基于遺傳算法的錨固結(jié)構(gòu)外露段動力特性研究

姚 鋒，劉方華

（湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201）

0 引 言

錨固是用埋設(shè)在地層中的錨桿把結(jié)構(gòu)物和地層緊緊的聯(lián)系在一起，依賴錨桿和地層的抗剪強(qiáng)度來傳遞結(jié)構(gòu)的拉力，使地層自身得到加固，保持結(jié)構(gòu)物與土體的穩(wěn)定性［1］.和傳統(tǒng)的方法相比，錨固特別是預(yù)應(yīng)力錨固有很多特點.梁和板是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件，錨具用在端部來對鋼筋施加預(yù)應(yīng)力，從而改變結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，增加了混凝土開裂強(qiáng)度，提高了結(jié)構(gòu)的變形剛度.因為預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性，先進(jìn)性，人們將它廣泛的用于大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋、采礦巷道支護(hù)、隧道地鐵支護(hù)等大型工程中，而且得到迅速發(fā)展.但是，由于受到材料、施工和地質(zhì)條件等因素的影響，錨固結(jié)構(gòu)在施工與使用過程中存在很多損傷，例如預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋腹板開裂.為了防止結(jié)構(gòu)發(fā)生事故，延長它使用時間，提高工程的可靠性和安全性，我們要對錨固質(zhì)量和受力狀態(tài)進(jìn)行檢測［2］.

由于錨固技術(shù)在各項工程中使用面寬，并多為隱蔽工程.研究錨固結(jié)構(gòu)外露段的動力特性為錨固質(zhì)量及受力狀態(tài)的無損檢測技術(shù)在大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋和地下工程等施工和后續(xù)監(jiān)管的質(zhì)量檢測和穩(wěn)定性評價方面的應(yīng)用提供了可靠的理論依據(jù).本文的研究不但具有理論價值，并具有廣泛的工程使用價值［3］.

1 單自由度振動模型的提出

圖1 豎向預(yù)應(yīng)力筋簡圖

在圖1中螺母與錨墊板兩真實粗糙表面間的接觸如圖2所示，

圖2 實際接觸表面

在水平方向?qū)β菽甘┘右粋€瞬態(tài)激勵時，粗糙表面微凸體的接觸點會產(chǎn)生微小的相對線位移和角位移，表現(xiàn)為切向剛度.在法向方向螺母與錨墊板之間存在壓力傳遞，切向剛度與法向荷載存在一一對應(yīng)的線性關(guān)系.因此，在只考慮考慮切向剛度的情況下，視豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋螺母為一個質(zhì)量系統(tǒng)，螺母與錨墊板的切向視為彈簧聯(lián)結(jié)，如圖3所示，建立基于單自由度的振動模型.

圖3 單自由度振動模型

在這個單自由度振動模型中，預(yù)應(yīng)力鋼筋、鋼筋上端螺母和下端螺母組成一個質(zhì)量體系，求解時可視為一個廣義的質(zhì)量m，K為切向剛度，F(xiàn)（t）為對上端螺母的水平瞬態(tài)激勵，瞬態(tài)激勵由連接在儀器上的激振器發(fā)出，在儀器上可讀出輸入的波形.在螺母的另一端安裝有加速度傳感器，可接收輸出波形.通過研究儀器顯示的輸入輸出波形，利用結(jié)構(gòu)動力學(xué)的逆問題來識別單自由度振動模型的系統(tǒng)參數(shù)，從而求解切向剛度K.

2 實驗?zāi)Ｐ偷慕⑴c試驗方案

2.1 實驗?zāi)Ｐ偷慕?/h3>

我們在實驗室建立了豎向預(yù)應(yīng)力試驗簡支梁模型，如圖4、圖5所示，梁高3.0m，長3.6m，寬1.2 m.支座長1.2m，寬0.5m，高0.6m.布置豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋，每排5根，共10根.每排每根豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋的實測間距大約控制在50cm左右.

圖4 模型正面設(shè)計圖

圖5 模型成品

2.2 試驗方案

試驗共計應(yīng)用5根豎向預(yù)應(yīng)力筋，在下端安置的壓力傳感器精確控制張拉力，從5～45t，5t為一級共9級的分級張拉.在每級張拉后，分別對5根鋼筋采集波形，用激振器對螺母的一端進(jìn)行水平激勵，在另一端安裝加速度傳感器接收響應(yīng).

3 K－T曲線的試驗研究

3.1 遺傳算法辨別系統(tǒng)參數(shù)

其中m是系統(tǒng)質(zhì)量，c為阻尼，k為切向剛度.

所以存在的矩陣方程：

單自由度系統(tǒng)動力參數(shù)反演的遺傳算法設(shè)計思路：根據(jù)遺傳算法的自適應(yīng)性，對已經(jīng)測得的系統(tǒng)動力響應(yīng)信號，在一定范圍內(nèi)隨機(jī)選出若干組動力參數(shù)m、c、k，代入式（1）中，就可以得到系統(tǒng)的加速度響應(yīng)函數(shù)，且和已經(jīng)測得的系統(tǒng)加速度響應(yīng)信號對比，分析比較后選取適應(yīng)值相對大的動力參數(shù)當(dāng)作父代.將父代進(jìn)行交叉與變異等一系列操作，又可以獲得幾組動力參數(shù)當(dāng)作子代，然后進(jìn)行前面的數(shù)值計算，判別適應(yīng)度函數(shù)，如此循環(huán)往復(fù).當(dāng)適應(yīng)度函數(shù)值趨于0時，就能夠獲得計算結(jié)果和原始信號最相近的一組動力參數(shù)，就是最優(yōu)解［4－7］.

遺傳算法設(shè)計就是確定適應(yīng)度函數(shù)、遺傳操作的方法和終止準(zhǔn)則.現(xiàn)作如下設(shè)計：

（1）確定解的空間范圍.系統(tǒng)動力的參數(shù)包括系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼、剛度，它們?nèi)Q于系統(tǒng)的力學(xué)性能與設(shè)計參數(shù)，本文中全部取1～10.

（2）種群進(jìn)行隨機(jī)初始化.

當(dāng)適應(yīng)度函數(shù)值趨于1時，并且最優(yōu)子代的適應(yīng)度值漸漸趨于平均值，計算結(jié)果與實測結(jié)果接近.

（4）確定遺傳操作的方法.本問題使用排序選擇，采用單點交叉、算術(shù)交叉和啟發(fā)式交叉進(jìn)行交叉操作，然后使用非均勻的變異操作來產(chǎn)出下一代.

（5）確定終止準(zhǔn)則.終止準(zhǔn)則是用來判斷程序是否停止的依據(jù)，一般可以取最大迭代數(shù)（即子代數(shù)），本文取100.

3.2 試驗結(jié)果與分析

在MATLAB窗口中輸入gatool，打開進(jìn)入遺傳算法工具.建立適應(yīng)度函數(shù)，用matlab編制適應(yīng)度函數(shù)的程序，再輸入變量個數(shù)以及3個變量的取值范圍，最后用迭代次數(shù)（100）作為程序終止準(zhǔn)則.

根據(jù)圖6可以看出，5根鋼筋的剛度K在5～40t的不同張拉力下呈線性遞增關(guān)系，張拉到45t時K值出現(xiàn)負(fù)增長.5根鋼筋張拉到相同噸位下，K值在較小范圍內(nèi)出現(xiàn)波動，只有張拉到45t時K值出現(xiàn)較大變化，曲線趨勢清晰.

圖6 K－T曲線圖

4 結(jié) 論

本文將豎向預(yù)應(yīng)力筋簡化為單自由度振動模型，在實驗室建立了豎向預(yù)應(yīng)力試驗簡支梁模型.用激振器對螺母的一端進(jìn)行水平激勵，用加速度傳感器在另一端接收響應(yīng).然后用遺傳算法進(jìn)行參數(shù)反演程序的設(shè)計和編寫工作，采用matlab工具箱計算結(jié)果.計算結(jié)果表明剛度K在5～40t的不同張拉力下呈線性遞增關(guān)系，張拉到45t時出現(xiàn)負(fù)增長，曲線趨勢清晰.本文為無損檢測技術(shù)在錨固結(jié)構(gòu)質(zhì)量及受力狀態(tài)上的應(yīng)用提供了理論依據(jù)與參考價值.

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