混凝土系杆拱桥非线性混合离散变量优化设计

论文摘要

混凝土系杆拱桥以其造型优美,受力合理、造价经济、施工方便及对不同地形地质条件具有较好适应性等特点被广泛采用。但设计普遍比较保守,无论在造价还是从各部分的协调或受力状态等都达不到最佳设计状态,因此,采用优化算法进行设计显得十分必要。首先,优化设计时,需要进行大量的结构重分析。目前所采用的桥梁结构分析商业软件不开放输入输出数据接口,不能作为子模块被优化主程序直接调用以实现完整的优化计算过程。其次,桥梁设计过程中的优化变量多为非线性约束、连续及离散变量混合,与连续变量优化算法相比,混合离散变量优化算法还不够成熟,本文针对这方面进行了有益的尝试。在总结前人研究成果的基础上,本文以一座混凝土系杆拱桥为背景,建立优化模型、应用非线性混合离散变量优化算法进行了优化设计。本文主要工作有：(1)编制有限元结构分析程序,可对系杆拱桥进行结构分析,与Midas软件计算结果进行对比,验证了本文程序的正确性,使得优化计算中的结构重分析成为可能；(2)对非线性混合离散变量算法优化程序进行改编和改进,使之适应了大型优化问题的求解；(3)以拱肋、吊杆和系杆的综合造价总和为目标函数,以拱肋应力、系杆应力、吊杆应力及活载引起的挠度为约束条件,建立优化数学模型；(4)采用本文程序对拱桥进行优化设计并将优化结果用Midas/civil程序进行全面检算,验证优化模型的合理性及优化结果的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 系杆拱桥的概述
• 1.1.1 系杆拱桥的概念及结构特点
• 1.1.2 系杆拱桥的分类
• 1.2 刚性系杆刚性拱体系桥的拱肋与吊杆张拉力设计
• 1.2.1 拱肋截面构造
• 1.2.2 拱肋线形
• 1.2.3 吊杆张拉力
• 1.3 工程背景
• 1.4 问题的提出
• 1.5 本文主要研究工作
• 第二章 有限元计算程序及全桥计算模型介绍
• 2.1 程序概述
• 2.2 程序原理
• 2.2.1 基本计算图式
• 2.2.2 计算图式的生成
• 2.2.3 徐变效应计算
• 2.2.4 活载最不利内力的动态规划法
• 2.2.5 预应力效应分析
• 2.2.6 吊杆张拉力的确定
• 2.3 程序总体框架图
• 2.4 全桥有限元模型介绍
• 2.5 程序计算结果的验证
• 2.6 本章小结
• 第三章 约束非线性混合离散变量优化方法
• 3.1 概述
• 3.2 混合离散变量优化的数学模型
• 3.3 算法基本理论
• 3.3.1 相对混合次梯度
• 3.3.2 适时约束
• 3.3.3 离散最优解的分布性质
• 3.3.4 离散最优解的收敛准则
• 3.4 算法的构造
• 3.4.1 算法构造的基本思想
• 3.4.2 离散初始点的产生
• 3.4.3 离散一维搜索技术
• 3.4.4 子空间轮变搜索
• 3.4.5 离散单位邻域内查点
• 3.4.6 算法终止准则
• 3.4.7 算法的步骤
• 3.5 原优化程序的改进
• 3.6 优化程序数值验证
• 3.7 本章小结
• 第四章 优化模型与分析
• 4.1 优化模型的建立
• 4.1.1 设计变量
• 4.1.2 约束条件
• 4.1.3 目标函数
• 4.1.4 优化规模与求解
• 4.2 优化结果对比分析
• 4.3 优化结果的验算
• 4.3.1 有限元模型
• 4.3.2 荷载组合
• 4.3.3 承载能力极限状态验算
• 4.3.4 正常使用阶段验算
• 4.3.5 活载作用下的变形验算
• 4.4 优化程序的适用性
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 存在的问题与展望
• 参考文献
• 致谢