基于時(shí)序信息的橋梁施工工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力建模分析

摘 要：為了準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和分析連續(xù)橋梁的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力，提出基于時(shí)序信息的橋梁施工工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力建模分析方法.分析關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之間的受力情況，聚合關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力信息；應(yīng)用注意力機(jī)制，計(jì)算連續(xù)橋梁施工工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)極限承載力；利用平面參數(shù)化設(shè)計(jì)方法并結(jié)合時(shí)序信息，設(shè)計(jì)連續(xù)橋梁施工工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參數(shù)，構(gòu)建橋梁施工工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力模型.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用該設(shè)計(jì)模型得到的連續(xù)橋梁關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受力誤差較小，低至0.04 kPa，具有較高的準(zhǔn)確性.

關(guān)鍵詞：時(shí)序信息；注意力機(jī)制；連續(xù)橋梁施工；工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)；承載力；建模

中圖分類號(hào)：U446

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

在橋梁施工工程中，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的承載力是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)工程的安全性和穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響［1］.然而，由于復(fù)雜的施工過程和不確定的環(huán)境因素，準(zhǔn)確估計(jì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的承載力并非易事.在進(jìn)行連續(xù)橋梁的承載力設(shè)計(jì)時(shí)，主要需要考慮到承載能力極限狀態(tài)及持久狀況應(yīng)力情況，需要根據(jù)橋梁正截面及斜截面進(jìn)行分析，同時(shí)也需要考慮其抗剪強(qiáng)度與變形程度等綜合性因素［2］.

目前，在連續(xù)橋梁的施工建模上，更偏向于常規(guī)的綜合性建模，但在橋梁關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的承載力上，并沒有很深入細(xì)致地進(jìn)行研究，因此，本文提出基于時(shí)序信息的橋梁施工工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力建模分析方法.時(shí)序信息是時(shí)間序列之間的關(guān)聯(lián)，通過信息之間的關(guān)聯(lián)性達(dá)到事物的關(guān)聯(lián)［3］.注意力機(jī)制是循環(huán)時(shí)間序列的并行機(jī)制，通過結(jié)合并行性，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度遞歸與歸納，使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備專注于特征的能力.注意力機(jī)制的運(yùn)用范圍較廣，可以運(yùn)用于多種類型的輸入，并且對(duì)其輸入的限制較?。?］.將注意力機(jī)制運(yùn)用于連續(xù)橋梁關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的承載力建模中，可以將有限的資源分配給更加重要的關(guān)鍵點(diǎn).注意力機(jī)制主要分為2種，一類是聚焦式注意力機(jī)制，該類注意力機(jī)制的注意意識(shí)為有意識(shí)注意對(duì)象，另一類為顯著性注意力，主要是受外部刺激，從而導(dǎo)致無意識(shí)的注意力轉(zhuǎn)移.通過時(shí)序信息與注意力機(jī)制，可以選擇源語(yǔ)言中的輔助信息，縮短信息傳遞的距離［5］.為了提高估計(jì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力的精確性，本研究參照傳統(tǒng)的連續(xù)橋梁施工工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力建模方法，在基于時(shí)序信息和注意力機(jī)制情況下，對(duì)連續(xù)橋梁施工工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力進(jìn)行建模分析.

1 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力建模

1.1 聚合關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力信息

為建立連續(xù)橋梁施工工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力模型，聚合關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力信息［6-8］，根據(jù)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)信息的位置關(guān)系，關(guān)聯(lián)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)部位之間的受力影響信息，建立關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的承載力離散變量函數(shù)表達(dá)式為，

η（x；y）=∑χ（x，y）logχ（x，y）χ（x）χ（y）（1）

式中，χ（x，y）為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力聯(lián)合概率函數(shù)，χ（x）和χ（y）為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力邊緣概率函數(shù).在承載力受力中，由于受力因素眾多，且為離散狀態(tài)，所以參考離散函數(shù)的公式，將受力影響因素的重疊區(qū)域用函數(shù)表達(dá)式表示為，

β（A∩B）=∑G（A∩B）logG（A∩B）G（A）G（B）（2）

式中，G（A∩B）為承載力重疊區(qū)域的影響因素信息，G（A）與G（B）分別表示為區(qū)域的面積占比，通過將關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力的重復(fù)區(qū)域面積進(jìn)行分析，增加無重疊部分的關(guān)聯(lián)度，降低重疊部分的關(guān)聯(lián)度，得到最終的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力信息聚合結(jié)果.

1.2 基于注意力機(jī)制計(jì)算關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)極限承載力

在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力聚合信息結(jié)果基礎(chǔ)上，使用注意力機(jī)制，計(jì)算連續(xù)橋梁施工工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力［9-10］.以密集向量形式嵌入時(shí)序信息的時(shí)間序列，通過在向量上施加線性嵌入層，使用注意力機(jī)制嵌入聚合信息，強(qiáng)制控制嵌入編碼在-1～1之間，設(shè)承載力的序列事件表示為，

e={（ti，ji）}li=1（3）

式中，ti為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力的計(jì)算條件，ji表示為承載力的類別，i={1，2，……，i}.在輸入層嵌入序列事件，將連續(xù)橋梁的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)間隔向量進(jìn)行拼接，得到承載力線性嵌入層的向量表達(dá)式，用公式表達(dá)為，

wem=dwc（4）

式中，d為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的類別向量，wc為間隔矩陣，根據(jù)嵌入層的向量表達(dá)式，可以得到關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力可訓(xùn)練的模型，用函數(shù)表達(dá)為，

em=concat（wem，Δt）（5）

式中，Δt為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置間隔向量，Concat（.）為拼接運(yùn)算，根據(jù)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的承載力訓(xùn)練模型，在結(jié)合承載力序列事件的基礎(chǔ)上，增加關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力的注意力［11］.同時(shí)，為了增加關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置的靈活性，便于靈活計(jì)算承載力迭代的靈活性，加入自適應(yīng)的迭代停止機(jī)制，通過線性變換，得到關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力強(qiáng)度的函數(shù)表達(dá)式為，

Q=softplus（emtanh（μ+（r－e）exp（－μ+f）））（6）

式中，μ為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的卷積增強(qiáng)次數(shù)；r為次數(shù)的靈活性；e為承載力注意力；f為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位置，關(guān)聯(lián)承載力訓(xùn)練模型，完成對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)極限承載力的計(jì)算.

1.3 基于時(shí)序信息的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參數(shù)

基于極限承載力計(jì)算結(jié)果，使用時(shí)序信息詳細(xì)設(shè)計(jì)連續(xù)橋梁施工工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參數(shù)［12-14］，以平面參數(shù)化設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)連續(xù)橋梁的關(guān)鍵構(gòu)建參數(shù)，其設(shè)計(jì)流程如圖1所示.

先使用設(shè)計(jì)軟件將關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的草圖設(shè)計(jì)出來，根據(jù)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的外形特征，添加結(jié)構(gòu)約束，同時(shí)按照一定方向添加距離數(shù)據(jù)，使得截面的圖形得到完美約束.對(duì)于不含圓弧的n邊形的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，則其距離與角度的約束個(gè)數(shù)總和為2n-3.根據(jù)時(shí)序信息的信息參數(shù)，設(shè)置初始圖形的自由度為a，則在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的自由度變化過程中，先拆解直線端交點(diǎn)處的重合約束，以增加2個(gè)自由度，通過加入圓弧，增加5個(gè)自由度，則相對(duì)完備約束的條件為距離和角度約束個(gè)數(shù)為2n-3+m.以梁截面為例，箱梁的主要結(jié)構(gòu)為頂板與腹板，在參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)只考慮半邊結(jié)構(gòu)，以原點(diǎn)為起點(diǎn)，先設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的草圖，再添加水平約束，若其自由度不為0，則添加約束條件，直到被完全約束，如圖2所示.

在完整界面的基礎(chǔ)上，添加顯式結(jié)構(gòu)約束，并添加尺寸約束，以已有輪廓為基礎(chǔ)，添加距離約束，使之滿足相對(duì)位置的主從關(guān)系［15］.對(duì)截面進(jìn)行標(biāo)注，直到截面圖形滿足完備約束，其約束參照?qǐng)D如圖3所示.根據(jù)約束參照?qǐng)D，添加結(jié)構(gòu)的尺寸約束表，見表1.

根據(jù)約束條件，得到截面尺寸參數(shù)，從原點(diǎn)出發(fā)，建立相關(guān)的規(guī)則，建立約束方案，生成尺寸的參數(shù)，進(jìn)行約束分析，完成對(duì)連續(xù)橋梁施工工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)計(jì).

1.4 搭建橋梁施工工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力模型

通過設(shè)計(jì)的連續(xù)橋梁施工工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參數(shù)，構(gòu)建橋梁施工工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力模型.為了方便承載力信息的交互，設(shè)置模型的文件以文本形式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并使用通用的模型文件.模型的基本參數(shù)主要包括坐標(biāo)系的表達(dá)，使用屬性進(jìn)行屬性的標(biāo)識(shí)，其屬性種類主要包括以下幾種，標(biāo)識(shí)的類型說明見表2.

基于類型的說明，定義構(gòu)件的組裝信息，并設(shè)置組裝的桿件類型，主要分為彎曲構(gòu)件與板構(gòu)件，并設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)與構(gòu)件代碼，其代碼形式如圖4所示.

通過代碼，設(shè)計(jì)連續(xù)橋梁關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力的地理空間，并將空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)連接，組成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)，建立起承載力對(duì)象與對(duì)象之間的聯(lián)系，通過對(duì)自定義的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與轉(zhuǎn)換，得到橋梁施工工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力模型.

2 實(shí) 驗(yàn)

為驗(yàn)證所建立連續(xù)橋梁施工工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力模型的有效性，以跨津保鐵路橋梁工程及京雄高鐵并行段為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行建模與分析.工程的總體情況為：轉(zhuǎn)體橋全長(zhǎng)為 184.1 m，計(jì)算跨度為（49.1+85+50）m.

2.1 構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

使用AutoCAD軟件繪制橋梁的截面，根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的構(gòu)造特點(diǎn)，設(shè)置具體的梁段模型.使用3ds Max軟件構(gòu)建連續(xù)橋梁的三維模型，工程的橋梁段信息如下：

主梁采用 C55 混凝土，掛籃分段懸澆施工.根據(jù)施工順序劃分為A13、A1～A12、A14、C、B1～B9、D和E共15段，其中A1～A12+A14為144#墩轉(zhuǎn)體段，B1～B9為145#墩轉(zhuǎn)體段，C段為中跨合攏段，A13和E段為邊跨現(xiàn)澆段，D為邊跨合攏段.主要路段路面的長(zhǎng)度見表3.

在144#墩和145#墩均采用平面轉(zhuǎn)體施工法跨越橋梁，并且采用以轉(zhuǎn)鉸中心支撐為主、環(huán)道支撐為輔的轉(zhuǎn)動(dòng)體系進(jìn)行轉(zhuǎn)鉸的設(shè)計(jì).主要采用的是球面平鉸，轉(zhuǎn)體前可進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系承重，轉(zhuǎn)體后可進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，轉(zhuǎn)鉸的平面圖如圖5所示.

根據(jù)橋面設(shè)計(jì)方案，以橋梁的中軸線為對(duì)稱點(diǎn)進(jìn)行建模，構(gòu)建截面的梁段，得到模型，如圖6所示.

通過梁段的建模，在橋梁模型中輸入施工圖紙中標(biāo)注的截面尺寸，得到建模的橋體模型，如圖7所示.

將各個(gè)模型依次導(dǎo)入，按照參數(shù)進(jìn)行拼接，得到連續(xù)橋梁的包括關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的模型.同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中，使用基于WebGL的橋梁三維的連續(xù)橋梁施工工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力建模方法（對(duì)比方法1）及基于三維激光數(shù)據(jù)融合的連續(xù)橋梁施工工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力建模方法（對(duì)比方法2）2種方法進(jìn)行建模，設(shè)置相同的參數(shù)，并選取主要的幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)作為分析對(duì)象進(jìn)行分析與統(tǒng)計(jì).

2.2 數(shù)據(jù)采集

建立仿真控制臺(tái)，對(duì)施工工程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)施工過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在仿真控制臺(tái)中載入橋梁整體模型，施工控制臺(tái)模擬施工過程，控制臺(tái)界面如圖8所示.

通過控制臺(tái)可以控制施工進(jìn)度，并且可以同時(shí)在仿真過程中暫停施工過程，也可以重置施工過程，從而控制項(xiàng)目施工進(jìn)度，以及采集數(shù)據(jù).

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)，得到3種方法下的連續(xù)橋梁施工過程中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的受力誤差數(shù)據(jù)見表4.

從表中可以看出，對(duì)比于其他2種模型，使用本文設(shè)計(jì)模型，在連續(xù)橋梁關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力的數(shù)值模擬上，其相對(duì)的誤差較小，低至0.04 kPa.本文設(shè)計(jì)的模型聚合了關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力的影響因素信息，通過使用注意力機(jī)制嵌入聚合信息，計(jì)算了關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載強(qiáng)度，設(shè)計(jì)連續(xù)橋梁關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力參數(shù)，能滿足連續(xù)橋梁施工的需要.

3 結(jié) 論

本文基于時(shí)序信息與注意力機(jī)制，對(duì)連續(xù)橋梁施工工程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力進(jìn)行了建模分析.經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)論：在連續(xù)橋梁施工過程中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受力方面，使用本文設(shè)計(jì)模型的相對(duì)誤差較小，平均為0.11 kPa；在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受力方面具有較高的準(zhǔn)確性和精度，提高在連續(xù)橋梁施工過程中的可視化程度.希望本文的研究能夠?yàn)檫B續(xù)橋梁施工過程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承載力分析提供部分理論依據(jù).

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（實(shí)習(xí)編輯：羅 媛）

Modeling and Analysis of Bearing Capacity of Key Nodes in

Bridge Construction Based on Time Sequence

Information and Attention Mechanism

WANG Cong

（China Railway 18th Bureau Group Fifth Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China）

Abstract：

In order to accurately predict and analyze the bearing capacity of key nodes in continuous bridges，a modeling analysis of the bearing capacity of key nodes in bridge construction engineering based on timing sequence is proposed.This paper analyzes the stress between the key nodes，aggregates the bearing capacity information of these key nodes，applies the attention mechanism to calculate the ultimate bearing capacity of these key nodes in continuous bridge construction engineering，uses the method of plane parameterization design with the combination of timing sequence to design key node parameters for continuous bridge construction engineering，and constructs a bearing capacity model for key nodes in bridge construction engineering.The experimental results show that the stress error on the key nodes in the continuous bridge obtained by applying the model designed in this article is small，as low as 0.04 kPa，and has high accuracy.

Key words：

timing sequence information;attention mechanism;continuous bridge construction;key nodes of the project;bearing capacity;modeling

收稿日期：2023-07-14

作者簡(jiǎn)介：王 聰（1985—），男，從事巖土工程研究.E-mail：puxie060920@163.com