基于多目标优化的悬浇施工混凝土拱桥构形与安全控制的理论与方法

The construction process of concrete arch bridges ofcantilever casting construction is multi-objective, multi-variable and multi-constraint complex process because of the frequent structural system conversion, the large risk of construction, the few adjustment means of construction control, and the diversified control objectives. The existing construction control theory can't meet the requirements of high precision and efficiency control of construction. It is significant and valuable to study on the theory and method for the configuration and safety of concrete arch bridges of cantilever casting construction based on the multi-objective optimization algorithm. A real-time correction method of the phased finite element model of concrete arch bridges of cantilever casting construction is proposed using the past receding-horizon.optimization. Based on adaptive control theory, the appropriate design variables, constraints and a suitable objective function are investigated, a multi-objective optimization model of concrete arch bridges of cantilever casting construction is built, a corresponding global and local optimization algorithm which has a strong search capabilities are put forward, and an adaptive configuration control method of cantilever casting concrete arch bridges is established. The effect of influencing factors of concrete arch bridges of cast-in-place stayed method, such as the geometric nonlinearity, the changing of environmental temperature, the arch-tower-cables coupling effect of the construction system, and formwork error of concrete arch rib, on multi-objective optimization construction control system are studied. The early-warning classification model and threshold of adaptive security control of steel arch bridges of cantilever casting construction is established. The research results of the project will provide theoretical and technical supports for safe, high efficient and refined construction of long-span concrete arch bridges of cantilever casting construction.

大跨钢筋混凝土拱桥悬浇施工过程中结构体系转换次数多、施工风险大、控制调整手段少、控制目标多元化，是一个多目标、多变量、多约束的复杂过程，现有的施工控制理论不能很好地满足其高精度、高效率施工的要求，开展基于多目标优化的悬浇施工钢筋混凝土拱桥构形与安全控制的理论与方法研究具有重要理论意义和工程应用价值。提出一种悬浇施工混凝土拱桥过去时域滚动优化分阶段有限元模型实时修正方法；基于自适应控制，研究合适的变量、约束条件和目标函数，构建大跨悬浇混凝土拱桥多目标优化模型，提出一种全局和局部搜索能力强的优化算法，建立大跨悬浇混凝土拱桥自适应构形控制方法；研究大跨悬浇混凝土拱桥施工体系的几何非线性、环境温度变化、收缩徐变、肋-塔-索耦合效应和拱肋的立模误差等因素对多目标优化施工控制系统的影响规律,建立自适应安全控制分级预警模型与阈值。研究成果将为大跨悬浇混凝土拱桥安全、高效、精细施工提供理论支撑与技术保障。

基于精细有限元建模与多目标优化算法，以一座采用悬浇施工的钢筋混凝土拱桥为背景，研究了初始有限元模型的建模策略、修正参数的选取、目标函数的构建、多目标优化过程的实现等关键问题，提出了基于多目标优化算法的钢筋混凝土拱桥有限元模型修正方法。针对大跨钢筋混凝土拱桥悬浇施工过程中结构体系转换次数多、施工风险高、控制调整难度大、控制目标多元化等难题，基于多目标优化理论，以施工体系的关键几何参数和扣索索力为优化设计变量，构建了考虑施工过程的拱圈成桥状态内力和施工体系经济指标的优化目标函数，以满足施工安全性的施工体系关键效应参数为约束条件，建立了钢筋混凝土拱桥悬浇施工的多目标优化模型，提出了适用于求解该多目标优化问题的改进NSGA-Ⅱ算法，并编写了专用程序。在此基础上，将多目标优化计算理论运用到多座采用悬浇施工的钢筋混凝土拱桥施工控制计算中，对提出的大跨度钢筋混凝土拱桥悬浇施工的多目标优化方法的可行性和有效性进行了验证，建立了一种适用于大跨度悬浇施工钢筋混凝土拱桥构形与安全控制的多目标优化计算理论。针对悬浇施工的大跨度混凝土拱桥结构体系同时存在的几何非线性与收缩徐变等问题，基于微分法导出了随转坐标系下平面梁在大转动小应变时的几何非线性平衡方程，并结合初应变法计算混凝土梁收缩徐变等效节点力有限元列式，获得了结构坐标系下梁单元几何非线性分析中考虑收缩徐变效应影响的实用算法。揭示了悬浇施工中扣索伸长量、扣塔偏位及扣塔的压缩变形等因素对拱桥主拱圈变形的影响规律，并推导了上述三因素耦合作用下的主拱圈变形计算公式。在此基础上，基于贵州省几座悬浇施工的钢筋混凝土拱桥施工控制实践，构建了其施工过程安全控制分级预警理论模型，提出了该类桥型施工安全控制的各类预警指标及其阈值。通过本课题研究，建立了一种基于多目标优化的大跨悬浇施工钢筋混凝土拱桥构形和安全控制方法，为悬浇钢筋混凝土拱桥向更大跨度发展提供了理论支撑和技术支持。