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原文传递基于多目标布谷鸟算法的空心板桥梁最优养护时机研究

论文题名：	基于多目标布谷鸟算法的空心板桥梁最优养护时机研究
关键词：	空心板桥梁;最优养护时机;多目标布谷鸟算法;退化模型;冗余度
摘要：	目前我国桥梁总数超110万座，居世界首位。随着服役年限的增加，桥梁结构不可避免地发生退化，尤其是面广量大的中小跨径桥梁，管养压力巨大。空心板桥梁作为常用的中小跨径桥梁之一，病害集中暴露在投入使用后15-20年，且略有提前，养护工作尤为迫切。海量的桥梁检测数据蕴含着丰富的结构状态信息，利用检测信息探寻结构性能退化规律，以性能为目标可获取桥梁最优养护时机，对于桥梁科学管养与运营安全保障意义重大。　　本文在调研了国内外桥梁退化模型、桥梁冗余度指标、桥梁最优养护时机等研究现状的基础上，依托重庆主城快速路237座空心板桥梁的近10年的检测信息，首先基于构建的桥梁技术状况指数BCI（Bridge Condition Index）退化模型，确立了养护时机优化问题的一个显性优化目标表达式；其次推导了基于失效概率的桥梁冗余度的计算公式，为养护时机另一个优化目标计算提供基础；然后结合养护成本计算，建立了基于桥梁技术状况、桥梁冗余度、成本三个目标的养护时机优化计算模型；最后利用多目标布谷鸟搜索算法进行养护时机寻优。本文的主要研究内容与结论如下：　　（1）统计分析了检测信息中的各空心板桥梁的主要数据，以跨径、桥龄作为输入，以BCI值作为输出，构建了广义回归神经网络（Generalized Regression Neural Network，GRNN）模型，修复了桥梁某些年份的缺失数据，基于改进的灰色马尔科夫模型对单座桥梁进行数据预测，采用负指数函数进行拟合得到BCI退化曲线，结果表明该拟合残差值小，误差均在4％以内，校正决定系数为0.9573，验证了空心板桥梁技术状况退化模型的精确性，确立了空心板桥梁技术状况计算指标。　　（2）以检测数据中桥梁技术状况和桥梁结构技术状况为基础，对空心板桥梁各部结构进行了失效概率分布拟合，通过对比表明了Weibull分布优于正态分布，经概率分布原理进行检验，验证了空心板桥梁各部结构失效概率服从Weibull分布。对以Weibull分布拟合的失效概率分布作参数计算，推导了预防性养护下的桥梁时变冗余度计算公式，并应用于所选取的单跨跨径为16m的空心板桥梁的养护时机优化目标计算。　　（3）基于上部结构和桥面系在分析期内各自独立考虑的预防性养护模式，给出了预防性养护成本的计算公式。开展了养护时机优化问题研究，构建了以桥梁技术状况BCI值、桥梁冗余度值（Redundancy Index，RI）、养护成本作为三个优化目标；以上部结构养护时间与次数、桥面系养护时间与次数作为设计变量；以分析期和时间间隔作为约束条件的优化模型。采用复杂多目标函数测试了布谷鸟算法，amp;nbsp;结果表明经过千次迭代，误差均小于10-4，多目标布谷鸟算法可以有效计算养护时机优化问题，并给出了求解的计算流程。　　（4）开展了基于多目标布谷鸟算法的最优养护时机应用研究，以市政某3×16m预应力混凝土空心板桥梁作为应用分析对象，利用建立的GRNN模型进行了BCI缺失数据补充，基于灰色马尔科夫预测了BCI数据，拟合得到该桥梁的技术状况计算公式，结合桥梁冗余度RI计算公式以及养护成本计算公式构建了养护时机优化模型，编制了多目标布谷鸟搜索算法求解程序，得到了Pareto最优解集，结果表明Pareto前沿中成本目标与两个性能指标均为简单的正相关关系，桥梁冗余度RI与桥梁技术状况BCI呈两阶段正相关关系，两个阶段增长速率差异显著。选出了具有代表性的三个养护方案，给出了每个方案的具体的优化目标值BCImin、RImin和养护成本，该结果可为空心板桥梁养护时机提供重要参考。
作者：	左勤
专业：	建筑与土木工程
导师：	张洪;周建庭
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022