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      2. 公路衡重式擋土墻優(yōu)化設(shè)計論文

        時間:2021-04-19 10:12:12 論文 我要投稿

        公路衡重式擋土墻優(yōu)化設(shè)計論文

          1優(yōu)化設(shè)計方法的必要性

        公路衡重式擋土墻優(yōu)化設(shè)計論文

          然而現(xiàn)在對于衡重式擋土墻的設(shè)計方法主要是:工程設(shè)計師根據(jù)自己的設(shè)計經(jīng)驗,同時參照已經(jīng)建成的衡重式擋土墻來確定墻型的選擇和斷面的尺寸,再進行驗算,看是否符合自己的實際設(shè)計。但是由于施工的地區(qū)各異,施工的真實情況就千差萬別,根據(jù)已建成的衡重式擋土墻來和實際套用一般很難達到匹配,這就需要在工程實際設(shè)計時,對已建成擋土墻數(shù)據(jù)進行增減變化,因為地基的不同,軟土類等特殊地基,還要根據(jù)承載力的大小做出符合要求的調(diào)整。以上的這種方法計算十分繁瑣,手工計算的難度很大,使得最后的調(diào)整幾乎是形同虛設(shè),只能加大工程的投入來處理。這樣套用已建成圖集的做法,對設(shè)計只是一個大概框架,沒有設(shè)計必要的各項數(shù)據(jù),加上認(rèn)識的不足,最后整個工程都因為這些人為因素導(dǎo)致投入巨大。因為缺乏準(zhǔn)確的設(shè)計數(shù)據(jù),衡重式擋土墻在工程建設(shè)時往往會出現(xiàn)這樣或那樣的問題,比如地基的承載力不足造成的墻體下沉開裂等;斷面的尺寸不準(zhǔn)確造成的墻體平衡失效,傾覆事故;所有材料不符合規(guī)格造成的墻體缺乏抗壓、抗剪的強度;處理不當(dāng)墻體后排水造成地基浸水、承載力下降。認(rèn)識到衡重式擋土墻建設(shè)施工設(shè)計的大量財力的損耗和安全事故多發(fā),很多專家也展開研究,設(shè)計出多種計算機語言來輔助衡重式擋土墻的設(shè)計,比如:Fortran,Basic等,但這些語言基本都停留在計算土壓力的單項項目上,以及利用復(fù)合形法和共軛梯度法等對重力式擋土墻的計算。針對這些局部優(yōu)化的不足,美國率先提出了遺傳算法的概念,實現(xiàn)由局部到全局的轉(zhuǎn)變,通過群體搜索技術(shù)、自然選擇和進化機制的運用,逐步實現(xiàn)計算全局的最優(yōu)解。

          2優(yōu)化設(shè)計的遺傳算法

          2.1遺傳算法應(yīng)用廣泛

          遺傳算法在計算求解問題的時候,具有一定的智能性,即算法可在進化的過程中對獲取信息組織自行搜索,個體適應(yīng)度大的通過遺傳操作進化出適應(yīng)性更強的后代,使得算法能根據(jù)問題本身尋求最優(yōu)解。在本質(zhì)上具有一定的并行性,即遺傳算法內(nèi)在的并行性和內(nèi)含的并行性。算法本身能夠就某一問題在分布式系統(tǒng)中各自獨立驗算,得出不同結(jié)果后再通過通信的比較,取得最佳個體。在種群搜索中,可以同時對空間內(nèi)多個區(qū)域檢索交互信息,在執(zhí)行比例運算時進行多倍次搜索,減少運算。算法本身并不復(fù)雜,對于已經(jīng)給定的問題,遺傳算法可以計算出多個潛在解,由使用者最終確定用哪個,設(shè)計上不需要其他輔助的知識,主要是建立搜索方向上的目標(biāo)函數(shù),以及響應(yīng)適應(yīng)度函數(shù),同時強調(diào)的是概率的轉(zhuǎn)換規(guī)則,應(yīng)用更加直接。

          2.2簡單算法存在不足

          簡單的遺傳算法在公路衡重式擋土墻設(shè)計上廣泛應(yīng)用,因其簡便的操作和優(yōu)于手工的準(zhǔn)確性,但整個算法本身也存在亟待解決的問題:編碼效率較低,在采取二進制較長的編碼計算時搜索效率較低,二進制串轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)也多有不便;求解問題時不一定得到最優(yōu)解,簡單算法在運行時個體性在群體中逐漸失去,誤導(dǎo)算法收斂為一個最優(yōu)解,到驗算的后期,群體的平均值更接近于最優(yōu)解,沒有了競爭,就難以改善搜索目標(biāo);在簡單算法中選取控制參數(shù)目前還無跡可尋,只能通過大量的實驗?zāi)M來確定;搜索的效率不高,算法在本質(zhì)上來說還是隨機性的一種優(yōu)化方法,它的內(nèi)在學(xué)習(xí)性幫助其搜索效率高于傳統(tǒng)的方法,可是與傳統(tǒng)數(shù)值優(yōu)化的方法相比,其局部的搜索能力還是有很大提高空間的。基于遺傳算法在公路衡重式擋土墻優(yōu)化設(shè)計方面的應(yīng)用廣泛,為工程建設(shè)提供了大量的數(shù)據(jù)支持,在簡單算法的基礎(chǔ)上加以改進,將本身的特點和問題知識為基礎(chǔ)的啟發(fā)式搜索結(jié)合,再加之傳統(tǒng)數(shù)值優(yōu)化的技術(shù),組成混合遺傳算法。解決了簡單遺傳算法局部的搜索能力較弱的問題,進一步為收斂速度的提高和解的品質(zhì)打下基礎(chǔ)。

          2.3算法優(yōu)化設(shè)計

          混合遺傳算法改進了編碼。遺傳算法不能直接對問題空間參數(shù)進行處理,而是需要把參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)檫z傳空間里按結(jié)構(gòu)排列的染色體、個體,用編碼來表示。二進制編碼受到編碼長、最優(yōu)解的臨近探索低效、解的進度不準(zhǔn)確等限制,改進為十進制的編碼,用一浮點的向量表示染色體,染色體長度(向量元素個數(shù))和解的向量相同。例如x=(x1,x2,x3,…,xi)為最優(yōu)解,y=(y1,y2,y3,…,yi)為染色體個數(shù),等于x=(x1,x2,x3,…,xi),即y=x,而yi=xi為染色體上面的第i個基因。混合遺傳算法處理了約束條件。在優(yōu)化的問題中可能包含等式和不等式的約束,要通過求解約束條件為等式的方程,代入后表示其他變量,化解為只含有不等式約束方程。另外,要保證染色體y的可行性,就要對遺傳操作中所得到每條染色體檢查和剔選。同時要考慮到一些隱含約束條件,加快搜索效率。數(shù)值化和競爭機制的運用;旌线z傳算法為了加快搜索和局部尋找最優(yōu)解的能力,在種群里選擇多個染色體,分別把這些染色體作為起始點,運用數(shù)值優(yōu)化的.技術(shù)在局部搜索,原個體被替換。格外注意初始點的選擇和數(shù)值優(yōu)化方法的選擇,數(shù)值優(yōu)化方法要和遺傳算法相互兼容,在接近最優(yōu)解時保持?jǐn)?shù)值穩(wěn)定和搜索效率。算法建立染色體的最佳庫存單元,加入對染色體的排列順序加以選擇,防止算法早熟與停滯。加入收斂準(zhǔn)則、終止條件等使得混合遺傳算法更完善。

          3優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用研究

          為真實分析設(shè)計優(yōu)化的使用情況,擬定一公路建設(shè)工程,內(nèi)容如下:設(shè)計荷載p1=800kN(p1為車輛),墻體應(yīng)用5.0號砂漿30號片石22.0kN/m3,容許壓力800kPa,容許彎曲應(yīng)力120kPa,容許剪應(yīng)力80kPa,容許拉應(yīng)力80kPa,砂性土重度18.0kN/m3(墻后填土),內(nèi)摩擦角35°,容許承載力500kPa,基底摩擦系數(shù)f=0.40,墻身分段長10m,外摩擦角為內(nèi)摩擦角的一半,墻身的容許偏心率[po]=0.25,附加組合為0.30,基地的容許偏心率為0.20。利用優(yōu)化設(shè)計程序,首先根據(jù)選定近似種群的規(guī)模參數(shù)Npop以及各決策基因的上下界求出間距(劃分網(wǎng)格)。Δh=[1Ntatal∏ni=1(xui-xli)]1/n。根據(jù)數(shù)據(jù)進行混合遺傳算法得出在墻體上的力學(xué)參數(shù),主要是墻身的最大壓應(yīng)力和剪應(yīng)力,最小拉應(yīng)力和基地最大壓應(yīng)力。在上墻的墻身方面壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的優(yōu)化率大,分別為42.9%和35.1%,剪應(yīng)力變?yōu)樨?fù)值,優(yōu)化率為100%。在墻底方面,墻底截面上的剪應(yīng)力優(yōu)化明顯,壓應(yīng)力雖然增大了一部分,但是能在保障基座發(fā)生沉降而發(fā)揮最大的地基承載力,優(yōu)化了受力性。

          4結(jié)語

          經(jīng)過以上對于公路衡重式擋土墻優(yōu)化設(shè)計方法與應(yīng)用的研究,我們深刻認(rèn)識到對于衡重式擋土墻的設(shè)計優(yōu)化在工程建設(shè)方面的巨大意義,正是因為有了優(yōu)化設(shè)計,才能有效緩解計算量大,且繁雜還難以得到最為經(jīng)濟合理設(shè)計方案的不足,通過結(jié)合實際的建設(shè)問題改進設(shè)計中的不足,推廣混合遺傳算法在公路的擋土墻設(shè)計中的應(yīng)用,使得衡重式擋土墻建設(shè)再上一個臺階。

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