大跨度桥梁顶推施工临时墩布置及导梁参数多目标优化方法: 以天津市滨海新区西中环快速路跨海河工程主桥为例

侯旭丰; 杨维汉; 朱劲松; 陶友海; 张必猛; 尚力

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2503802

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (9) :3978-3985 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503802

交通运输

大跨度桥梁顶推施工临时墩布置及导梁参数多目标优化方法: 以天津市滨海新区西中环快速路跨海河工程主桥为例

侯旭丰 ¹ ,
杨维汉 ² ,
朱劲松 ²^,^* ,
陶友海 ¹ ,
张必猛 ¹ ,
尚力 ¹

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Multi-objective Optimization Method of Temporary Pier Layout and Guide Beam Parameters for Incremental Launching Construction of Long-span Bridges: The Main Bridge of Haihe River Crossing on the West Central Ring Expressway in Binhai New Area, Tianjin

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摘要

为获取大跨度桥梁顶推施工临时墩间距、导梁长度及刚度的最优参数,优化主梁内力线形,节约材料成本,提出一种基于非支配排序遗传算法Ⅱ(non-dominated sorting genetic algorithm Ⅱ,NSGA-Ⅱ)遗传算法的主梁线形及材料成本优化方法。以临时墩最大支反力与主梁截面最大应力为约束条件,建立临时墩间距、导梁长度及刚度与顶推就位主梁线形及材料成本的多目标优化模型。该方法通过NSGA-Ⅱ遗传算法迭代求解ANSYS顶推施工全过程杆系模型,进行联合仿真优化。通过快速非支配排序与精英保留策略得到Pareto前沿优化解集,最后通过逼近理想解排序法(technique for order preference by similarity to an ideal solution,TOPSIS)选出最佳方案。通过具体工程分析,得到的Pareto优化解集收敛性好,可根据不同目标侧重从中选取设计参数,最终推荐临时墩间距59 m,导梁长度35 m,导梁刚度为主梁的0.15倍。研究结果可为相关工程施工方案设计提供参考。

Abstract

In order to obtain the optimal parameters of temporary pier spacing, guide beam length and stiffness in launching construction of long-span bridges, optimize the internal force alignment of main girder and save material cost, an optimization method of main girder alignment and material cost based on non-dominated sorting genetic algorithm Ⅱ(NSGA-Ⅱ) genetic algorithm was proposed. Taking the maximum reaction force of the temporary pier and the maximum stress of the main beam section as the constraint conditions, a multi-objective optimization model of the temporary pier spacing, the length and stiffness of the guide beam and the alignment and material cost of the jacking in place main beam was established. The NSGA-Ⅱ genetic algorithm was used to iteratively solve the bar system model of the whole process of ANSYS launching construction, and the joint simulation optimization was carried out. The Pareto front optimization solution set was obtained by fast non-dominated sorting and elite retention strategy. Finally, the best solution was selected by technique for order preference by similarity to an ideal solution(TOPSIS). Through specific engineering analysis, the Pareto optimal solution set obtained has good convergence, and the design parameters can be selected according to different objectives. Finally, it is recommended that the temporary pier spacing is 59 m, the length of the guide beam is 35 m, and the stiffness of the guide beam is 0.15 times that of the main beam, which can provide reference for the design of related engineering construction schemes.

Graphical abstract

关键词

城市桥梁 / 顶推施工 / 临时墩间距 / 导梁参数 / 多目标优化

Key words

municipal bridge / incremental launching construction / temporary pier spacing / guide beam parameters / multi-objective optimization

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侯旭丰, 杨维汉, 朱劲松, 陶友海, 张必猛, 尚力. 大跨度桥梁顶推施工临时墩布置及导梁参数多目标优化方法: 以天津市滨海新区西中环快速路跨海河工程主桥为例[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(9): 3978-3985 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503802

HOU Xu-feng, YANG Wei-han, ZHU Jin-song, TAO You-hai, ZHANG Bi-meng, SHANG Li. Multi-objective Optimization Method of Temporary Pier Layout and Guide Beam Parameters for Incremental Launching Construction of Long-span Bridges: The Main Bridge of Haihe River Crossing on the West Central Ring Expressway in Binhai New Area, Tianjin[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(9): 3978-3985 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503802

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顶推法因其施工设备简单、对既有交通影响小、占地少、无需大型吊装设备且能保障桥下通航或通行连续性等优势,已成为我国大跨度连续梁桥建设的重要工法之一,并不断实现技术革新^[1-2]。

顶推施工过程中主梁各截面弯矩正负交替、受力复杂,导梁^[3]的运用能够有效改善梁体的受力状况,增大主梁的跨越能力,当桥梁跨度较大时,往往需要设置临时墩^[4]。合理的临时墩布置与导梁设计参数的选取能够有效改善顶推过程中主梁受力,因此临时墩间距与导梁参数优化成为顶推法施工的研究重点。田仲初等^[5]对导梁参数的合理取值问题进行研究,得出了导梁与主梁的刚度比在0.15~0.30为宜。董创文等^[6]采用力法建立等跨连续梁三弯矩方程,推导出导梁合理参数的计算方法,得出导梁抗弯刚度合理取值应为主梁抗弯刚度的0.2倍。王卫锋等^[7]通过位移法建立平衡方程,得出导梁长度与顶推跨度比值最优为0.65,导梁与主梁刚度比值最优为0.19。Fontan等^[8]考虑结构力学性能,采用数值解析优化方法得到导梁重度、长度、刚度的最优解。冀伟等^[9]采用位移法建立节点平衡方程,提出双导梁参数设计方法,得出最优长度比、单位荷载集度比及抗弯刚度比分别为0.78、0.14及0.39。王卫锋等^[10]指出在顶推跨径大于50 m时候,才需设置临时墩,并基于节点平衡方程推导出临时墩最优间距范围。康俊涛等^[11]采用位移法建立各临时支点平衡方程,推导出顶推过程中临时墩间距最优取值范围。周浩等^[12]采用结构力学解析法,构建数学模型,确定出最优临时墩间距与最优顶推节段长度,并采用Midas/Civil进行验证,证明了该方法的有效性。王旭飞^[13]建立支点转角位移方程,得出了等跨连续钢箱梁桥顶推施工临时墩最优布置。许为民等^[14]基于GSA-SVR算法构建钢箱梁局部应力预测模型,预测不同临时墩间距与导梁参数下局部最大应力。Sun等^[15]建立多目标优化模型,采用粒子群算法作为多目标优化主算法,构建局部应力代理模型,得到临时墩间距与导梁长度最优Pareto解集,并基于各目标权重讨论了优化解的选取。

现有临时墩间距及导梁参数优化通常采用结构力学解析法求解,然后利用有限元模型进行验证。采用多目标优化算法进行的研究没有考虑导梁刚度参数的优化设计,优化过程中没有对主梁应力和临时墩支反力进行约束,优化解集中存在应力超限的优化方案。针对目前研究的不足,现提出一种基于非支配排序遗传算法Ⅱ(non-dominated sorting genetic algorithm Ⅱ,NSGA-Ⅱ)遗传算法的临时墩间距及导梁参数优化方法。首先,以临时墩间距、导梁长及刚度为优化变量,以顶推施工过程主梁应力与临时墩支反力为约束条件,建立关于材料成本与顶推就位线形的多目标优化模型;其次,建立顶推施工全过程有限元杆系模型,求解结构响应;最后,通过NSGA-Ⅱ算法进行迭代寻优得到优化解集,利用逼近理想解排序法(technique for order preference by similarity to an ideal solution,TOPSIS)决策得到最佳优化方案。以期为相关工程施工方案设计提供参考。

1 临时墩间距多目标优化问题

1.1 多目标优化概述

顶推施工过程中临时墩间距、导梁长度及刚度对施工线形、施工成本及主梁受力等方面有重要影响。临时墩间距过大时会导致顶推施工过程中主梁应力过大,甚至造成梁体破坏;临时墩间距过小,会造成临时墩数量增多,增加材料成本。导梁可减小顶推过程中梁体受力,增大主梁顶推跨径,导梁长度及刚度的参数合理选取是保证顶推施工全过程顺利实施的关键。在满足主梁顶推线形平顺与受力安全下,减少临时墩数量与导梁钢材用量是提高顶推施工经济效益的重要手段。考虑到主梁顶推就位线形与施工成本相互制约,不可能同时使线形与成本达到最优。需要综合考虑临时墩间距、导梁长度及刚度的组合设计,寻求相对最优设计方案。因此,可将顶推施工过程中临时墩间距、导梁长度及刚度优化作为一个多目标优化问题进行求解,得到满足顶推施工安全前提下的Pareto优化解集,为工程设计提供参考。

如图1所示建立临时墩布置及导梁参数多目标优化模型,在永久墩柱L范围内设置N个临时墩,得到最优临时墩间距X_i、导梁长度D及刚度EI_g的优化解集,优化主梁顶推就位线形与材料成本。

1.2 优化变量选取

对于顶推法施工而言,临时墩布置不仅影响着主梁和临时墩的受力性能,同时决定着临时墩材料成本;导梁的长度、刚度参数的合理取值能够有效地减小顶推过程中结构内力。因此,考虑到对结构受力安全、线形平顺和施工成本的重要影响,选取临时墩间距、导梁长度及刚度为优化变量。

在不受地质条件的限制下,临时墩间距采用等跨布置最为合理,临时墩各跨跨径X_i应满足:处于临界跨径内,临界跨径的取值由主梁最大悬臂能力、通航条件及经济性决定;临时墩间距布置处于总顶推跨径范围内。根据相关学者的研究可知,导梁长度是依赖于临时墩间距的非独立变量,与最大顶推跨径相关,导梁长度宜取最大顶推跨径的0.60~0.70倍。导梁刚度过小会导致主梁出现过大的负弯矩峰值,过大会导致钢材的浪费,通常根据主梁刚度进行选择,定义导梁刚度与主梁刚度比为β,导梁与主梁合理的刚度比为0.15~0.30。优化变量的取值为

(1)$\left\{\begin{array}{ll}\sum {X}_{i}=L,& {X}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}\le {X}_{i}\le {X}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\\ D=\alpha {X}_{i},& {\alpha }_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}\le \alpha \le {\alpha }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\\ E{I}_{\mathrm{g}}=\beta E{I}_{\mathrm{m}},& {\beta }_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}\le \beta \le {\beta }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\end{array}\right.$

式(1)中:X_i为临时墩间距;X_max、X_min分别为临时墩间距的取值上下限;D为导梁的设计长度;α为导梁的长度系数;α_max、α_min分别为导梁长度系数取值上下限;β为导梁的刚度系数;β_max、β_min分别为导梁刚度系数取值的上下限;EI_g为导梁的刚度;EI_m为主梁的刚度。

1.3 约束条件

顶推过程中,临时墩支反力不仅是临时墩承受的主要荷载,而且是步履式千斤顶顶升力控制的主要依据,同时也是主梁局部应力的关键影响因素,若临时墩支反力过大,可能会使千斤顶支撑处主梁局部应力过大,从而导致梁体破坏,造成安全隐患。因此,作为顶推过程中结构安全性重要控制指标,必须严格控制临时墩最大支反力。顶推过程中主梁受力形式复杂,随着千斤顶支点位置的不断变化,主梁内力出现不断正负交替的现象,为确保施工安全,必须严格控制主梁截面应力。考虑到临时墩支点反力与主梁截面应力的重要性,为确保顶推全过程结构安全、优化方案合理可靠,以顶推施工全过程临时墩最大支反力与主梁截面最大应力作为约束条件。

(1)临时墩最大支反力不超限。以R_i表示顶推过程中临时墩的最大支反力,[R]表示支点容许反力,约束条件为

(2)${R}_{i}<\left[R\right],i=\mathrm{1,2},\dots,n$

(2)主梁截面最大应力不超限。以σ表示顶推施工全过程中梁截面的最大应力,[σ]表示梁截面的容许应力,约束条件为

(3)$\sigma <\left[\sigma \right],i=\mathrm{1,2},\dots,n$

在迭代计算过程中,若某个体出现临时墩支反力或主梁截面应力超限,则淘汰超限个体,确保优化结果满足工程安全需求。

1.4 目标函数选取

1.4.1 材料成本

临时墩与导梁作为顶推施工中重要临时结构,所需钢材数量较多,围绕临时结构钢材用量建立材料成本目标函数。顶推施工过程中通常各临时墩构造一致,单个临时墩钢材用量一致,故临时墩个数决定着临时墩材料成本;导梁刚度影响导梁截面型钢的选型,从而决定导梁的单位重度,因此导梁刚度与导梁长度决定导梁材料成本。构建材料成本目标函数F₁为

(4)${F}_{1}={A}_{1}N{B}_{1}+D{\gamma }_{\beta }{B}_{2}$

式(4)中:A₁为单个临时墩钢材用量,t/个;B₁为临时墩钢管单价,t/万元;D为导梁长度,m;γ_β为导梁单位重度,t/m;B₂为导梁型钢单价,t/万元。

1.4.2 顶推就位线形

顶推施工过程中主梁线形是施工过程中的关键控制项,顶推就位后,往往还需进行桥上结构施工,顶推就位后的主梁线形对后续施工精度影响显著,故选取顶推就位后主梁线形作为目标函数F₂。通过ANSYS空间杆系模型计算得到顶推就位后主梁关键节点竖向变形值,统计关键节点变形值的均方差作为目标函数评价顶推就位后主梁线形偏差,均方差可以直观反映主梁各节点位移偏差情况,均方差越小,代表顶推就位线形越接近制造线形,越利于后续桥上结构施工。构造顶推就位线形目标函数F₂为

(5)${F}_{2}=\sqrt{\frac{1}{n}\stackrel{n}{\sum _{i=1}}({x}_{i}-\stackrel{-}{x})}$

式(5)中:n为关键节点个数;x_i为各关键节点竖向位移值;$\stackrel{-}{x}$为关键节点位移均值。

使材料成本与顶推就位线形偏差达到最小,临时墩间距及导梁参数优化总目标为

(6)$\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}\left\{\begin{array}{l}{F}_{1}={A}_{1}N{B}_{1}+L{\gamma }_{\beta }{B}_{2}\\ {F}_{2}=\sqrt{\frac{1}{n}\stackrel{n}{\sum _{i=1}}({x}_{i}-\stackrel{-}{x})}\end{array}\right.$

2 多目标优化问题求解

临时墩间距多目标优化过程主要分为多目标优化数学模型建立与基于NSGA-Ⅱ遗传算法优化求解两部分。考虑到临时墩与导梁的重要性明确优化变量,对临时墩最大支反力与主梁应力进行约束确保顶推施工过程中结构安全,以顶推就位线形偏差与材料成本构建目标函数,建立主梁顶推施工多目标优化数学模型。调用ANSYS参数化模型计算得到顶推施工全过程结构响应,利用NSGA-Ⅱ多目标优化算法进行寻优,迭代计算得到Pareto解集,采用TOPSIS法决策得到最佳方案。

2.1 NAGA-Ⅱ遗传算法

带精英策略的快速非支配排序NSGA-Ⅱ遗传算法是基于Pareto最优理念而提出的多目标优化算法,通过快速非支配排序和拥挤度距离的机制,能够实现多个目标函数间的有效的权衡,并生成种群多样性好、分布均匀的非支配解集,为决策者提供多个最优选择。与NSGA相比,NSGA-Ⅱ引入了精英保留策略,保证了种群中优良个体的多样性,同时提高了优化结果的准确性;快速非支配排序算法降低了算法的复杂度,提高了排序效率。这使得NSGA-Ⅱ成为解决多目标优化问题的有效工具,能够有效解决非线性优化问题,因此选择NSGA-Ⅱ遗传算法作为多目标优化问题的求解算法。

2.2 多目标优化求解流程

优化求解过程主要通过MATLAB、ANSYS交互实现,ANSYS参数化模型计算结构响应,MATLAB对计算结果进行评估,通过非支配排序与精英保留策略筛选优良个体,交叉变异繁衍优良方案,迭代寻优得到Pareto前沿优化方案,程序具体流程如图2所示。

具体求解步骤如下。

(1)设置初始参数:种群数量、交叉变异概率、最大迭代次数、临时墩最大支反力及主梁最大应力限值。

(2)随机生成初始种群:随机生成若干数量初始种群,后续在初代种群基础上生成子代种群进行迭代计算,将种群参数信息输出为Input.txt文件供ANSYS读取。

(3)目标函数计算:MATLAB调用ANSYS参数化模型计算顶推施工全过程临时墩支反力、主梁应力及顶推就位主梁竖向位移,将计算结果输出为Output.txt文件供MATLAB读取计算。若满足约束条件则按式(6)计算目标函数值,反之则淘汰个体。

(4)非支配排序拥挤度计算:根据目标函数值的优劣程度将种群分成不同等级,如图3所示,保留主梁线形好且材料成本低的高层级种群。

(5)生成子代种群:通过父代种群交叉变异繁衍子代种群,计算子代种群目标函数及非支配排序层级。

(6)筛选优良种群:合并父代种群与子代种群,进行非支配排序与拥挤度计算,采用精英保留策略如图4所示,选择出Pareto前沿等级高、拥挤距离小的优良个体组成新种群。

(7)生成Pareto前沿解:重复步骤(4)~步骤(6)直到迭代次数达到设定值maxGen,计算输出Pareto优化解集。

2.3 优化方案评价

临时墩间距多目标优化方案评价属于多属性决策问题,应采取综合决策方法进行评价。TOPSIS法^[15]是一种常用的有限方案多属性分析决策方法,能充分利用原始数据的信息计算各种方案的“正理想解”与“负理想解”程度,通过比较评价方案与“正理想解”的贴近度和与“负理想解”的远离度,对Pareto优化解集中优化方案进行评估并排序,其结果能精确地反映各评价方案之间的差距。选取TOPSIS法从Pareto解集中寻找最优方案,优化方案评价流程如下。

(1)目标函数矩阵正向化:通过最大目标函数值F_max减去各方案目标函数值F_i,将顶推成桥线形与材料成本转换成极大型指标,得到正向化目标函数矩阵F为

(7)$F=\left[\begin{array}{llll}{F}_{11}& {F}_{12}& \dots & {F}_{1n}\\ {F}_{21}& {F}_{21}& \dots & {F}_{2n}\end{array}\right]$

(2)正向矩阵标准化:将正向化矩阵标准化,统一两组目标函数值量纲,均衡评价指标,得到标准化正向目标函数$\overline{{F}_{\mathrm{i}\mathrm{j}}}$为

(8)$\overline{{F}_{ij}}={F}_{ij}/\sqrt{\stackrel{n}{\sum _{j=1}}{{F}_{ij}}^{2}}$

(3)计算评价方案相对贴近度:通过式(9)计算目标函数值与正理想解间的距离${D}_{i}^{+}$与负理想解间的距离${D}_{i}^{-}$,得出各方案相对贴近度C_i,C_i数值越大表明方案越优。

(9)$\left\{\begin{array}{l}\begin{array}{l}{D}_{i}^{+}=\sqrt{\stackrel{n}{\sum _{j=1}}({F}_{ij}-{F}_{j}^{+})}\\ {D}_{i}^{-}=\sqrt{\stackrel{n}{\sum _{j=1}}({F}_{ij}-{F}_{j}^{-})}\end{array}\\ {C}_{i}={D}_{i}^{-}/({D}_{i}^{-}+{D}_{i})\end{array}\right.$

3 工程应用

3.1 工程概况

天津市滨海新区西中环快速路跨海河工程主桥为单跨410 m下承式简支提篮钢箱系杆拱桥,钢梁由两边钢系梁与正交异性桥面板及横梁、挑臂组成,总长度421.6 m,标准桥宽60 m,桥面最大宽度64 m。主梁共划分为47个节段,标准段长9 m,每次拼装3个标准节段后进行顶推,标准节段横断面如图5所示。

钢梁采用顶推法施工,拼装平台位于32号墩墩位南侧,拼装平台长38 m,钢导梁采用工字形直腹板截面,顶推就位后拱梁结合段原位拼装,后续在桥面上进行拱肋低位拼装与整体提升。为确保顶推过程顺利实施,需在L₁临时墩与33号永久墩之间设置若干临时墩,并选取合理的导梁参数。临时墩布置如图6所示,在L₁临时墩与33号永久墩间335 m范围内设置N个临时墩,临时墩跨径为X_i。由于33号永久墩位置施工限制,最后一跨跨径应大于17 m:当最后一跨跨径大于等于17 m时,取总跨径与前N-1跨跨径差值;当最后一跨跨径小于17 m时,取17 m。

3.2 优化模型建立及求解

3.2.1 有限元模型

使用ANSYS有限元软件进行顶推施工全过程分析,采用生死单元模拟顶推施工钢箱梁节段拼装过程;通过循环判断命令设置步履式千斤顶支座移动工况,每顶推1 m设置一个施工工况,全桥共计350个顶推工况。考虑到顶推施工工况较多,为提高迭代效率,钢箱梁与导梁均采用beam4单元模拟。钢箱梁与导梁采用Q355钢材,弹性模量为2.06×10⁵ MPa,密度为7 850 kg/m³。由图6钢箱梁标准节段横断面计算可得,钢箱梁标准断面竖向抗弯惯性矩为5.15 m⁴。顶推就位有限元模型如图7所示,主梁尾端最左侧约束横桥向与纵桥向,最左侧两竖向支点为拼装平台支点,最右侧竖向支点为33号永久墩。将临时墩间距、导梁长度及刚度设置为参数化变量,采用 MATLAB输出Input.txt文件供ANSYS读取优化变量信息,将顶推施工全过程支反力、应力及位移计算结果输出为Result.txt文件供MATLAB读取计算。

3.2.2 优化模型参数取值

相关学者^[10,18]从经济性角度分析,认为顶推跨径大于50 m时设置临时墩较为合理,临时墩顶推跨径越小越利于施工,现有工程案例临时墩间距多大于40 m,从施工安全与方案多样性角度出发,将临时墩间距下限值X_min取40 m。根据有限元模型计算可得,当钢箱梁悬臂达到80 m时,导梁前端位移超过500 mm,此时达到导梁临界上墩挠度,故临时墩间距上限值X_max取80 m。导梁长度为最大顶推跨径0.60~0.70倍^[14],刚度为主梁刚度的0.15~0.30倍^[2]时较为合理,因此,导梁长度系数α取0.60~0.70,导梁刚度系数β取0.15~0.30。单组临时墩支反力特征值为顶推梁总重除以临时支点总数,临时墩支反力特征值乘以系数K_i得到容许反力,K_i通常取1.2~1.5^[19],本工程取1.4计算得到容许反力[R]为30 000 kN。顶推施工过程中Q355钢材容许应力[σ]为296 MPa。根据施工设计数量表统计得到,单个临时墩钢材用量A₁为50.38 t,临时墩钢管单价B₁为4.0 万元/t,导梁型钢单价B₂为3.9 万元/t,导梁单位重度γ_β为10.8β t/m代入式(4)计算可得目标函数F₁。每间隔5 m提取主梁节点顶推就位竖向位移,全桥共计76个线形提取点,代入式(5)计算得到目标函数F₂。优化模型相关参数取值如表1所示。

3.2.3 多目标优化结果分析

设定NSGA-II遗传算法交叉概率为0.8,变异概率为0.05,初始种群为50,最大迭代次数为100次^[20]。求出Pareto优化解集如图8所示,Pareto前沿面上的每一个点都代表一组优化设计方案,且每一组优化变量在一定程度上都是最优的。由图8可见,Pareto优化解集收敛性较好,结果具有多样性和丰富性,成桥线形偏差与材料成本负相关。在Pareto优化解集中,最左侧的解表明顶推施工过程中,材料成本最小,线形偏差最大;最右侧的解表明顶推施工过程中,线形偏差最小,材料成本最大。

Pareto前沿面上每组设计方案具有不同的线形偏差和材料成本,顶推施工设计临时墩及导梁时,可以根据具体需求选择某一组设计参数,如最小材料成本或最小线形偏差。同时,也可以从图8中的Pareto优化解集中根据不同工程需求选择折中优化方案。从TOPSIS多属性决策法、最优线形偏差与最优材料成本角度各选取一组最优方案如表2所示,临时墩布置如图9所示。

由主梁顶推就位线形对比图10可知,临时墩间距越小,钢箱梁竖向位移越小、线形偏差越小、越接近制造线形。由各工况钢箱梁最大应力图11可知,钢箱梁最大应力随着临时墩间距增大而增大;最大悬臂工况时钢箱梁应力达到峰值;最优线形工况方案临时墩间距偏小,拼装3次节段后,钢箱梁最大应力趋于稳定。由各工况临时墩最大反力图12可知,临时墩最大反力与临时墩间距正相关;节段拼装工况与最大悬臂工况临时墩反力较大,顶推三跨后最大反力趋于平稳。

3种优化方案结果对比如表3所示,最优成本方案材料成本为1 077万元,主梁最大应力为203 MPa,临时墩最大支反力为25 762 kN;最优线形方案材料成本为1 904万元,最大应力为46 MPa,最大支反力为20 912 kN。TOPSIS决策方案相较于最优成本方案,增加一定的材料成本,提高了顶推施工过程中结构安全富余度;相较于最优线形方案,显著节约了材料成本。综合考量,推荐TOPISIS决策方案作为本文研究工程设计方案。

4 结论

为优化顶推施工临时墩布置及导梁参数设置,提出一种基于NSGA-Ⅱ遗传算法的临时墩间距、导梁长度及刚度多目标优化设计方法,通过ANSYS、MATLAB联合仿真得到Pareto优化解集,采用TOPSIS法决策得到最优方案。通过案例分析得出以下结论。

(1)将临时墩间距、导梁长度和刚度作为联合优化变量,建立以材料成本和顶推就位线形为双目标的优化模型,弥补了既有研究仅优化单一参数影响的局限,实现了多因素协同作用下的整体性能提升。

(2)基于ANSYS杆系模型与NSGA-Ⅱ算法,提出了MATLAB-ANSYS耦合的协同优化框架,实现了高效迭代计算,采用快速非支配排序和精英保留策略提升Pareto解集的收敛性与多样性,可为工程实践提供科学的参考依据。

(3)以顶推施工全过程临时墩最大支反力及主梁最大应力为约束条件,可确保得到的Pareto优化解集满足顶推施工安全要求。

(4)采用TOPISI法决策得到的优化方案,在保证结构安全的条件下,能充分节约材料成本。推荐最优方案优化变量取值为:临时墩间距为59 m,导梁长度为35 m,导梁刚度取主梁的0.15倍。所推荐的临时墩布置与导梁参数设置优化方案可供施工设计时参考。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	赵人达, 张双洋. 桥梁顶推法施工研究现状及发展趋势[J]. 中国公路学报, 2016, 29(2): 32-43.

[2]	Zhao Renda, Zhang Shuangyang. Research status and development trendon incremental launching construction of bridges[J]. China Journal of Highway and Transport, 2016, 29(2): 32-43.

[3]	王晓磊, 刘畅, 张鹏, 等. 复杂曲线钢槽梁跨线顶推施工关键技术: 以响堂铺 2 号大桥为例[J]. 科学技术与工程, 2023, 23(32): 14004-14013.

[4]	Wang Xiaolei, Liu Chang, Zhang Peng, et al. Key technology of cross-line incremental jacking construction of complex curved steel channelbeam: taking Xiangtangpu No. 2 Bridge as an example[J]. Science Technology and Engineering, 2023, 23(32): 14004-14013.

[5]	王晓磊, 刘畅, 张鹏, 等. 响堂铺 2 号大桥钢槽梁顶推施工导梁落梁方案分析[J]. 科学技术与工程, 2023, 23(27): 11828-11834.

[6]	Wang Xiaolei, Liu Chang, Zhang Peng, et al. Guide beam falling scheme of steel channel beam jacking construction of Xiangtangpu No. 2 Bridge[J]. Science Technology and Engineering, 2023, 23(27): 11828-11834.

[7]	范红波, 傅中秋, 刘锦军, 等. 钢箱梁横隔板优化布置对顶推施工力学性能的影响分析[J]. 施工技术(中英文), 2024, 53(12): 64-70, 106.

[8]	Fan Hongbo, Fu Zhongqiu, Liu Jinjun, et al. Analysis of the influence of optimized layout of steel box girder transverse partitions on the mechanical performance of top push construction[J]. Construction Technology (Chinese and English), 2024, 53(12): 64-70, 106.

[9]	田仲初, 张华平. 顶推施工中导梁的合理配置[J]. 世界桥梁, 2005(4): 41-43, 47.

[10]	Tian Zhongchu, Zhang Huaping. Reasonable arrangement of launching nose in incremental launching construction[J]. World Bridges, 2005(4): 41-43, 47.

[11]	董创文, 李传习. 连续梁顶推导梁合理参数的确定方法[J]. 公路交通科技, 2010, 27(9): 55-62.

[12]	Dong Chuangwen, Li Chuangxi. Method for determination of reasonable parameters of launching nose for continuous beam[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2010, 27(9): 55-62.

[13]	王卫锋, 林俊锋, 马文田. 桥梁顶推施工导梁的优化分析[J]. 工程力学, 2007(2): 132-138.

[14]	Wang Weifeng, Lin Junfeng, Ma Wentian. Optimization analysis of bridge incremental launching construction guide beam[J]. Engineering Mechanics, 2007(2): 132-138.

[15]	Fontan A N, Diaz J M, Baldomir A, et al. Improved optimization formulations for launching nose of incrementally launched prestressed concrete bridges[J]. Journal of bridge Engineering, 2011, 16(3): 461-470.

[16]	冀伟, 邵天彦. 多跨连续梁桥顶推施工双导梁的优化分析[J]. 浙江大学学报(工学版), 2021, 55(7): 1289-1298.

[17]	Ji Wei, Shao Tianyan. Optimization analysis of double launching noses during launching construction of multi-span continuous girder bridge[J]. Journal of Zhejiang University(Engineering Science), 2021, 55(7): 1289-1298.

[18]	王卫锋, 林俊锋, 马文田. 顶推施工中临时墩位置对梁体制造误差的影响[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2006(9): 76-79, 89.

[19]	Wang Weifeng, Lin Junfeng, Ma Wentian. Effect of location of temporary pier in incremental launching construction on manufacture error of girder[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2006(9): 76-79, 89.

[20]	康俊涛, 张旭, 范杰, 等. 钢箱梁顶推法施工临时墩优化布置及安全控制研究[J]. 公路, 2015, 60(9): 103-108.

[21]	Kang Juntao, Zhang Xu, Fan Jie, et al. Research on incremental launching of temporary pier layout optimization and safety control of steel box girder[J]. Highway, 2015, 60(9): 103-108.

[22]	周浩, 黄方林, 周德, 等. 顶推施工中临时墩位置和主梁节段长度优化研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2020, 17(11): 2840-2848.

[23]	Zhou Hao, Huang Fanglin, Zhou De, et al. Research on optimization of temporary pier position and girder segment length in the incremental launching construction[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2020, 17(11): 2840-2848.

[24]	王旭飞. 单箱多室多跨连续钢箱梁桥顶推施工优化分析[D]. 兰州: 兰州交通大学, 2022.

[25]	Wang Xufei. Optimization analysis of incremental launching construction of single-box multi-chamber and multi-span continuous steel box girder bridge[D]. Lanzhou: Lanzhou Jiaotong University, 2022.

[26]	许为民, 贺鹏, 路辉, 等. 基于GSA-SVR的超宽钢箱梁顶推施工全过程局部最大应力预测[J]. 公路交通科技, 2021, 38(S1): 41-47.

[27]	Xu Weimin, He Peng, Lu Hui, et al. Prediction of local maximum stress of ultra wide steel box girder during incremental launching construction process based on GSA-SVR[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2021, 38(S1): 41-47.

[28]	Sun Y, Tai X X, Liu K, et al. Determining launching construction parameters of superlong super wide bridges: a multi-objective optimization method using machine learning techniques[J]. Structures, 2022, 41: 15-28.

[29]	Deb K, Pratap A, Agarwal S, et al. A fast and elitist multiobjective genetic algorithm: NSGA-II[J]. IEEE Rransactions on Evolutionary Computation 2002, 6(2): 182-197.

[30]	艾长发, 黄恒伟, RAHMAN A, 等. 基于熵权的TOPSIS钢桥面防水黏结材料组合体系优选分析[J]. 中国公路学报, 2020, 33(3): 53-63.

[31]	Ai Changfa, Huang Hengwei, Rahman A, et al. Optimum selection analysis of waterproof bonding materials for steel bridge deck based using entropy weight-TOPSIS[J]. China Journal of Highway and Transport, 2020, 33(3): 53-63.

[32]	刘小光. 钢箱梁顶推施工仿真计算与受力分析[D]. 长沙: 长沙理工大学, 2011.

[33]	Liu Xiaoguang. Simulation calculation and stress analysis of steel box girder jacking construction[D]. Changsha: Changsha University of Science and Technology, 2011.

[34]	董创文, 李传习, 张玉平, 等. 变曲率竖曲线梁顶推过程支点标高调整方案确定的单步模数搜索合成法[J]. 土木工程学报, 2015, 48(1): 101-111.

[35]	Dong Chuangwen, Li Chuanxi, Zhang Yuping, et al. Single-step modulus search and composition method for determining the scheme of support elevation adjustment during girder launching with vertically varied curvatures[J]. China Civil Engineering Journal, 2015, 48(1): 101-111.

[36]	卜康正, 赵勇, 郑先昌. 基于NSGAⅡ遗传算法的地铁隧道上方基坑工程优化设计[J]. 铁道科学与工程学报, 2021, 18(2): 459-467.

[37]	Bu Kangzheng, Zhao Yong, Zheng Xianchang. Optimization design for foundation pit above metro tunnel based on NSGAⅡ genetic algorithm[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2021, 18(2): 459-467.

基金资助

国家自然科学基金(52378310)

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Received	Published	Revised
2025-05-21	2026-03-28	2025-11-10
Online Date
2026-06-02

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