陳濤

(深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司合肥設(shè)計(jì)院 安徽 合肥 230011)

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要以重復(fù)設(shè)計(jì)模式為主，按照假設(shè)、分析、校核以及重新設(shè)計(jì)的步驟，打開重復(fù)試算操作，獲得符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)方案。此種設(shè)計(jì)模式會(huì)過度依賴設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和能力，存在設(shè)計(jì)結(jié)果隨機(jī)性較大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)方案容易受到設(shè)計(jì)者自身的判斷力和經(jīng)驗(yàn)影響。為實(shí)現(xiàn)對(duì)跨境橋梁結(jié)構(gòu)截面的合理設(shè)計(jì)，做好設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，需要對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行創(chuàng)新和調(diào)整。遺傳算法作為優(yōu)化領(lǐng)域和計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中的關(guān)注重點(diǎn)內(nèi)容，將其運(yùn)用到截面優(yōu)化設(shè)計(jì)之中，能夠達(dá)到對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效優(yōu)化的效果，應(yīng)用價(jià)值相對(duì)較高。

1 濱河路項(xiàng)目基本情況介紹

本次工程位于合肥東部新中心地區(qū)，道路呈現(xiàn)為東西走向，全長(zhǎng)1 280 m，規(guī)劃紅線寬度32 m，北側(cè)綠線寬度10 m。采用雙向四車道機(jī)非分離布置模式，道路K0+386.642、K0+943.163 處分別與南淝河支流河道5、河道2相交，采取橋梁上跨河道設(shè)計(jì)方式，橋梁規(guī)模和結(jié)構(gòu)形式如表1 所示。

表1 橋梁規(guī)模及結(jié)構(gòu)形式

2 橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.1 上、下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上部采用35 m預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁設(shè)計(jì)模式，橋梁整體長(zhǎng)度為41 m，橫向按兩幅橋進(jìn)行設(shè)計(jì)，共設(shè)置11片小箱梁。下部結(jié)構(gòu)采用輕型橋臺(tái)模式，將鉆孔灌注樁作為基礎(chǔ)進(jìn)行整體工程施工。樁徑為1.2 m，樁基采用摩擦樁設(shè)計(jì)模式。

2.2 結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)

在進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)過程中，一方面，需要做好混凝土材料選擇和應(yīng)用，在設(shè)計(jì)階段科學(xué)地完成水灰比與各項(xiàng)參數(shù)，明確各項(xiàng)材料具體性能，保證混凝土能夠具備良好體積穩(wěn)定性與抗入侵性等方面能力，水泥與骨料等材料的性能和質(zhì)量可以滿足設(shè)計(jì)要求；另一方面，需要在進(jìn)行外形設(shè)計(jì)時(shí)盡量保持簡(jiǎn)潔，做好結(jié)構(gòu)的形狀設(shè)計(jì)與布置等各項(xiàng)操作，保證能夠有效避免有害物質(zhì)或水汽等在混凝土表面聚集。結(jié)構(gòu)外形需要有利于進(jìn)行混凝土振搗和后續(xù)養(yǎng)護(hù)施工，可以減輕荷載作用下的集中應(yīng)力和約束力。

3 遺傳算法

遺傳算法是基于達(dá)爾文進(jìn)化論和孟德爾遺傳學(xué)說，對(duì)有性繁殖過程與自然選擇進(jìn)行模擬，探索出最優(yōu)解法的算法模式。遺傳算法會(huì)通過模擬生物種群的方式，通過構(gòu)建初始群體的方法，利用類似于染色體的編碼模式，表示給定尋優(yōu)問題一個(gè)可能解[1]。會(huì)通過對(duì)串組成群體進(jìn)化過程進(jìn)行模擬的方法，類比生物適應(yīng)性，構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù)，確定種群成員，淘汰適應(yīng)性較差的個(gè)體，通過進(jìn)行概率控制的方式，對(duì)種群成員進(jìn)行變異和雜交處理，形成更加適應(yīng)環(huán)境的種群，實(shí)現(xiàn)代代優(yōu)化和改進(jìn)，獲得最優(yōu)解。與傳統(tǒng)優(yōu)化模式相比，遺傳算法優(yōu)化模式，對(duì)于優(yōu)化模型的要求相對(duì)較低，通用性相對(duì)較強(qiáng)。具有漸進(jìn)式優(yōu)化、智能搜索優(yōu)化等方面的優(yōu)勢(shì)，在工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化中有著不可忽視的價(jià)值。

橋梁截面設(shè)計(jì)屬于橋梁工程的基礎(chǔ)性設(shè)計(jì)內(nèi)容，傳統(tǒng)截面優(yōu)化設(shè)計(jì)多數(shù)僅限于普通混凝土結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)代工程會(huì)采用大量預(yù)應(yīng)力混凝土，加之傳統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化模式存在一定問題，所以并不建議橋梁截面設(shè)計(jì)繼續(xù)沿用傳統(tǒng)模式[2]?？梢越柚z傳算法的優(yōu)勢(shì)，對(duì)截面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)截面的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，保證能夠更好地完成工程建設(shè)任務(wù)。

4 遺傳算法在橋梁截面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

4.1 構(gòu)建截面優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

在進(jìn)行截面優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建設(shè)過程中，需要在確定結(jié)構(gòu)類型、材料以及布局等各項(xiàng)細(xì)節(jié)之后，對(duì)結(jié)構(gòu)各單元最優(yōu)截面尺寸進(jìn)行求解，以便獲得最優(yōu)化截面設(shè)計(jì)方案。其中，鋼截面優(yōu)化模型，存在結(jié)構(gòu)材料單一的特點(diǎn)，可以運(yùn)用目標(biāo)函數(shù)直接進(jìn)行截面積最小值獲取，進(jìn)而獲得重量最輕狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；在進(jìn)行混凝土截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，由于截面積最小混凝土結(jié)構(gòu)，會(huì)造成鋼筋過于密集的問題，會(huì)直接增加造價(jià)成本和施工難度，所以在對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型建設(shè)時(shí)，會(huì)將工程造價(jià)作為目標(biāo)函數(shù)，按照工程構(gòu)造要求，進(jìn)行截面尺寸的設(shè)置[3]。

設(shè)計(jì)變量選擇。影響橋梁造價(jià)因素相對(duì)較多，截面尺寸以及鋼筋面積等，都會(huì)對(duì)造價(jià)成本形成直接影響，但如果將所有參數(shù)均作為優(yōu)化變量進(jìn)行使用，會(huì)使求解過程變得極為復(fù)雜，所以只需要選取對(duì)造價(jià)起控制作用的參數(shù)即可。因?yàn)橹髁焊叨葧?huì)對(duì)工程造價(jià)產(chǎn)生較大影響，所以在進(jìn)行全面優(yōu)化處理過程中，會(huì)將截面有效高度作為優(yōu)化變量。通過一系列分析確定，在進(jìn)行截面設(shè)計(jì)過程中，需要通過適當(dāng)增加截面形心高度的方式，做好優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]。截面核心距能夠直觀地體現(xiàn)出運(yùn)營(yíng)階段承受荷載能力，核心距數(shù)值越大，所需要使用的預(yù)應(yīng)力鋼筋數(shù)量也會(huì)越小。通過模型分析發(fā)現(xiàn)，混凝土截面經(jīng)濟(jì)效率越高，混凝土材料沿梁高分布也會(huì)更加合理。需要通過適當(dāng)提升截面抗彎效率的方式，在進(jìn)行主梁間距布置過程中，如果吊裝重量沒有設(shè)置相應(yīng)限制，宜采用大主梁間距進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在將截面有效高度作為設(shè)計(jì)變量時(shí)，會(huì)通過構(gòu)造措施確定其余參數(shù)，將其視為預(yù)定參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在進(jìn)行鋼筋配制過程中，縱向主筋主要用于承受外部荷載，而其余外荷載和構(gòu)造會(huì)由其余鋼筋承擔(dān)，在進(jìn)行鋼筋優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)將選定鋼筋視為相等狀態(tài)，所以會(huì)將主機(jī)面積作為設(shè)計(jì)變量。在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土梁的鋼筋設(shè)置過程中，會(huì)將縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋作為設(shè)計(jì)變量，將其余部分鋼筋作為預(yù)定參數(shù)[5]。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)和部分預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)處于不同位置時(shí)，截面需要同時(shí)進(jìn)行普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋的配置，兩者均需要承受一定量的外部荷載。由于預(yù)應(yīng)力鋼筋和普通鋼筋價(jià)格存在一定差異，兩種鋼筋用量會(huì)對(duì)量造價(jià)產(chǎn)生直接影響，所以會(huì)將普通鋼筋面積和預(yù)應(yīng)力筋為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，其余部分鋼筋作為預(yù)定參數(shù)。

在上述分析過程中，會(huì)將造價(jià)作為量?jī)?yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通過設(shè)置相應(yīng)設(shè)計(jì)變量的方式，展開相應(yīng)遺傳計(jì)算，獲得最優(yōu)化的截面尺寸與其他各項(xiàng)數(shù)值，完成設(shè)計(jì)優(yōu)化任務(wù)。

4.2 遺傳算法在截面優(yōu)化中的程序?qū)崿F(xiàn)

完成截面優(yōu)化數(shù)學(xué)模型建設(shè)之后，需要利用遺傳算法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化模型求解，在計(jì)算機(jī)的幫助之下完成編程，展開相關(guān)優(yōu)化操作。優(yōu)化程序設(shè)置，主要包括遺傳算法計(jì)算部分與程序界面設(shè)計(jì)兩部分內(nèi)容。

在進(jìn)行程序界面設(shè)計(jì)時(shí)，強(qiáng)調(diào)需要保證界面友好狀態(tài)，能夠提高界面設(shè)置的靈活度和簡(jiǎn)潔適用性。在進(jìn)行計(jì)算部分設(shè)置過程中，需要保證計(jì)算效率和計(jì)算精準(zhǔn)度，要對(duì)橋梁優(yōu)化計(jì)算復(fù)雜性進(jìn)行充分考量，利用相關(guān)軟件完成計(jì)算操作，確保能夠通過對(duì)通用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)遺傳算法計(jì)算。

在進(jìn)行程序設(shè)置過程中，可以采用混合編程模式，按照遺傳算法的具體要求，在確定初始條件之后，進(jìn)行計(jì)算模塊設(shè)置和調(diào)用。需要對(duì)系統(tǒng)用戶界面進(jìn)行可視化編程，通過對(duì)各種計(jì)算引擎及軟件的合理使用，完成算法優(yōu)化[6]。優(yōu)化程序流程主要包括算法模塊、輸入模塊以及輸出模塊三部分內(nèi)容，其中在程序輸入部分，會(huì)設(shè)置輸入截面分類和變量上下限值等各項(xiàng)內(nèi)容，做好已知截面尺寸與各材料價(jià)格比等數(shù)據(jù)的輸入。使用者會(huì)按照變量取值范圍的不同，展開相應(yīng)操作。雖然會(huì)對(duì)優(yōu)化速度產(chǎn)生影響，但最終輸出部分優(yōu)化結(jié)果基本相同。

4.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)說明

在進(jìn)行截面優(yōu)化過程中，需要考慮到穩(wěn)定性、應(yīng)力以及應(yīng)變等各項(xiàng)情況，需要對(duì)約束問題進(jìn)行充分分析，通過針對(duì)性地調(diào)整做好約束條件的處理。因?yàn)檫z傳算法主要適用于無(wú)約束問題的優(yōu)化設(shè)計(jì)，所以需要保證能夠?qū)s束問題進(jìn)行合理處理，達(dá)到將有約束問題變?yōu)闊o(wú)約束化的狀態(tài)，確保能夠運(yùn)用罰函數(shù)法解決該項(xiàng)問題。罰函數(shù)也被稱為無(wú)約束最小化逼近法，會(huì)將問題約束函數(shù)以某種形式歸并到目標(biāo)函數(shù)之中，通過將約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無(wú)約束優(yōu)化問題的方式，根據(jù)解數(shù)序列完成對(duì)原問題可行性的分析，進(jìn)而保證原有約束問題能夠以無(wú)約束的形式進(jìn)行處理。在對(duì)罰函數(shù)進(jìn)行應(yīng)用過程中，會(huì)將約束條件添加到適應(yīng)度函數(shù)之中，可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定，越不符合約束條件的罰函數(shù)數(shù)值會(huì)越高，所得到相應(yīng)適應(yīng)度函數(shù)數(shù)值會(huì)越小，可以通過此種方法將約束條件信息加入適應(yīng)度函數(shù)中進(jìn)行計(jì)算。

4.4 實(shí)際應(yīng)用分析

在利用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)處理過程中，需要從最初方案開始，展開相應(yīng)計(jì)算。但如果在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，沒有對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行人為性的限制范圍，會(huì)造成其取值范圍過大的問題，而按照工程經(jīng)驗(yàn)附加約束條件，也可能會(huì)造成人為對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)置約束條件的狀況，所以需要對(duì)編碼和解碼方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過設(shè)置一組或幾組類似限制條件的方式，再進(jìn)行深度搜索。在進(jìn)行搜索時(shí)，需要根據(jù)相應(yīng)條件對(duì)限制條件進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便獲得最優(yōu)化結(jié)果。在使用遺傳算法過程中，需要對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行科學(xué)篩選和管控，做好交叉概率、變異概率以及種群規(guī)模等各項(xiàng)數(shù)值的控制。在對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行使用過程中需要注意：軟件使用存在約束條件多、設(shè)計(jì)變量大的特點(diǎn)，目標(biāo)函數(shù)計(jì)算工作量相對(duì)較大，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題形成一定負(fù)面影響，應(yīng)確定最佳群體規(guī)模。需要解決計(jì)算機(jī)費(fèi)用和優(yōu)化結(jié)果問題，做好優(yōu)化軟件通用性和計(jì)算量之間的平衡，確保能夠在規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在運(yùn)用軟件完成有效高度、預(yù)應(yīng)力筋用量等各項(xiàng)數(shù)值的計(jì)算之后，需要根據(jù)具體的工程設(shè)計(jì)要求，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)，并在確定無(wú)誤之后，按照計(jì)算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化方案設(shè)置。

在對(duì)預(yù)應(yīng)力筋布置方式進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，因?yàn)槠浜蜆蛄航Y(jié)構(gòu)體系、受力情況等有著密切關(guān)聯(lián)，所以在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼筋的布置過程中，不僅要考慮規(guī)定構(gòu)造要求，同時(shí)還要對(duì)后續(xù)施工便利性、結(jié)構(gòu)受力要求等進(jìn)行充分考慮。強(qiáng)調(diào)需要對(duì)錨具形式進(jìn)行合理選擇，保證其和預(yù)應(yīng)力鋼筋形式的匹配度，確保整體鋼筋布置能夠在滿足結(jié)構(gòu)受力要求的同時(shí)，防止出現(xiàn)引起過大結(jié)構(gòu)次內(nèi)力的情況。對(duì)材料經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn)性進(jìn)行充分考量，盡量避免使用多次反向曲率和極限小半徑處理的方式。在進(jìn)行起拱度的設(shè)計(jì)過程中，需要通過精準(zhǔn)估算，預(yù)估出最大起拱度數(shù)值，做好預(yù)應(yīng)力混凝土梁體的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，預(yù)設(shè)下?lián)隙龋瑢?shí)現(xiàn)對(duì)上拱度的有效控制。需要對(duì)預(yù)應(yīng)力筋張拉施工質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制，保證梁底邊受壓均勻程度，防止出現(xiàn)單邊受力變形問題，保證預(yù)應(yīng)力筋管道鋪設(shè)平順程度，減少摩阻力損失。對(duì)加密定位網(wǎng)進(jìn)行使用，將其和鋼筋骨架連接在一起，保證管道不會(huì)輕易移動(dòng)，防止在進(jìn)行混凝土澆筑過程中出現(xiàn)波紋管浮動(dòng)的問題。在張拉之后，對(duì)梁體變形問題進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)存在起拱超標(biāo)問題，需要在保證橋下凈空度的前提下，適當(dāng)降低臺(tái)頂支點(diǎn)和蹲支點(diǎn)，抵消其拱超標(biāo)所造成的橋面過高問題。需要在保證結(jié)構(gòu)承載能力能夠達(dá)到要求的同時(shí)，對(duì)橋面鋪裝厚度進(jìn)行重新調(diào)整，重新進(jìn)行拉坡處理，以便保證最終的截面建設(shè)質(zhì)量，確保優(yōu)化設(shè)計(jì)方案能夠?yàn)闃蛄航孛娌糠值母哔|(zhì)量建設(shè)起到良好指導(dǎo)作用。

4.5 優(yōu)化結(jié)果分析

在解決本次工程截面設(shè)計(jì)問題時(shí)，技術(shù)人員對(duì)鋼筋混凝土梁各項(xiàng)情況展開了充分分析和研究，確定了荷載計(jì)算彎矩值與其他各項(xiàng)數(shù)值，并以各項(xiàng)數(shù)值為依據(jù)，對(duì)截面展開了優(yōu)化處理。將各項(xiàng)數(shù)據(jù)輸入計(jì)算程序之后，優(yōu)化計(jì)算程序開始啟動(dòng)，開始根據(jù)要求逐步對(duì)各項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算之后，鋼筋與截面面積等均得到了相應(yīng)調(diào)整，有效高度和其他各項(xiàng)數(shù)值的設(shè)置，在經(jīng)過檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，也處于較為理想的狀態(tài)。

在完成所有優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，為保證整體設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用質(zhì)量，不會(huì)出現(xiàn)后續(xù)返工等一系列問題，技術(shù)人員對(duì)結(jié)果進(jìn)行了校核檢驗(yàn)。按照計(jì)算結(jié)果和配筋情況，技術(shù)人員對(duì)撓度和裂縫寬度等數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果顯示，撓度數(shù)據(jù)符合設(shè)置要求，并不需要進(jìn)行預(yù)拱度的設(shè)置。如果由于特殊情況需要展開預(yù)拱度的設(shè)置，也可以運(yùn)用程序完成相關(guān)數(shù)值的計(jì)算。此外，在對(duì)裂縫寬度進(jìn)行校驗(yàn)之后發(fā)現(xiàn)，裂縫寬度符合規(guī)范要求。經(jīng)過上述分析可以確定，本次設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)截面的切實(shí)優(yōu)化，減少不必要的工程成本投入，達(dá)到了預(yù)期優(yōu)化目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)濱河路項(xiàng)目基本情況的介紹，對(duì)遺傳算法在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用方式展開了深度探討。由于截面設(shè)計(jì)屬于整體橋梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性內(nèi)容，所以需要進(jìn)一步加大對(duì)截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究力度，掌握截面部分優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)。需要根據(jù)遺傳學(xué)算法的具體處理方案，制訂出較為合理的截面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，保證能夠利用遺傳算法完成設(shè)計(jì)的最優(yōu)解獲取，通過制訂出可行性較高的優(yōu)化方案，來實(shí)現(xiàn)對(duì)截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的切實(shí)優(yōu)化，保證中小跨徑橋梁項(xiàng)目建設(shè)質(zhì)量，為地方交通發(fā)展和建設(shè)奠定良好基礎(chǔ)。