发布时间 : 星期三 文章基于神经网络算法的大型刚构拱桥有限元模型修正 - 图文更新完毕开始阅读
武汉理工大学硕士学位论文
同分担。荷载所产生的外力在梁拱内部自平衡体系中转换为结构内部作用力；而荷载对于拱梁组合结构外部约束条件所引起的总体受力效应，也因其构造特点而变成另一形式的作用效应，因而形成内力平衡体系[7]。拱、梁所受弯矩转换为由拱压力以及梁拉力承担的受力形式，整个体系由拱轴力提供的垂直分力来分担连续梁的剪力。
1.3 连续刚构拱桥的有限元模型修正研究现状
随着桥梁事业的不断发展，桥梁跨径不断增大，传统的桥梁有限元建模方式受到了一定程度的冲击，特别是在梁拱组合拱桥体系中，结构的复杂性更加凸显了模型修正的重要性，这也促使了有限元模型修正理论的进一步发展[8]。
20世纪60年代以来，国内外学者一直在致力于有限元预测模型与实际结构的吻合精确度提高的相关研究。在有限元建模领域一直存在预测模型计算值与实测值相差较大的问题，其原因一方面在于建模过程中的简化带来的误差，另一方面在于对建模参数特性、外部条件的理想化、实际工程中的施工操作从而导致的误差。为解决这一问题，最先发展起来的有限元修正方法是以系统的总体矩阵或子结构的总体矩阵为修正对象的矩阵型修正方法。Berman、Flannelly、Stetson等人[9]在这方面做了大量的基础理论拓展工作，之后矩阵型修正方法的研究一直方兴未艾。1994年，经过Ahmadian[10]研究，矩阵型修正方法由于虚元和负刚度等问题，并不适用于大型结构，因此设计参数型修正方法开始得到重视，逐渐发展起来。
设计参数型修正方法的物理意义明确，可以避免矩阵型修正方法的缺点，因此有着明显的工程意义。到目前为止，国内外学者在设计参数型修正方法方面做了大量卓有成效的工作，主要围绕动力分析的模态参数等方面开展。例如，1976年White基于模型特征值的特性提出参数摄动法，1989年Ojalvo[11]以系统的模态参数为灵敏度分析的考虑因素进行了模型的参数修正。齐丕骞[12]结合动力灵敏度分析与泰勒公式提出一种参数型修正方法。在基于静力分析的参数修正方面主要针对结构弹塑性特性展开，颜永先、胡美等人[13]采用线性加权法以及二次规划法将多个参数修正目标转化为单目标问题求解，将有限元模型转换为数学模型的方式进行修正。
目前，国内针对灵敏度分析的参数型模型修正的工作越来越多。陈彦江、
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程永欢等人[14]以三跨预应力混凝土连续刚构桥为背景，采用频域分解法和随机子空间法对结构模态频率的参数灵敏度分析创新了结构修正方法。张治成[15]在桥梁施工控制中的结构设计参数敏感性分析中，将施工控制目标转化为有约束的极小值问题，利用敏感因子公式对桥梁施工控制中的结构设计参数进行了修正。冯文贤等人[16]提出一种利用非完备实测模态参数修正有限元模型的迭代修正方法，有效改善了因振型自由度扩张引起的结构误差，试验证明该参数型修正方法效果良好。
结构位移与刚度直接相关，对于连续刚构拱桥的结构位移计算，以往一般是以杆件的形心轴线代表梁、柱，节点即为轴线相交的刚性点，采用传统的线弹性理论求解，而未考虑构件截面尺寸较大所产生的截面宽度对刚度的影响。在这方面日本学者最早提出了解决方案，青山博之[17]在对端节点、中节点受荷载作用下的结构计算中，提出了改善节点延性的设计建议。武藤清教授在有机玻璃模型实验中，通过研究发现刚域长度取值不但与构件截面尺寸有关，而且与节点的形式有关[18]。
欧美学者如T.Paulay、M.J.Priestley、N.W.Hanson[19]等人在早期的钢筋混凝土节点刚域领域都有过深入的探讨研究。Shimodaira通过有限元方法对“十”字形混凝土框架结构节点做应力分析，采用弹性结构模型针对裂缝及钢筋粘结等现象所做模拟表明，刚域的存在对于有限元模拟精度的提高有很大的帮助作用。Noguchi[20]采用非线性分析方法对混凝土结构的节点刚域问题进行探讨，研究了框架中梁柱重叠部分的钢筋—混凝土粘结现象对节点的影响，并对节点在反复荷载作用下的剪切破坏引起的滞回曲线退化问题进行了分析。
何少溪、田传谦等人[21]在对框架节点刚域长度取值的试验研究中，利用光弹性试验与有限元计算结合的方法，对各种节点形式下的内力表现等做出了研究。结果表明，梁柱的高度比、梁的高跨比、柱的线刚度等都对刚域的长度会有一定的影响，刚域长度没有一个定值，由此提出刚域理论长度的经验公式：
2??2???ha0? d?l??1??0.467????ll???????通过转角?a0与节点间的弯矩以及刚度比可以反推得到刚域长度。
近年来国内学者针对桥梁结构节点刚域的研究逐渐增多。朱鸣，张玉峰对节点刚域在不同的结构软件中的实现进行了分析与对比[22]。彭凌峰、邢良[23]研究了刚域效应对斜腿刚构桥的受力影响，并得到了一些有益的结论。张永健，
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黄平明等人[24]以斜拉式桁架桥为背景，探讨了节点刚域效应。刘晓琴，童登国[25]结合钢桁连续梁节点刚度试验测试与有限元计算结果，分析了节点刚域的特性，并提出了相关的建议。
神经网络是在现代神经生物学基础上发展起来的仿照人脑信息处理机制的信息系统。关于神经网络的研究开始于上世纪40年代，在最初的阶段，由McCulloch和Pitts等人引入阶跃阈值函数并用电路建立简单神经网络模型，称作BP模型，由于相关理论还不够成熟，之后神经网络研究一直处于探索期。Minsky在“Perceptron”一书中论证了线性感知机功能的局限性，在当时还找不到对于神经网络的有效计算方法，因此研究一度陷入低迷。1980年由芬兰学者Kohonen提出了自组织映射理论，对神经网络的研究发展起到积极的推动作用，在 Hopfield引入“计算能量函数”解决其中的关键性难题之后，关于神经网络的研究开始出现重要转机，新的神经网络模型不断被研发出来。1986年PDP小组创立的BP网络是一种按误差逆传播算法训练的多层前馈网络，之后BP网络成为应用最为广泛的神经网络模型之一。
随着研究的不断深入，神经网络方法被广泛应用到桥梁工程实际中来。Lieven和Atalla[26][27]利用神经网络修正了悬臂梁结构的动力模型；Hajela和James[28]运用BP网络将神经网络成功应用于桁架结构和钢筋混凝土梁的修正设计。Adeli[29]分别采用BP网络和CP网络对混凝土梁、简支板及侧向扭曲钢梁的性能进行了对比研究。
国内学者对神经网络的研究也进入到一个新的发展期，费庆国[30]采用基于神经网络的修正方法探索了非线性桥梁结构的有限元模型修正问题。王恒栋[31]利用人工神经网络的自适应、容错性、模糊性等特点评估了旧结构的使用性能。目前，神经网络的研究正由计算智能向生物智能的方向发展，可以预见神经网络在桥梁结构中的应用研究在今后将会有进一步的突破。
1.4 本文的主要工作
本文以湖北襄阳汉江五桥这一大跨度连续刚构拱桥为工程背景，研究分析建立该桥的整体有限元模型中几个关键因素的影响，并对拱脚构造复杂部位进行局部实体有限元分析；再基于襄阳汉江五桥成桥静载和动载试验结果，采用人工神经网络方法对所建立的初始有限元模型进行修正。重点对结构设计参数、
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内部构造复杂区域的质量、刚度特性进行了修正，以期为确定长期健康监测系统中的结构响应阈值提供准确可靠的有限元计算模型。
本文的研究内容具体包括以下几个方面：
（1）建立襄阳汉江五桥的MIDAS/Civil空间有限元模型，系统计算大桥在恒载作用下的位移、内力、应力等响应特性，深入分析研究以下三方面问题：
1）分别采用板单元与梁单元建立拱肋有限元模型的结构响应分析； 2）大跨度连续刚构拱桥成桥状态的索力优化方式对比；
3）桩土效应对大跨度连续刚构拱桥上部结构挠度及内力的影响。 （2）大跨度连续刚构拱桥的拱肋和箱梁在拱脚处相连，该区域构造特别复杂，用ANSYS建立该区域的局部有限元模型，对比分析ANSYS计算结果和MIDAS/Civil的计算结果，互相验证和修正。
（3）利用成桥静荷载试验，以建立的初始空间有限元模型计算结构响应与荷载试验结果详细对比，针对梁拱交汇处可能出现的刚域效应，结合结构物理参数的敏感性分析，利用人工神经网络的修正功能，对拱脚处刚域长度进行探讨研究，对建立的有限元模型进行修正，利用脉动试验结构的实测固有频率和振型对修正模型进行验证，从而得到襄阳汉江五桥合理可靠的有限元基准模型。
第二章 襄阳汉江五桥初始整体有限元模型计算分析
梁拱刚构组合体系桥梁的合理成桥状态的确定至关重要，合理成桥状态是指结构满足设计与规范要求，而且结构在某种目标上达到最优的一种状态[32]。成桥状态主要包括两个部分，即恒载与活载作用下的内力与位移。在合理成桥状态下，整个结构体系的受力按照一次成桥的方法计算，如果计算采用的参数有误，就会影响到结构的受力和线形状态，降低结构的可靠度。因此为了确保桥梁的安全性与经济性，需要利用结构构造与参数的可调性，确定最终的合理成桥状态，从而为工程预测提供良好的数据参考。
2.1 工程背景及有限元建模
襄阳汉江五桥是襄阳市内环线南段上的一座连续刚构梁拱组合特大桥，汉
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