一种群钉钢混组合梁多目标综合优化设计方法及系统与流程

本发明涉及钢混组合梁，特别涉及一种群钉钢混组合梁多目标综合优化设计方法及系统。

背景技术：

1、目前的钢混组合梁通常设计为完全抗剪连接组合梁，具体是采用满铺剪力钉的方式实现，即钢梁顶的剪力钉沿全桥纵向均匀分布或剪力钉间距逐渐加密或变稀疏。对于满铺剪力钉组合梁，其具体的施工方式通常为两种，也均存在一定的局限性：1)方式一：混凝土板与钢梁在工厂整跨预制，运输到项目现场后即吊起安装，但因为整跨预制梁长较长，对道路运输条件要求很高，一般的城市道路交叉口处需进行交通管制或疏导方能实现运梁车的转弯；2)方式二：钢梁在工厂分段预制，运输至现场拼装后，再支模现浇混凝土板(尤其是桥梁内外侧悬臂端混凝土板)，支模现浇需耗费较多工时，导致其施工效率较低。

2、采用“钢梁预焊剪力群钉+混凝土板预留后浇槽口”的方式，则可以实现组合梁的钢梁和混凝土板均在工厂预制，运输到现场后再后浇槽口完成钢混组合，这样的组合梁称为群钉钢混组合梁。对于群钉钢混组合梁，其运输不受道路交通条件限制，现场也不需再额外支模才能现浇，因此可以有效避免满铺剪力钉的上述两方面局限，实现钢混组合梁的装配化施工、缩短建设工期并降低预制梁厂费用，同时混凝土板可存梁一段时间后再与钢梁组合，有效缓解满铺剪力钉组合梁的混凝土板材料收缩徐变引起的质量风险。

3、对于满铺剪力钉等完全抗剪连接组合梁，已有了大量的理论和试验研究成果，现行规范《公路钢混组合桥梁设计与施工规范(jtg/t d64-01-2015)》也给出了详细的设计方法，但针对群钉连接部分抗剪组合梁的理论和试验研究仍相对较少，更缺乏成套的优化设计方法。根据本专利申请人已发表的论文《群钉连接装配式组合轨道梁受力特性研究(中国铁道科学(ei)，2021年第2期)》可知，组合梁群钉连接不同于剪力钉均匀满铺，其平截面假定不再适用，现行规范中的一些主要设计计算方法(包括剪力钉抗剪刚度、组合梁挠度和应力计算公式)也存在较大误差。根据目前调研的一些采用群钉组合梁的项目情况，因无系统性的设计和优化方法，导致剪力钉数量、钢板厚度等主要设计参数过分保守地取值(如剪力钉承载力通常有2～4倍富余)，大大降低了装配式群钉组合梁的经济性。因此，如何在兼顾安全性和经济性的多重目标下实现群钉钢混组合梁的综合优化设计，是目前装配式桥梁在城市建设中大规模推广应用所存在的“卡脖子”问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述无系统的设计和优化的不足，提供一种群钉钢混组合梁多目标综合优化设计方法及系统，能够基于力学公式、有限元和试验数据库、多元函数插值等方法，避免了实际项目设计优化时需大规模精细化有限元计算或大规模开展试验的情况，兼顾桥梁的安全性和经济性等多重目标，实现综合效益最优，同时显著降低了设计工作量和设计成本，实现装配式桥梁在城市建设中大规模推广应用。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

3、一种群钉钢混组合梁多目标综合优化设计方法，其包括：

4、确定群钉钢混组合梁的设计参数上下限，通过无量纲化得到无量纲化设计参数的上下限，并根据上下限将各无量纲化设计参数等分为n个区间，通过不同参数之间的各区间组合，形成不同的设计参数组合，并作为遗传算法的种群；

5、选取部分设计参数组合并制作相应的剪力钉推出试验试件，基于推出试验实测结果对各设计参数组合对应的组合梁建立相应的有限元模型，根据有限元计算获得规范规定的各验算指标对应的计算结果；

6、选取部分设计参数组合并制作相应的弯曲试验试件，将有限元结果与弯曲试验结果对比并形成试验修正系数a2的系数数据库a2，将有限元结果与基于结构力学所得的解析结果对比并形成理论修正系数a3的数据库a3；

7、定义等效抗弯刚度i1＝a2a3i3，其中，i3为当前设计参数组合对应的满铺剪力钉组合梁截面弯曲刚度；

8、定义初始种群，将遗传算法初始种群对应的设计参数组合的均值确定为数据库a3中的对应各值的均值；

9、计算当前种群对应的组合梁的截面抗弯刚度i，并计算当前种群的验算指标，判断验算指标是否满足设计规范；

10、计算桥梁的安全性评价指标和经济性评价指标，并根据各指标的权重加权求和后得到安全性和经济性综合指标y，定义目标函数为min(y)；

11、判断目标函数min(y)值是否最小，若否，则进行遗传操作，生成新一代种群，重复进行种群的验算指标计算和目标函数min(y)的计算；若是，则优化设计完成。

12、该优化设计方法，通过确定参数上下限以及无量纲化处理，为后续的优化设计提供取值范围和基础，以便进行计算；通过试验并进行有限元仿真，确保了设计参数组合的实际可行性和准确性；通过对比有限元、试验及结构力学理论推导的结果，形成了修正系数的数据库，同时增强了计算的精确性，更接近真实结果；通过建立种群进行计算，能够高效率地在多组合的参数中寻找最优结果，并提高运算速度；采用遗传算法进行优化，能够自动寻找最优解，减少人工干预和误差；通过引入目标函数判断，将安全性和经济性综合考虑其中，能够简化计算，使优化设计更加明确；该优化方法兼顾了桥梁的安全性和经济性等多重目标，实现综合效益最优，同时显著降低了设计工作量和设计成本，实现装配式桥梁在城市建设中大规模推广应用。

13、在本发明较佳的实施例中，上述制作剪力钉推出试验试件时，选取m种涉及不同设计参数中的某些组合确定为试验试件，并根据试验结果进行曲线拟合获得群钉组合梁各剪力钉的“荷载-滑移”曲线，再对所有剪力钉的滑移求平均值，获得单个剪力钉的“荷载-滑移”曲线m条，最后，建立各设计参数组合对应的非线性实体有限元精细化全桥仿真模型，并将模拟剪力钉的非线性弹簧单元的本构关系设置为相应的“荷载-滑移”曲线。通过选取组合，更全面地将试验件的各种情况纳入考虑，确保了试验的广泛性和多样性，能够更全面地对各种可能的设计参数进行组合；通过荷载-滑移曲线，不需再对混凝土与钢梁的接触关系进行细致模拟，简化了模型的复杂计算，也能够更真实地反映桥梁在实际工况下的实际情况。

14、在本发明较佳的实施例中，上述验算指标包括最大挠度z、自振基频f、最大钢梁和砼应力σs、σc。如果挠度过大，可能会导致结构失稳、破坏或功能受到影响；如果自振基频过高或者过低，可能会引发共振，对结构产生破坏性影响；如果钢梁应力超过了材料的强度极限，将会导致钢梁的破坏；如果混凝土应力超过了混凝土的抗压强度，将会导致混凝土的破裂。因此通过验算指标，能够确保钢混组合梁的正常使用。

15、在本发明较佳的实施例中，上述试验修正系数a2＝min[z1/z2,(f2/f1)0.5,σs1/σs2,σc1/σc2]，其中z1、f1、σs1、σc1分别为有限元计算所得的最大挠度、自振基频、去除应力集中后的最大钢梁和砼应力，z2、f2、σs2、σc2分别为弯曲试验所得的最大挠度、自振基频、去除应力集中后的最大钢梁和砼应力。通过修正系数，能够适当修正并可较好反映群钉钢混组合梁的真实受力情况，确保设计在最不利情况下仍然是安全的，便于后续优化设计的实现，从而提高优化效果和可靠性。

16、在本发明较佳的实施例中，上述理论修正系数a3＝min[z1/z3,(f3/f1)0.5,σs1/σs3,σc1/σc3]，其中z3、f3、σs3、σc3分别为结构力学理论推导所得的最大挠度、自振基频、去除应力集中后的最大钢梁和砼应力。通过修正系数，能够适当修正可较好反映群钉钢混组合梁的真实受力情况，确保设计在最不利情况下仍然是安全的，便于后续优化设计的实现，从而提高优化效果和可靠性。

17、在本发明较佳的实施例中，上述计算i时，如为初始种群则i＝i33，i33为初始种群对应的满铺剪力钉组合梁的截面抗弯刚度，并考虑开裂截面的抗弯刚度折减后按常规结构力学方法计算钢梁和砼最大弯曲应力σs33、σc33和疲劳应力幅△σs33、△σc33，按设计规范计算裂缝宽度w3。实际应用中最大弯曲应力能用于计算组合梁的抗弯安全系数并准确反映钢梁和砼的受力安全范围，疲劳应力是活载作用导致并影响组合梁的长期受力性能，混凝土结构在受到荷载作用时可能会产生裂缝，裂缝宽度不能超过规定限制，否则会影响结构安全性和耐久性，通过计算能够更真实地模拟实际的受力情况。

18、在本发明较佳的实施例中，上述计算i时，如为非初始种群则基于多元函数插值方法，针对当前种群对应的设计参数组合，从数据库a2、a3插值获得a22、a33，求得当前种群对应的群钉组合梁等效抗弯刚度i11＝a22a33i3，并令i＝i11，计算得最大挠度z11、自振基频f11，并计算钢梁和砼最大弯曲应力σs11、σc11、疲劳应力幅△σs11、△σc11，及裂缝宽度w11。通过插值方法能够快速地从较少的现有数据中获得所需的未知数据，具有较好的预测准确性，能够提高计算效率；考虑最大挠度能够避免结构失稳，考虑自振基频能够避免发生共振而引发结构破坏，考虑最大弯曲应力避免超过允许应力值而导致断裂，考虑裂缝宽度桥梁能够具有较好的耐久性。

19、在本发明较佳的实施例中，上述目标函数：

20、min(y)＝min(b1r31+b2p31+b3w31+b4q13)

21、其中，抗弯安全系数比r31＝r3/r1，抗疲劳安全系数比p31＝p3/p1，抗裂安全系数比w31＝w3/w1，材料工程量比q13＝q1/q3；b1、b2、b3、b4分别为权重系数；r3为i33对应的抗弯安全系数，p3为i33对应的疲劳安全系数，w3为i33对应的抗裂安全系数，q3为i33对应的材料工程用量，r1为i11对应的抗弯安全系数，p1为i11对应的疲劳安全系数，w1为i11对应的抗裂安全系数，q1为i11对应的材料工程用量。通过上述目标函数的定义和计算，能够在疲劳、抗裂性能、材料用量方面获取更优值，能够确保设计方案既满足安全性能又具有经济性。

22、一种群钉钢混组合梁多目标综合优化设计系统，其应用上述的群钉钢混组合梁多目标综合优化设计方法，系统包括输入模块、计算模块和输出模块，输入模块和输出模块分别电连接计算模块，输入模块用于采集设计参数、等分的n值、选取的m值，以及选取的设计参数组合，计算模块用于执行群钉钢混组合梁多目标综合优化设计方法，输出模块用于输出最有min(y)值和其对应的设计参数值。

23、通过输入模块采集优化设计的参数，为计算输入数据，通过计算模块执行优化设计方法的各步骤，能够在满足规范、安全和各种性能的前提下，找到最优的设计方案，通过输出模块能够将计算的最优结果和对应的参数值提供给设计者或使用者，以便于进行后续的决策和施工。采用该系统，能够将优化设计过程和计算程序化，避免了实际项目设计优化时需大规模精细化有限元计算或大规模开展试验，显著降低了设计工作量和设计成本，大幅提高工作效率，同时又保证了受力计算和优化设计的精度，具有较大的实际工程应用价值。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果：

25、1、该优化设计方法，在多组合的参数中寻找最优结果，确保设计参数组合的实际可行性和准确性，能够更接近真实结果，增强计算的精确性，最后将安全性和经济性考虑其中，并简化计算，使优化设计更加明确，其兼顾了桥梁的安全性和经济性等多重目标，实现综合效益最优，同时显著降低了设计工作量和设计成本，实现装配式桥梁在城市建设中大规模推广应用。

26、2、该设计系统，通过输入模块采集优化设计的参数，通过计算模块执行优化设计方法的各步骤，通过输出模块显示最优结果和对应的参数值；采用该系统，能够将优化设计过程和计算程序化，避免了实际项目设计优化时需大规模精细化有限元计算或大规模开展试验，显著降低了设计工作量和设计成本，大幅提高工作效率，具有较大的实际工程应用价值。