联合有限元与随机模拟预测的桥梁施工风险概率评估方法与流程

本发明涉及桥梁工程施工，尤其涉及一种联合有限元与随机模拟预测的桥梁施工风险概率评估方法。

背景技术：

1、为了保证桥梁施工过程的安全和质量问题，必须对偶然荷载对斜拉扣挂-缆索吊装施工安全风险进行控制研究分析。

2、蒙特卡罗模拟是一种广泛使用的固定风险概率数值分析程序，被视为风险分析中最准确的成果。该方法起初在二战中原子弹核聚变项目开发期间推出，并在该期间用于数值求解数学和物理方程关系式。人工神经网络基于一组称为人工神经元的连接单元或节点，它们对生物大脑中的神经元进行松散建模。由于人工神经网络具有重现和建模非线性过程的能力，因此在许多学科中都有应用。应用领域包括系统识别和控制、量子化学、通用游戏、序列识别、医疗诊断、金融等方面。

3、桁架钢拱桥在主拱肋合龙之前的稳定性主要由扣索和结构的自重力保持，在高频震动作用和风荷载的共同作用下，对主肋的布置和结构稳定性产生安全影响。因此，在桁架钢拱桥合龙之前，需要在主拱肋安装阶段进行风险分析，预测潜在的风险状况，并提出适当的风险控制措施。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种联合有限元与随机模拟预测的桥梁施工风险概率评估方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、本发明提供一种联合有限元与随机模拟预测的桥梁施工风险概率评估方法，该方法包括以下步骤：

4、步骤1、针对偶然荷载对斜拉扣挂-缆索吊装施工安全风险事件的风险评估，确定与之相关的风险因素；

5、步骤2、针对偶然荷载对斜拉扣挂-缆索吊装施工安全风险事件，构建关键风险关系函数；

6、步骤3、依照关键风险关系函数，采用随机遍历法生成足够的数据样本点，并且利用迈达斯桥梁有限元对随机遍历法生成的数据样本点开始运算；

7、步骤4、采用bp神经网络方法建立输入、输出信息两者间的非直接表代联系；

8、步骤5、对待评估的桥梁，利用蒙特卡罗法在上述步骤后采用随机抽样的方式，再计算和分析数据样本点后得到风险概率，根据风险概率对高频震动作用和风荷载共同作用下斜拉扣挂-缆索吊装施工的风险进行评价。

9、进一步地，本发明的所述步骤1中的风险因素具体为：

10、依据对钢桁架斜拉桥梁扣挂-缆索吊装施工易出现破坏位置的探究，在高频震动作用和风荷载作用的耦合作用下，桥梁扣挂-缆索吊装施工中的主拱肋轴线偏移量以及拱脚产生应力较大集中的风险。

11、进一步地，本发明的所述步骤2中的关键风险关系函数具体为：

12、关键风险函数要同时考虑两种情况，列下：

13、l1＝d0-g1(a1,a2,…,ak)    (1)

14、l2＝σ0-g2(a1,a2,…,ak)    (2)

15、式(1)、式(2)分别为主拱肋应力值、主拱肋轴线偏移量的临界状态风险关系函数；式中a1,a2,…,ak为改变钢桁架桥梁主拱肋施工时风险元素，g1(x1,x2,…,xk)与g2(x1,x2,…,xk)分别是在受到钢桁架桥梁主拱肋施工不同风险元素下的应力值与偏移量；若l1、l2中其一为0以下时，则代表桥梁可能有风险产生。

16、进一步地，本发明的所述步骤3中的数据样本点具体为：

17、数据样本点的选取是采用随机遍历法，在高频地震合理范围内取值，并且其最佳取值数在20～24之间；在高频地震合理范围内取值，并且其取值数为20，即建立20个学习样本进行后期的有限元建模计算；采用迈达斯桥梁有限元建模软件对随机遍历法生成的数据样本点进行计算。

18、进一步地，本发明的所述步骤4中的方法具体包括：

19、利用matlab对20组高频地震作用下的数据样本点开始bp神经网络训练，采用mapminmax()函数对样本数据进行归一化处理，减少出现具有大量数据值的bp神经网络趋近于某一值较慢的情况；样本输入组数为3，输出组数为3，隐性层神经元数取为15，传输函数分别为tansig函数和purelin函数；当学习训练步数达到一定数量的步数时，误差符合原定目标区间，同时bp神经网络趋近于一个稳定的数值并停止了学习；如果原定学习训练要求的精度足够准确，则给予bp神经网络正确的信息后，生成输入变量和输出变量之间进行线性制表。

20、进一步地，本发明的所述步骤5的方法具体包括：

21、通过抽样获取x组数据样本点，根据x组数据样本点在迈达斯桥梁建模软件中进行模拟计算，获取x组函数数值；

22、若其中有函数数值出现l<0时，则判断为结构发生风险可能，在x组试验中出现l<0的组数为y；通过伯努利大数定理，若x→∞的情况下，钢桁架桥梁斜拉扣挂-缆索吊装施工风险概率用以下公式表示：

23、

24、在抽样次数达到一定数值后，高频地震作用对斜拉扣挂-缆索吊装施工的风险概率后趋于平缓，收敛在一定的风险概率数值，根据收敛后的风险概率数值进行钢桁架桥梁在斜拉扣挂-缆索吊装施工发生风险的判定。

25、本发明产生的有益效果是：本发明具有设计简洁，便于实施，考虑因素全面等优点；同时根据工程监测数据表明，桥梁施工中遭受震动荷载和风荷载共同作用，但关键位置的偏移和应力都在合理范围之内，与理论风险计算走势较为相符。本发明联合有限元与随机模拟预测的桥梁施工风险概率评估方法可以在斜拉扣挂-缆索吊装施工方面提供一定的参考。

技术特征：

1.一种联合有限元与随机模拟预测的桥梁施工风险概率评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的联合有限元与随机模拟预测的桥梁施工风险概率评估方法，其特征在于，所述步骤1中的风险因素具体为：

3.根据权利要求1所述的联合有限元与随机模拟预测的桥梁施工风险概率评估方法，其特征在于，所述步骤2中的关键风险关系函数具体为：

4.根据权利要求1所述的联合有限元与随机模拟预测的桥梁施工风险概率评估方法，其特征在于，所述步骤3中的数据样本点具体为：

5.根据权利要求4所述的联合有限元与随机模拟预测的桥梁施工风险概率评估方法，其特征在于，所述步骤4中的方法具体包括：

6.根据权利要求1所述的联合有限元与随机模拟预测的桥梁施工风险概率评估方法，其特征在于，所述步骤5的方法具体包括：

技术总结
本发明公开了一种联合有限元与随机模拟预测的桥梁施工风险概率评估方法，包括对不同风险因素即风荷载作用、高频震动作用等出现的概率值进行合理计算，通过蒙特卡洛‑BP神经网络‑有限元的方法，通过计算风险可能性方法的辅助，对高频震动作用和风荷载共同作用下斜拉扣挂‑缆索吊装施工的风险进行直观的评价。本发明具有设计简洁，便于实施，考虑因素全面等优点；同时根据工程监测数据表明，桥梁施工中遭受震动荷载和风荷载共同作用，但关键位置的偏移和应力都在合理范围之内，与理论风险计算走势较为相符。本发明联合有限元与随机模拟预测的桥梁施工风险概率评估方法可以在斜拉扣挂‑缆索吊装施工方面提供一定的参考。

技术研发人员：梁冠亭,蔡明霞,陈启荣,喻帆,何林,高海林,付军,李庆轩,李贯超
受保护的技术使用者：武汉市市政建设集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15