版社，1979．
[46] 郑皆连．特大跨径RC拱桥悬拼合拢技术的探讨，中国公路学报，1999(1)，42-49．
[47] 王佶、李耀雄．遗传算法在优化问题中的应用研究．国外建材科技，2003(8)．
[48] 张文修．遗传算法的数学基础．交通大学出版社，2000．
[49] 李小珍、胡大琳、陈祥宝，大跨度悬索桥施工状态的计算机仿真分析，中国公路学报，1998(4)：64-69．
[50] Holland.J.H. Adaption in Nature and Artificial Systems. The University of Michigan Press, 1975, MIT Press 1992.
[51] S.G.Arzoumanidis, M.RBieniek. Finite Element Analysis of Suspension Bridges, Computer. Structure, 1985,Vol.21 ,No.6:1237-1253.
[52] Goldberg.D.E. Genetic Artificial Algorithms in Search, Optimization and machine learning. Addison-Wesley 1989.
[53] Goldberg. D. E. Real-coded Genetic Algorithms, Virtual Alphabets, and Blocking. Complex System, 1991, (5):139～167.
[54] Davis L D. Handbook of GENETIC Algorithms. Van Wostrand Reinhold, 1991.
[55] Cheng bao chun. A Sunnary of Development of Concrete-filled Steel Tubular Arch Bridges. Bridge Construction 1997(2), 8～13.
[56] J.F.Fleming. Nonlinear Static Analysis of Cable-stayed Bridge Structure, Computer. Structure, Vol.10, 621-635, 1979.
[57] Kikuchi, Kohki. Simultaneous Optimization of Configuration and Assembly Process of Bridge Structure Using a Genetic Algorithm. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Part C.- 1997.63(608).- 1159-1166.
[58] Fogel,D.B.,and Atamr, J.W. Comparing genetic operators with Gaussian mutations in simulated evolutionary processes using linear systems. Biological Cybernetics 63,1990:111-114
[59] F.Seki, S.Tanaka: Construction Control System for Cable-stayed Bridge, IABSE Syrup, Leninggrad, Sept. 1991.
[2] 陈宝春．钢管混凝土拱桥设计与施工．人民交通出版社，2000．
[3] 王小平，曹立明．遗传算法—理论、应用于软件实现．西安交通大学出版社，2002．
[4] 袁海庆，范剑锋，范小春．钢管混凝土拱桥拱肋吊装过程的线形优化方法．武汉理工大学学报，2002(2)：32-35．
[5] 王佶，李耀雄．基于神经网络和遗传算法的实验参数确定．武汉理工大学学报 2003(12)
[6] 张开银，刘三元等．大跨径钢管混凝土拱桥线形动态控制技术．武汉交通科技大学学报,2000(1)：1-4．
[7] 张建民，郑皆连，秦荣．大跨度钢管混凝土拱桥吊装过程的优化计算方法．桥梁建设，2002，(1)．
[8] 陈德伟等．用遗传算法确定斜拉桥的恒载初始索力．同济大学学报，2003(1)：11-15．
[9] 沈成武等．大跨度钢管混凝土拱桥吊装过程的索力逆分析．武汉交通科技大学学报，1998，22(30)．
[10] 范小春．大跨度钢管混凝士拱桥吊装过程施工控制理论研究．武汉理工大学硕士学位论文，2001．5．
[11] 肖汝诚，林平．计算结构力学在桥梁结构施工设计与施工控制中的应用．计算结构力学及应用，1993(1)：92-98．
[12] 周水兴，顾安邦等．钢管混凝土拱桁架设斜拉扣挂索力仿真计算分析研究．中国公路学会桥梁与结构工程学会一九九九年桥梁学术讨论会论文集．人民交通出版社，2000．1：665-667．
[13] 王晓鹏．遗传算法及其在气动优化设计中的应用研究．西北工业大学博士学位论文，2000．12．
[14] 范剑锋．大跨度钢管混凝土拱桥拱肋吊装过程的仿真计算分析．武汉理工大学硕士学位论文，2002．5．
[15] 吴大宏，赵人达．基于遗传算法的混凝土桥梁耐久性优化设计．桥梁建设，2002(2)．
[16] 张建仁，刘扬．遗传算法和人工神经网络在斜拉桥可靠度分析中的应用．土木工程学报．2001．2
[17] 何雄君等．遗传算法在预应力混凝土连续梁配束中的应用．中南公路工程，2000．12
[18] 李戈，秦权等．用遗传算法选择悬索桥监测系统中传感器的最优布点．工程力学，2000．2
[19] 赵雷，卜一之．钢管混凝土系杆拱桥施工过程结构行为非线性分析．西南交通大学学报，2000(8)：352-356．
[20] 袁海庆，范小春，袁军．大跨度桥梁施工控制理论研究．武汉理工大学学报，2000．8．
[21] 彭卫．大跨度钢管混凝土拱桥的工程控制．浙江大学博士学位论文，1998．
[22] 周汉东，许晓锋，黄福伟．大跨度钢管混凝土拱桥钢管拱肋吊装施工控制．哈尔滨建筑大学学报，95；(5)：87-92．
[23] 王黎，马光文．桁架结构优化设计的遗传算法．成都科技大学学报，1996，(5)．
[24] 余宝中等．桥梁工程中的人工智能．黑龙江交通高等专科学校学报，2000，14(1)．
[25] 项海帆．高等桥梁结构理论．人民交通出版社．
[26] 沈成武，闻骥骏．大跨径桥梁预应力损失的遗传算法识别．武汉理工大学学报，2002(1)：62-65
[27] 袁海庆，将沧如．有限元法的理论与工程应用．武汉工业大学出版社，1997．8
[28] 舒宣武．计算机辅助结构设计．中国建筑工业出版社，1998．9
[29] 李向京，胡云昌．基于遗传算法—神经网络混合训练技术的结构近似可靠分析方法．土木工程学报，2000，33(5)．
[30] 沈成武等．大跨度预应力损失的遗传算法识别．武汉理工大学学报，2002，24(1)．
[31] 黄豪，沈成武，雷建平．一种连续变量的遗传算法．武汉交通科技大学学报，1999,23(2)：123～126．
[32] 陈宝春．钢管混凝土拱桥施工问题研究．桥梁建设，2002(3)：55-59．
[33] 陈德伟、王小同等，斜拉桥施工控制可视化软件，同济大学学报，98，26(5)，537-541．
[34] 陈德伟，范立础．确定P．C．斜拉桥恒载初始索力的方法．同济大学学报，1998，26(2)：120-124．
[35] 吕大刚，王光远．结构智能优化设计——一个新的研究方向．哈尔滨建筑大学学报，1999，32(4)．
[36] 孙艳丰，郝江凌．大型复杂结构优化问题的遗传算法．北方交通大学学报，1997，21(6)．
[37] 韩青．结构最优设计的GA方法．内蒙古工业大学出版社，2000，19(1)．
[38] 王宏丽，李铠，李良辰．基于遗传算法的框架结构的优化设计．西北农林科技学学报，2001，29(5)．
[39] 李文勇，李泉永．基于模拟退火的全局优化算法．桂林电子工业学院学报，2001，21(1)．
[40] 唐文艳，顾元宪．桁架优化遗传算法的若干改进．机械强度，2002，24(1)．
[41] 武广号，文毅，乐美峰．遗传算法及其应用．应用力学学报，1996，13(2)．
[42] 何雨微，刘三元．大跨径钢管拱加工与现场预拼施工．桥梁建设，1999(3)．
[43] 何雄君，文武松，胡志坚．钢管混凝土拱桥温度荷载分析．桥梁建殴，2000(1)
[44] 周宗泽，易建国．可视化桥梁结构设计软件—桥梁博士系统．同济大学学报，1999．4：243-248．
[45] 朱伯芳．有限单元法原理应用．水利电力出版社，1979．
[46] 郑皆连．特大跨径RC拱桥悬拼合拢技术的探讨，中国公路学报，1999(1)，42-49．
[47] 王佶、李耀雄．遗传算法在优化问题中的应用研究．国外建材科技，2003(8)．
[48] 张文修．遗传算法的数学基础．交通大学出版社，2000．
[49] 李小珍、胡大琳、陈祥宝，大跨度悬索桥施工状态的计算机仿真分析，中国公路学报，1998(4)：64-69．
[50] Holland.J.H. Adaption in Nature and Artificial Systems. The University of Michigan Press, 1975, MIT Press 1992.
[51] S.G.Arzoumanidis, M.RBieniek. Finite Element Analysis of Suspension Bridges, Computer. Structure, 1985,Vol.21 ,No.6:1237-1253.
[52] Goldberg.D.E. Genetic Artificial Algorithms in Search, Optimization and machine learning. Addison-Wesley 1989.
[53] Goldberg. D. E. Real-coded Genetic Algorithms, Virtual Alphabets, and Blocking. Complex System, 1991, (5):139～167.
[54] Davis L D. Handbook of GENETIC Algorithms. Van Wostrand Reinhold, 1991.
[55] Cheng bao chun. A Sunnary of Development of Concrete-filled Steel Tubular Arch Bridges. Bridge Construction 1997(2), 8～13.
[56] J.F.Fleming. Nonlinear Static Analysis of Cable-stayed Bridge Structure, Computer. Structure, Vol.10, 621-635, 1979.
[57] Kikuchi, Kohki. Simultaneous Optimization of Configuration and Assembly Process of Bridge Structure Using a Genetic Algorithm. Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Part C.- 1997.63(608).- 1159-1166.
[58] Fogel,D.B.,and Atamr, J.W. Comparing genetic operators with Gaussian mutations in simulated evolutionary processes using linear systems. Biological Cybernetics 63,1990:111-114
[59] F.Seki, S.Tanaka: Construction Control System for Cable-stayed Bridge, IABSE Syrup, Leninggrad, Sept. 1991.