基于粒子群算法的臨時支架優化分析

文章基于某高速公路樞紐立交工程的鋼箱梁匝道臨時支架設計，采用粒子群優化算法，以鋼材管徑和壁厚為優化參數，鋼材體積為優化目標函數，臨時支架的最大應力、最大位移、一階屈曲系數為約束條件，得到滿足安全性和經濟性的結構最優尺寸，并與原方案進行對比分析以驗證優化后的方案。結果表明：優化前后臨時支架的強度、剛度和穩定性均滿足要求，優化后臨時支架體積減少48.88%，優化效果顯著，對同類型結構優化設計具有一定的參考意義。

鋼箱梁安裝；臨時支架；優化設計；粒子群算法；優化模型

U445.46A260844

作者簡介：

黃登臣（1987—），工程師，主要從事公路施工管理工作。

0" 引言

高速公路樞紐立交工程是交通系統的重要部分［1］，鋼箱梁由于施工方便、穩定性好而廣泛應用于匝道橋中，而臨時支架在匝道鋼箱梁的架設中發揮著重要作用。臨時支架作為臨時的承重構件，其安全性和穩定性是橋梁結構施工安全的基礎，施工時大多考慮其臨時、方便、標準以及安全性［2］而忽略了經濟性。經濟性主要是所用鋼材量，對于在保證安全性條件下使鋼材的體積最小這一問題，通常是將其轉化為數學優化問題求解。對于結構優化問題，不少學者采用不同方法進行了研究，如粒子群算法［3-4］、遺傳算法［5］等。田劼等［6］研究雙聯自移式臨時支架優化問題時，提出了粒子群算法優化BP神經網絡的支架支撐力自適應控制方法，結果表明該方法控制效果優于傳統控制器。占玉林等［7］基于響應面法和粒子群方法優化了大跨鋼箱拱橋整體臨時提升支架，同時考慮結構的安全性與經濟性，該方法引入權重系數將多目標優化問題轉變為單目標優化問題，但是對于權重系數的選取未能給出確定性方法。可見，結構的安全性與經濟性是結構施工的重點，本文基于某高速公路樞紐立交工程的鋼箱梁匝道臨時支架設計，基于粒子群算法研究了滿足安全性和經濟性的結構最優尺寸，并與原方案進行對比分析，驗證了優化后臨時支架方案的安全性及經濟性。

1" 基于粒子群算法的優化方法

粒子群優化算法（Particle Swarm Optimization，PSO）是一種較成熟的基于元啟發的全局搜索算法［5］，通過一系列在解空間的粒子，采用位置和速度屬性不斷更新迭代，使粒子逐漸逼近目標函數。最優粒子分為個體最佳粒子和群體最佳粒子，每次迭代都根據速度和位置進行調整，經過大量的迭代最終得到最優參數以及最優目標

函數值。其中，粒子的更新過程可以表達為式（1）：

v（t+1）=ω（t）×v（t）+c1×r1×pp（t）-x（t）+c2×r2×pg（t）-x（t）x（t+1）=x（t）+v（t+1）（1）

式中：v——粒子t時刻的運動速度；

ω——慣性權重系數，可以取0.5～0.9；

c1、c2——粒子的個體學習因子和群體學習因子；

r1、r2——［0～1］之間的隨機數；

x——粒子的位置；

pp、pg——個體最優粒子和群體最優粒子。

本文采用粒子群優化算法具有魯棒性高、收斂速度快的特點，目標函數采用鋼材的體積，可以表達為式（2）：

f（x）=minV（x1，x2，x3...）st.xLlt;xlt;xU（2）

式中：f（x）——目標函數；

V——鋼材的體積；

x1、x2、x3——與體積相關的設計變量；

xL、xU——變量的下界和上界，即約束條件。

通過粒子群算法的優化，可以得到滿足目標函數的最優參數，但是對于復雜的空間結構，其安全性一般采用有限元計算，通過結構的最不利工況下的最大應力、最大位移以及屈曲穩定系數判斷。因此，本文安全約束條件通過ANSYS軟件建模計算，提取最大應力、最大位移以及一階屈曲系數與規范限制作為約束，從而逐步優化目標函數。為了實現自動優化過程，本文采用MATLAB軟件與ANSYS軟件聯合仿真，MATLAB調用ANSYS的代碼為system。

通過system命令實現優化流程自動化，優化過程中對滿足約束條件的粒子保留，經過數次迭代可以得到滿足安全性的最優參數。具體優化流程如圖1所示。

2" 工程應用

2.1" 工程概況

某高速公路樞紐立交工程主要分為A2、C2、D1號橋匝，其中C2橋匝共5聯，孔跨布置及結構形式為：（2×30）m預應力混凝土結構簡支T梁+（2×58）m鋼箱組合梁+2×（4×29.5）+（3×29.5）m預應力混凝土結構簡支橋面連續T梁，全橋共設6道伸縮縫，相比于A2、D1號橋匝跨度更大，因此本文選取C2橋匝臨時支架作為優化計算支架。汽車荷載等級為公路-Ⅰ級，地震動峰加速度值0.05 g，地震基本烈度為6度，設計使用年限為100年。匝道平面圖見圖2，其中C2橋匝道節段劃分為9段，分別為C2L1-2～C2L9-2，C1橋匝道節段對應分為C2L1-1～C2L9-1。

基于粒子群算法的臨時支架優化分析/黃登臣

該匝道原設計臨時支架結構如圖3所示。在橋段底板接口處設置多個H鋼短柱支撐，坡比同橋底板，在橋段對接口處通過此短柱調整標高使橋底板在同一平面，上面設置一根鋼橫梁，下面設置重型支撐鋼架。臨時支墩搭設前，通過實際放樣布設支墩位置，支墩鋼柱下方設置混凝土基礎。臨時支墩立柱由Q235材質426 mm×8 mm鋼管制作而成，并采用長0.8 m×寬0.8 m×厚2 cm的柱腳板來增加受力面積，鋼柱通過型鋼支撐連接成為一個整體，斜撐和橫撐采用140 mm×4 mm鋼管。

2.2" 有限元模型與荷載工況

采用ANSYS APDL軟件建立臨時支架有限元模型，如圖4所示。立柱、斜撐和橫撐鋼管以及頂部的工字鋼均采用梁單元BEAM188模擬，立柱鋼管底部固結約束，頂部于工字鋼耦合所有自由度，模型共節點100個、單元244個。

臨時支架荷載考慮最不利工況，即箱梁吊裝時的最大荷載，此工況C匝隔離欄處臨時支架為斜置，受力分布不均，增加四項荷載：（1）C2L1-1+C2L2-1重量的一半，即56.6/2=28.3 t，即單根短柱受力為28.3/2=14.15 t；（2）增加C2L1-2+C2L2-2+C2L3-2重量的一半，即81.66/2=40.83 t，即單根短柱受力為40.83/2=20.415 t；（3）增加C2L3-1重量的一半，即25.07/2=12.535 t，即單根短柱受力為12.535/2=6.268 t；（4）增加C2L4-2重量的一半，即31.61/2=15.8 t，即單根短柱受力為15.8/2=7.9 t。所加荷載如圖5所示。

2.3" 優化模型

假設臨時支架結構形式不變，鋼管的體積與立柱、橫撐、斜撐等相關，因此本文以立柱、斜撐和橫撐的管徑d和壁厚t作為優化參數，共有4個優化參數d1、d2、t1、t2。因此目標函數可以表達為：

f（x）=224πd21-（d1-2t1）24+437.205 5πd22-（d2-2t2）24（3）

式中：d1、d2、t1、t2——立柱、橫撐和斜撐的管徑和壁厚。

約束條件根據《公路橋涵施工技術規范》（JTG T3650-2020）、《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64-2015）、《鋼結構設計標準》（GB50017-2017）（以下簡稱《設計標準》），該臨時支架的剛度要求L/400=30 mm，強度要求215 MPa，穩定性（屈曲系數＞4.0）通過有限元模型計算得出。

2.4" 臨時支架優化

采用粒子群算法用MATLAB軟件進行優化，粒子群參數最大迭代次數MaxNum=200，粒子群規模particlesize=100，個體經驗學習因子、社會經驗學習因子分別為c1=2.0、c2=2.0，慣性權重取ω=0.8，粒子的最大速度取vmax=0.2。按照圖1所示流程編寫優化代碼，聯合ANSYS APDL進行優化分析，迭代過程適應度（目標函數）見圖6。可以看出，經過200次迭代結果已逐漸收斂于1.585。

優化結果見表1，可以看出優化前后的管徑和壁厚d1、d2、t1、t2分別減少了28.4%、25%、28.5%、25%，臨時支架的總體積減少了48.88%，相當于造價整體降低了48.88%。但是，由于優化后各參數經過解空間的打亂，得到的最優參數仍需進一步驗證以保證結構的安全性。

2.5" 優化結果驗證

先采用規范簡化驗算臨時支架的整體穩定性。查詢鋼結構截面特性參數可知，優化后臨時支架柱外間距為8.305 m×2.105 m，按管徑305 mm的箱型結構柱考慮其回轉半徑為ix1=802 mm，iy1=2 652 mm，臨時支架高度按l01=35 m計算；隔離欄處臨時支架柱外間距為12.305 m×2.105 m，按管徑305 mm的箱型結構柱考慮其回轉半徑為ix2=816 mm，iy2=3 836 mm，臨時支架高度按l02=28 m計算。臨時支架最大受力為C匝節段7～9組合重量的一半，即81.66 t，換算為壓力則為N1=816 600 N；綠化帶處臨時支架最大受力為C匝節段1～5組合重量的一半，立柱長細比為λx1=43.7、λy1=13.2、λx2=34.3、λy1=7.3，均＜［λ］=150，立柱剛度計算滿足要求。根據《設計標準》查附錄C得穩定系數x方向取B類截面，則φ=0.895，因此σ1=34.6 N/mm2，＜［σ］=215 N/mm2，因此臨時支架的整體強度和穩定滿足要求。

為了進一步驗證優化結果，將優化前后的設計參數帶回有限元模型中，計算其強度、剛度和穩定性。計算結果見表2，可知結構的位移優化后為29.6 mm，應力最大為156 MPa，一階屈曲系數為13.58，均滿足要求，臨時支架的安全性得到保證。

查看ANSYS軟件中的結構應力云圖、位移云圖以及屈曲系數，如圖7所示。可以看到，計算結果均與MATLAB軟件中的計算結果一致，各參數作用下臨時支架的位移、應力和屈曲系數均滿足規范要求。該臨時支架經過優化設計，在滿足安全要求的前提下，所用鋼材達到最小化。

3" 結語

臨時支架在匝道鋼箱梁的架設中發揮著重要作用，其安全性和穩定性是橋梁結構施工安全的基礎，臨時支架設計應同時考慮安全性和經濟性。本文基于粒子群算法，通過MATLAB軟件與ANSYS軟件聯合仿真，以鋼材管徑和壁厚為優化參數，鋼材體積為優化目標函數，臨時支架的最大應力、最大位移、一階屈曲系數為約束條件，得到滿足安全性的經濟設計參數，同時經過規范驗算、有限元計算驗證了優化前后臨時支架的強度、剛度和穩定性均滿足要求，優化后的臨時支架體積減少48.88%，優化效果顯著，對同類型結構優化設計具有一定的參考意義。

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20240410