公路衡重式擋土墻優(yōu)化設(shè)計(jì)論文

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1優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的必要性

然而現(xiàn)在對(duì)于衡重式擋土墻的設(shè)計(jì)方法主要是:工程設(shè)計(jì)師根據(jù)自己的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)參照已經(jīng)建成的衡重式擋土墻來(lái)確定墻型的選擇和斷面的尺寸，再進(jìn)行驗(yàn)算，看是否符合自己的實(shí)際設(shè)計(jì)。但是由于施工的地區(qū)各異，施工的真實(shí)情況就千差萬(wàn)別，根據(jù)已建成的衡重式擋土墻來(lái)和實(shí)際套用一般很難達(dá)到匹配，這就需要在工程實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)已建成擋土墻數(shù)據(jù)進(jìn)行增減變化，因?yàn)榈鼗牟煌浲令?lèi)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(jì)算十分繁瑣，手工計(jì)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(lái)處理。這樣套用已建成圖集的做法，對(duì)設(shè)計(jì)只是一個(gè)大概框架，沒(méi)有設(shè)計(jì)必要的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，加上認(rèn)識(shí)的不足，最后整個(gè)工程都因?yàn)檫@些人為因素導(dǎo)致投入巨大。因?yàn)槿狈?zhǔn)確的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，衡重式擋土墻在工程建設(shè)時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)這樣或那樣的問(wèn)題，比如地基的承載力不足造成的墻體下沉開(kāi)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(qiáng)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(shí)到衡重式擋土墻建設(shè)施工設(shè)計(jì)的大量財(cái)力的損耗和安全事故多發(fā)，很多專(zhuān)家也展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)出多種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言來(lái)輔助衡重式擋土墻的設(shè)計(jì)，比如:Fortran，Basic等，但這些語(yǔ)言基本都停留在計(jì)算土壓力的單項(xiàng)項(xiàng)目上，以及利用復(fù)合形法和共軛梯度法等對(duì)重力式擋土墻的計(jì)算。針對(duì)這些局部?jī)?yōu)化的不足，美國(guó)率先提出了遺傳算法的概念，實(shí)現(xiàn)由局部到全局的轉(zhuǎn)變，通過(guò)群體搜索技術(shù)、自然選擇和進(jìn)化機(jī)制的運(yùn)用，逐步實(shí)現(xiàn)計(jì)算全局的最優(yōu)解。

2優(yōu)化設(shè)計(jì)的遺傳算法

2．1遺傳算法應(yīng)用廣泛

遺傳算法在計(jì)算求解問(wèn)題的時(shí)候，具有一定的智能性，即算法可在進(jìn)化的過(guò)程中對(duì)獲取信息組織自行搜索，個(gè)體適應(yīng)度大的通過(guò)遺傳操作進(jìn)化出適應(yīng)性更強(qiáng)的后代，使得算法能根據(jù)問(wèn)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(wèn)題在分布式系統(tǒng)中各自獨(dú)立驗(yàn)算，得出不同結(jié)果后再通過(guò)通信的比較，取得最佳個(gè)體。在種群搜索中，可以同時(shí)對(duì)空間內(nèi)多個(gè)區(qū)域檢索交互信息，在執(zhí)行比例運(yùn)算時(shí)進(jìn)行多倍次搜索，減少運(yùn)算。算法本身并不復(fù)雜，對(duì)于已經(jīng)給定的問(wèn)題，遺傳算法可以計(jì)算出多個(gè)潛在解，由使用者最終確定用哪個(gè)，設(shè)計(jì)上不需要其他輔助的知識(shí)，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(shí)強(qiáng)調(diào)的是概率的轉(zhuǎn)換規(guī)則，應(yīng)用更加直接。

2．2簡(jiǎn)單算法存在不足

簡(jiǎn)單的遺傳算法在公路衡重式擋土墻設(shè)計(jì)上廣泛應(yīng)用，因其簡(jiǎn)便的操作和優(yōu)于手工的準(zhǔn)確性，但整個(gè)算法本身也存在亟待解決的問(wèn)題:編碼效率較低，在采取二進(jìn)制較長(zhǎng)的編碼計(jì)算時(shí)搜索效率較低，二進(jìn)制串轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)也多有不便;求解問(wèn)題時(shí)不一定得到最優(yōu)解，簡(jiǎn)單算法在運(yùn)行時(shí)個(gè)體性在群體中逐漸失去，誤導(dǎo)算法收斂為一個(gè)最優(yōu)解，到驗(yàn)算的后期，群體的平均值更接近于最優(yōu)解，沒(méi)有了競(jìng)爭(zhēng)，就難以改善搜索目標(biāo);在簡(jiǎn)單算法中選取控制參數(shù)目前還無(wú)跡可尋，只能通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)?zāi)M來(lái)確定;搜索的效率不高，算法在本質(zhì)上來(lái)說(shuō)還是隨機(jī)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?；谶z傳算法在公路衡重式擋土墻優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jiǎn)單算法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，將本身的特點(diǎn)和問(wèn)題知識(shí)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(jiǎn)單遺傳算法局部的搜索能力較弱的問(wèn)題，進(jìn)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(jì)

混合遺傳算法改進(jìn)了編碼。遺傳算法不能直接對(duì)問(wèn)題空間參數(shù)進(jìn)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(gè)體，用編碼來(lái)表示。二進(jìn)制編碼受到編碼長(zhǎng)、最優(yōu)解的臨近探索低效、解的進(jìn)度不準(zhǔn)確等限制，改進(jìn)為十進(jìn)制的編碼，用一浮點(diǎn)的向量表示染色體，染色體長(zhǎng)度(向量元素個(gè)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(gè)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(gè)基因?；旌线z傳算法處理了約束條件。在優(yōu)化的問(wèn)題中可能包含等式和不等式的約束，要通過(guò)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(duì)遺傳操作中所得到每條染色體檢查和剔選。同時(shí)要考慮到一些隱含約束條件，加快搜索效率。數(shù)值化和競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的運(yùn)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(gè)染色體，分別把這些染色體作為起始點(diǎn)，運(yùn)用數(shù)值優(yōu)化的技術(shù)在局部搜索，原個(gè)體被替換。格外注意初始點(diǎn)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(shí)保持?jǐn)?shù)值穩(wěn)定和搜索效率。算法建立染色體的最佳庫(kù)存單元，加入對(duì)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(jì)應(yīng)用研究

為真實(shí)分析設(shè)計(jì)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(jì)荷載p1=800kN(p1為車(chē)輛)，墻體應(yīng)用5．0號(hào)砂漿30號(hào)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(zhǎng)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(jì)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(jìn)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(yǔ)

經(jīng)過(guò)以上對(duì)于公路衡重式擋土墻優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用的研究，我們深刻認(rèn)識(shí)到對(duì)于衡重式擋土墻的設(shè)計(jì)優(yōu)化在工程建設(shè)方面的巨大意義，正是因?yàn)橛辛藘?yōu)化設(shè)計(jì)，才能有效緩解計(jì)算量大，且繁雜還難以得到最為經(jīng)濟(jì)合理設(shè)計(jì)方案的不足，通過(guò)結(jié)合實(shí)際的建設(shè)問(wèn)題改進(jìn)設(shè)計(jì)中的不足，推廣混合遺傳算法在公路的擋土墻設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，使得衡重式擋土墻建設(shè)再上一個(gè)臺(tái)階。

作者：崔平 單位：山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院