基于BP神经网络的桥梁断面最不利风攻角预测.pdf

260：2023年4月工程技术与应用江西建材基于BP神经网络的桥梁断面最不利风攻角预测李晶晶杭州同杭云督信息科技有限公司，浙江杭州311400摘要：为研究服役桥梁面板在风场环境下的力学性能变化规律，文中基于COMSOL多物理场有限元软件建立杭州某桥梁截面模型，分析在不同风向和风攻角作用下桥梁截面风速和压力场的变化情况。模拟计算结果表明，（1）风向越大，桥梁断面的风场和压力场的影响越小。（2）当风攻角从一4增加到-2 时，桥梁断面的最大负压逐渐减小，然后逐渐增大。即对于桥梁断面而言，最有利的风攻角为一-2。进一步结合模拟数据结果和BP神经网络，开展最不利风攻角预测。关键词：桥梁断面；COMSOL模拟；风攻角；风向；压力场；BP神经网络中图分类号：U446文献标识码：B文章编号：10 0 6-2 8 9 0（2 0 2 3）0 4-0 2 6 0-0 3Prediction of the Most Unfavorable Wind Attack Angle of Bridge Cross-section Based on BP Neural NetworkLi JingjingTongzhu Zhihui Information Technology(Jiaxing)Co.Ltd.,Hangzhou,Zhejiang 311400Abstract:To study the changes in mechanical properties of in-service bridge panels in wind field environments,a section model of a bridgein Hangzhou was established based on COMSOL multi physical field finite element software.The changes in wind speed and pressure field ofthe bridge section under different wind directions and wind attack angles were analyzed.The simulation calculation results indicate that:(1)the larger the wind direction,the smaller the influence of the wind and pressure fields on the bridge section.(2)When the wind attack angleincreases from-4 to-2 ,the maximum negative pressure of the bridge section gradually decreases and then increases.For the bridgesection,the most favorable wind attack angle is-2 .Furthermore,combining simulation data results with BP neural network,the mostunfavorable wind attack angle prediction is carried out.Key words:Bridge section;COMSOL simulation;Wind angle of attack;Wind direction;Pressure field;BP network0引言大跨度桥梁在风荷载作用下会出现涡振、颤振、抖振和驰振等大变形振动，进而导致桥梁出现舒适度不佳甚至破坏现象1-3 1。如中国虎门大桥在风荷载作用下的涡振作用，美国Tacoma大桥在低风速作用下出现强烈的振动，进而被破坏等 4-5 。因此，风场环境对桥梁振动作用不可忽视。其中，最不利风场参数的确定十分重要。目前，不少学者对此开展了相关研究，邹思敏等 6 为研究高速列车在运营过程中的气动特性，分析其气动特性变化机理，设计了两种高速列车一桥梁系统的气动特性风洞试验方案。左太辉等 7 为了研究横风作用下紊流参数对车一桥系统气动力特性的影响，根据阻塞比要求设计几何缩尺比为1：2 5 的桥梁和列车测压试验模型，并通过紊流发生装置模拟一系列素流风场。韩旭等 8 为研究高速铁路桥梁全封闭声屏障的横风气动特性，通过节段模型风洞试验对全封闭声屏障的三分力和表面风压进行了测试，分析了风速、雷诺数效应、风攻角、侧视断面位置对全封闭声屏障气动特性的影响。作者简介：李晶晶（19 9 3-），女，浙江嘉兴人，本科，助理工程师，主要研究方向为物联网技术。基金项目：浙大城市学院横向课题基于深度学习的装配式桥梁塔式支架承载能力检测分析与预测研究（编号：K22-204000-008）。但是，通过风洞试验来获得不同风速、风向和风攻角作用下的桥梁气动力特性，这一方式耗财耗力 9-10 。因此不少研究学者开展了风场模拟研究，韦远武等 11基于弱耦合方法并利用Fluent进行二次开发模拟气动力，分析了风攻角和风速对气动力系数特性及规律的影响。马培新等 12 针对青海高海拔地区峡谷地带高墩桥梁行车抗风性能，采用CFD软件Fluent对典型厢式货车进行了车辆一桥梁组合气动特性分析，分别获取了在不同风攻角情况下的车辆，桥梁的气动参数曲线。夏烨等 13 提出大跨桥梁施工过程中附着高塔吊精细化抗风分析流程，以南京长江五桥为例对桥塔一塔吊联合结构进行了抖振风荷载时程分析，并进行了安全性综合评价。本文结合COMSOL多物理场有限元软件，对某一桥梁进行风场模拟计算，分析不同风向和风攻角对桥梁截面风场和风压的影响。在今后的桥梁运行过程中，获取现场风场数据后，可以根据该方法判断桥梁截面受力特性。1风场理论大跨度桥梁横风向风速较低，因此，桥梁桥址处的风速可以看成二维不可压缩流体，其连续性方程可以被表达为(14。apa(pu.)0(1)atat式中，u为风速；p为流体密度，可被看作常数。那么上式可以被修改为：261下转第2 6 4页）2023年4月江西建材工程技术与应用ou0（2)atax式中，和v分别为桥梁断面x和y方向的风速。当风场内存在漩涡或者雷诺数超过某一临界值，又或者风场存在不规则运动时，则成为端流现象。其流模型计算与推导公式如下所示。1PFV+2VefVefaxypaxaxaxyy1P+2Vefypaxx(oyyxakakakakPk+axyoxaxyy(3）aCeCeV十yPKaxaxyykPk=Vef2+axoyax式中，Ve为有效黏结度系数；pk为压力（kPa）；p 为空气密度（1.2 2 5 kg/m）；k 为紊流动能；为端流耗散；其他系数分别为常数，即g=1.3,0k=1.0,C=1.44,C2=1.92。2工程背景景与有限元模拟COMSOLMultiphysics是一款通用有限元软件，可用于计算流体动力学、固体力学、多场耦合等 15 。对于有限元模型，左边界为风速人口，右边界为出口，上下边界为滑移边界，这与风洞试验的边界条件相同 16 。本文以某一大跨桥梁为研究对象，其中有9 9 9 4个域单元和3 3 4个边界单元，网格在边界处加密。在网络划分过程中，需要对其进行独立性检验，即网络独立性测试值越大，则模型计算精度和性能越好。3模拟计算与讨论3.1风攻角影响在研究案例一中，假定风速为10 m/s，风向为0，风攻角可变，计算不同风攻角下桥梁断面风场和压力场的变化，如图1（a）所示。当风攻角从-4增加到+4时，最大风速先减小后增大，最大正压逐渐增大，最大负压经历了逐渐减小（风攻角从-4增加到-2），到逐渐增大（风攻角从-2 增加到+4）。综上所述，对于该桥梁的桥梁断面，最有利的风攻角为-2。3.2风向影响13.613.413.213.0(s/叫)/区?鲁12.812.612.412.212.011.8-6-4-20246风攻角/(a)最大风速随着风攻角的变化1211(s/叫)/单区?鲁109876510102030405060风向/。(b）最大风速随着风向角的变化图1计算结果在研究案例二中，假设风速为10 m/s，风攻角为0，而风向可调，计算不同风向下桥梁断面的风场和压力场的变化，如图1（b）所示。当风向为10 时，最大风速为11.8 m/s，最大正压为7 3.2 Pa，最大负压为146 Pa；风向为3 0 时，最大风速为10.2m/s，最大正压为6 0 Pa，最大负压为116 Pa；风向为6 0 时，最大风速为5.6 7 m/s，最大正压为2 5.9 Pa，最大负压为45.2 Pa。结果表明，当风攻角从0 增加到6 0 时，最大风速、最大正压和最大负压逐渐减小。因此，风向越大，风场和压力场对该桥梁断面的影响越小。4BP神经网络4.1BP原理反向传播神经网络（BPNN）是一种多层前馈神经网络，主要通过传递函数将输人层数据经过多层隐含层进行求解输出，并将输出值与实际值进行对比，将产生的误差再反向传递给每一层隐含层，即误差反向传播，以此往复直到达到预期值。通常,BPNN由三层网络结构组成，分别是输人层、隐含层和输出层。BPNN网络可以看成一个非线性函数，输人自变量X和输出因变量Y可以通过网络中的权值,和k来表示，因此，BPNN网络的训练过程包括以下几个步骤：（1）结合数据集，人为确定BPNN的输人层节点数n、隐含层节点数1、输出层节点数m。并设置输人层与隐含层、隐含层与输出层之间的权值j、k，给定学习速率n、迭代次数、预测精度、隐含层阈值a、输出层阈值b及激励函数f（），输出值的计算如下所示。j=1,22,1(4)-11(5)1+e-（2）将隐含层的输出值H、隐含层与输出层的权值k和输出层阈值b，计算BPNN网络的预测值Ok。根据预测值O,和已知的期望值Yk，误差值e的计算公式如下所示。O,-ZoH,-b,=1,.m(6)j=1ex=Y-O,k=1,2,m(7)（3）将误差值反向传递给输人层与隐含层之间的权值i、隐含层与输出层之间的权值ik、隐含层阈值a和输出层阈值b，从而实现这些参数的更新。以此往复更新计算，当达到人为设264上接第2 6 1页）2023年4月工程技术与应用江西建材紧上部梁板，临时固定墙板，检验垂直度及平整度均合格后，用C20细石混凝土将板底塞严填实，待强度达到要求后取出木楔用拼缝砂浆填实木楔孔。（3)ALC墙板间采用样接，墙体间竖向拼缝需保持3 7 mm空隙，用拼缝砂浆批刮样头后挤浆连接。L形、T形连接部位，先在基板上固定U形钢卡，用拼缝砂浆挤浆连接，再用射钉进行固定。ALC轻质隔墙板墙长大于6 m、小于12 m，在中部设置构造柱。（4）ALC墙板与其他材质隔墙相接处应设置构造柱，隔墙板与结构墙柱连接处应使用U形钢卡配合射钉进行连接。（5）门窗洞口应采用专用门框板，门头板顶部采用L形管卡梁板连接，下部应采用拼缝砂浆坐浆、放置在门框板上，长度应大于10 0 mm；门头板与门框板及侧边墙板拼缝处用拼缝砂浆填塞密实，并粘挂双层耐碱玻纤网格布进行加强。（6）在ALC墙板安装14d后，在墙体拼接缝处、门窗洞口、管线、配电箱及开关插座位等需要进行防开裂加强的区域，采用抗裂砂浆粘贴耐碱玻纤网格布，若发现墙体拼、接缝处有开裂现象，则采用抗裂砂浆粘贴两道耐碱玻纤网格布进行加强 6 。3.4施工质量管理控制在收到施工图后，施工单位及时对ALC墙板填充墙以其他砌体工程的图纸进行深化，确定墙体的平、立面排版，管线、预埋件、配电箱、开关插座准确位置以及按规范及设计构造要求应增加的反坎、圈过梁、构造柱等，并组织参建各方对深化图纸进行评审。在正式施工前，应编制ALC墙板填充墙施工方案，明确施工质量控制要求。同时，组织人员进行培训与技术交底，确保施工人员掌握ALC墙板填充墙的工艺流程、控制要点及质量标准要求。总包单位可实行“样板引路”做法，依照施工方案与相关规范标准，制作ALC墙板填充墙实物样板，通过样板展示ALC墙板填充墙的施工工序与质量效果，统一标准，为后续置的预测精度或迭代次数后停止计算。0,=,+nH,(1-H,)xZwe,i=1,n;j=,2,k=10,=x+nH,e.j=1,2,l;k=1,2,.m(8)a,=a,+nH,(1-H,)oxe j=,2,1k=1b,=b,+e,k=1,2,m5结语本文利用COMSOL多物理软件建立了桥梁断面模型。通过观察风场中最大负压、最大正压和最大风速等宏观特征，研究了风攻角和风向角对桥梁断面的影响。本研究得出的主要结论如下：（1）风向风力越大，桥梁断面的风场和压力场的影响越小。（2）当风攻角从-4增加到-2 时，桥梁断面的最大负压逐渐减小，然后逐渐增大。结果表明，对于桥梁断面而言，最有利的风攻角为-2。参考文献【1马培新，张永水，刘林，等.高海拔峡谷地带高墩桥梁风致行车安全性分析J.重庆交通大学学报：自然科学版，2 0 2 0（8）：72-76.2袁涛，祝志文，陈魏，等。增设观光电梯的超大跨桥梁塔柱风荷载与气动干扰特性J】.工业建筑，2 0 2 0，5 6 7（4）：142-148.3夏飞龙，王林凯，刘志文，等.识别桥梁断面颤振临界风速的一种新方法J】.公路，2 0 19，6 4（8）：5 9-6 5.4文刘高，陈上有，王昆鹏，等跨海公铁两用桥梁车桥风浪流耦大规模施工与验收提供依据。在正式施工时，加强过程管控，严格按照施工方案及相关技术标准进行施工，并安排专业的质量检查人员跟踪检查，确保ALC墙板填充施工的原材料、工艺流程、节点做法及作业质量都符合相关要求，施工时，应合理安排施工时间，避免高温高湿环境下施工，安装完成7 d内，严禁在墙板上进行机电开槽、安装工作。施工结束时应及时进行养护，保证14d的养护周期。4结语文中主要对ALC墙板填充墙的裂缝问题进行了探讨。ALC墙板填充墙裂缝种类多种多样，其产生原因及影响因素也不尽相同。为了避免ALC板材填充墙裂缝的发生，施工时，应做好原材料的管理，采取合理构造措施，并对关键工序工艺及操作进行优化完善，严格控制施工质量，采取各种措施减少板材施工和应用中的裂缝问题。参考文献【1】杨培东.ALC墙板填充墙裂缝成因及防裂关键技术研究D.青岛：青岛理工大学，2 0 11.2邹诠.住宅轻质隔墙板板面裂缝产生原因及防控措施【J】，砖瓦，2022（9):3 7-40.3叶文霞，陈林，李加军，等.建筑隔墙板裂缝原因分析及抗裂技术研究J】.建筑施工，2 0 2 2，44（7）：15 6 8-15 6 9.4叶永鑫.基于有限元模型的轻质隔墙板受力分析及裂缝防治J福建建材，2 0 2 2（5）：7 9-8 1.【5 丁传奇，高寒，樊小宾，等.大曲面轻质隔墙板施工质量控制技术J.工程质量，2 0 2 2，40（7）：1-4.【6】师文磊，郭佳莹.ALC轻质隔墙板施工技术J】.江西建材，2021,275（12）：2 8 2-2 8 4.合振动研究J.土木工程学报，2 0 19，5 2（4）：7 6-9 1.5董锐，葛耀君，杨昕，等.大跨度桥梁多目标等效静力风荷载基向量法J】。土木工程学报，2 0 19，5 2（7）：110-117.6邹思敏，何旭辉，王汉封，等。横风作用下高速列车桥梁系统气动特性风洞试验J】.交通运输工程学报，2 0 2 0（1）：13 2-13 9.7左太辉，何旭辉，邹云峰，等.紊流影响下车一桥系统气动力特性风洞试验J.中国公路学报，2 0 19，3 2（10）：17 8-19 0.8韩旭，彭栋，向活跃，等。横风作用下高速铁路桥梁全封闭声屏障气动特性的风洞试验研究J】.铁道建筑，2 0 19，5 9（7）：15 1-15 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