[0001] 本发明涉及计算机辅助设计技术领域，更具体地说，它涉及一种组合梁的负弯矩区抗裂承载力计算方法。

[0002] 在产业可持续发展的背景下，桥梁建造逐步向装配化、产业化的方向发展。组合桥梁的桥面混凝土板施工一直都采用现浇方式，现场湿作业大，施工工期长，无法做到完全的装配，是实现装配建造的瓶颈。发展高强螺栓连接的组合梁不仅可以实现混凝土的现场装配和拆卸，更能避免栓钉焊接带来的焊接缺陷。

[0003] 对于连续组合梁而言，负弯矩区混凝土板的开裂问题是控制影响耐久性的重要因素，是负弯矩区设计的控制因素。目前规范针对组合结构的设计均针对栓钉连接的现浇组合梁，尚未对螺栓连接的预制板组合梁做明确规定，螺栓预拉力对“抗拔不抗剪”作用的贡献尚无量化表达。因此，目前在对组合梁进行设计时，需要进行大量计算并不断的更改后确定组合梁设计参数，然后基于组合梁设计参数构建组合梁缩尺试件，并进行试验后来实际判断组合梁是否满足设计强度，耗时较长，导致施工单位的投资成本增加，经济收益降低。

[0054] 现在将参考示例实施方式讨论本文描述的主题。应该理解，讨论这些实施方式只是为了使得本领域技术人员能够更好地理解从而实现本文描述的主题。另外，相对一些示例所描述的特征在其他例子中也可以进行组合。

[0055] 如图1所示，一种组合梁的负弯矩区抗裂承载力计算方法，包括以下步骤：

[0056] 步骤100、于组合梁设计试验数据库中获取多个组合梁缩尺试件的设计参数集和实际的负弯矩区抗裂承载力；

[0057] 组合梁设计试验数据库是往期进行组合梁设计时，生成的设计参数以及相应试验所获取的实际测试负弯矩区抗裂承载力的试验数据所构建的数据库；

[0058] 其中，组合梁缩尺试件的设计参数集包含螺栓预拉力、螺栓公称直径、螺栓的屈服强度、钢梁的截面面积、钢梁的抗拉强度设计值、混凝土板的有效宽度、混凝土板的翼缘厚度、混凝土立方体抗压强度的设计值、混凝土抗拉强度设计值；

[0059] 每一个组合梁缩尺试件的负弯矩区抗裂承载力试验结果和有限元参数分析计算结果均包括开裂荷载数值、开裂荷载所对应的位移数据、屈服荷载数值、屈服荷载所对应的位移数据；负弯矩区抗裂承载力包含了开裂荷载数值、屈服荷载数值。

[0060] 需要说明的是，组合梁缩尺试件的负弯矩区抗裂承载力试验结果和有限元参数分析计算结果的获取过程，以对一根UHPC预制板和钢梁的组合梁缩尺试件进行抗裂承载力试验为例，组合梁全长3m，净跨2.7m，UHPC板尺寸为2820×500×120mm，钢梁为HM294×200×8×12，钢筋采用HRB400，采用8.8级M16高强螺栓作为抗剪连接件，将预制混凝土板与钢梁连接在一起。

[0061] 为获得一致的材料性能，预制UHPC板时，同步制作单轴拉伸试件以测试材料抗拉强度。采用60T万能试验机进行单轴拉伸试验。首先在试件的底面和两侧面粘贴应变片以测定试件开裂前应变，通过夹持在试件标距段的两个引伸计测量裂缝宽度，将试件夹具与试件中轴线对齐，防止试件偏心。正式加载前进行预加载，确保应变片和引伸计正常工作，检查试件偏心率，偏心率低于15%时，开始正式加载。通过位移控制加载，试件开裂前加载速率为0.06mm/min，开裂后至最大拉力前加载速率为0.2mm/min；达到最大拉力后，加载速率为0.52mm/min。表1记录UHPC抗拉力学性能指标实测值。

[0062] 表1单轴拉伸试验结果

[0063] 将试件梁倒置进行两点加载，以便在跨中形成负弯矩区。正式加载时采用单调静力加载，加载速度控制在0.2kN/s，每步加载增量为60KN，每步加载后保持3分钟左右，以观察试验现象。当试件出现屈服特征或达到预期极限荷载的80%后，减小加载速度控制在0.1kN/s，减小每步加载增量至30kN。当试件达到极限受弯承载力时，采用位移控制加载，加载速度控制在1mm/min，每步加载挠度为2mm，每步加载后依然保持3分钟左右，直至试件发生破坏。

[0064] 组合梁跨中布置位移计测量挠度，剪跨段内布置4个水平位移计，分别测量剪跨段四个位置处的相对滑移。在每个试件上取四个关键截面，即跨中及剪跨段三分点处，每个截面布置13个应变片。

[0065] 初始加载阶段试件并无明显现象，荷载位移曲线一直保持线性关系。当荷载达到56.55kN时，组合梁跨中混凝土板顶面开始出现裂纹，随着荷载增加，裂缝出现位置由跨中向两端扩展，当荷载达到349.98kN时，钢梁下翼缘跨中出现局部屈曲，当荷载达到438.79kN时，跨中截面腹板高度完全进入屈服，组合梁进入塑性阶段。

[0066] 步骤200、基于多个组合梁缩尺试件的设计参数集和实际的负弯矩区抗裂承载力构建包含多个训练样本的训练数据集，每一个训练样本包括一个组合梁缩尺试件的设计参数集和实际的负弯矩区抗裂承载力，采用训练数据集对负弯矩区抗裂承载力预测模型进行训练，获得训练后的负弯矩区抗裂承载力预测模型；

[0067] 训练后的负弯矩区抗裂承载力预测模型的计算公式如下：

[0068] ；

[0069] ；

[0070] ；

[0071] ；

[0072] ；

[0073] ；

[0074] ；

[0075] ；

[0076] 其中， 表示混凝土抗拉强度设计值， 表示截面受拉边缘弹性抵抗矩，表示组合梁负弯矩区的螺栓影响系数， 表示截面抵抗矩塑性影响系数， 表示截面抵抗矩塑性影响系数的基本值，取值为1.4，表示截面高度， 表示组合梁负弯矩区的抗剪连接程度，表示实际作用于螺栓的拉力，表示组合梁剪跨段内实际设置的连接件个数， 表示组合梁剪跨段内所需的连接件个数， 表示单个螺栓抗剪键的抗剪承载力，为钢梁的截面面积，为钢梁的抗拉强度设计值， 为混凝土板的有效宽度， 为混凝土板的翼缘厚度，为混凝土立方体抗压强度的设计值， 表示钢－混凝土界面的抗滑移系数， 表示螺栓预拉力，d表示螺栓公称直径， 表示混凝土立方体抗压强度的标准值，表示螺栓的屈服强度， 、 、 、 、 、 、 、 、 、 和 均表示可训练权重参数， 、为指数。

[0077] 在本发明的一个实施例中，通过训练后的负弯矩区抗裂承载力预测模型的计算公式中， 、 、 、 、 、 、 、 、 、 和 的数值分别为：0.7、120、1.063、0.03、0.765、0.9、0.23、1.78、0.29、0.0007、0.53。

[0078] 在本发明的一个实施例中，当前工程所需的组合梁的负弯矩区抗裂承载力输入负弯矩区抗裂承载力预测模型来输出多个组合梁设计参数集的方法是：采用优化算法或数值求解方法来获取组合梁设计参数集组合。

[0079] 步骤300、获取当前工程所需的组合梁的负弯矩区抗裂承载力，将当前工程所需的组合梁的负弯矩区抗裂承载力输入负弯矩区抗裂承载力预测模型，反向输出多个组合梁设计参数集；

[0080] 组合梁设计参数集包含螺栓预拉力、螺栓公称直径、螺栓的屈服强度、钢梁的截面面积、钢梁的抗拉强度设计值、混凝土板的有效宽度、混凝土板的翼缘厚度、混凝土立方体抗压强度的设计值、混凝土抗拉强度设计值。

[0081] 步骤400、获取当前工程的组合梁实际安装约束条件，基于当前工程的组合梁实际安装约束条件对多个组合梁设计参数集进行筛选，获取符合组合梁实际安装约束条件的若干个组合梁设计参数集，并输入寿命预测模型，输出每一个组合梁设计参数集所对应组合梁的使用寿命数据；

[0082] 需要说明的是，当前工程的组合梁实际安装约束条件根据工程设计方案进行制定。

[0083] 步骤500、选取使用寿命数据最大的组合梁设计参数集，若使用寿命数据最大的组合梁设计参数集的数量大于一，则计算每一个组合梁设计参数集所对应的生产成本，选择生产成本最低的一个组合梁设计参数集作为适用方案。

[0084] 在本发明的一个实施例中，寿命预测模型包括：

[0085] 顶点生成层，其基于组合梁设计参数集构建顶点图，顶点图包括多个顶点和边，顶点包括螺栓预拉力顶点、螺栓公称直径顶点、混凝土立方体抗压强度顶点、螺栓屈服强度顶点、钢梁截面面积顶点、钢梁抗拉强度顶点、混凝土板有效宽度顶点、混凝土板翼缘厚度顶点、混凝土抗拉强度顶点，所有顶点之间均连接有边；

[0086] 基于螺栓预拉力、螺栓公称直径、螺栓的屈服强度、钢梁的截面面积、钢梁的抗拉强度设计值、混凝土板的有效宽度、混凝土板的翼缘厚度、混凝土立方体抗压强度的设计值、混凝土抗拉强度设计值分别生成螺栓预拉力顶点、螺栓公称直径顶点、混凝土立方体抗压强度顶点、螺栓屈服强度顶点、钢梁截面面积顶点、钢梁抗拉强度顶点、混凝土板有效宽度顶点、混凝土板翼缘厚度顶点、混凝土抗拉强度顶点的顶点特征；

[0087] 顶点特征可以是由组合梁设计参数编码获得，或者是通过统一的线性映射增加维度获得；

[0088] 第一隐藏层，其用于融合顶点的信息来获得全局特征；

[0089] 第一隐藏层的计算公式为：

[0090] ；

[0091] 其中， 表示第i个顶点的顶点更新特征， 表示第i个顶点的聚合系数， 表示与第i个顶点存在边的顶点的集合， 表示激活函数， 表示第二权重， 表示第j个顶点的顶点特征；

[0092] 第i个顶点的聚合系数的计算公式如下：

[0093] ；

[0094] 其中， 和 分别表示第i个和j个顶点的顶点特征， 表示第一权重，表示权重向量参数，T表示转置， 表示自然指数函数，LeakyRelu表示LeakyRelu激活函数；

[0095] 输出层，其用于对全局特征进行线性变换来获取使用寿命数据；

[0096] 输出层的计算公式为：

[0097] ；

[0098] 其中，表示使用寿命， 表示激活函数，表示顶点总数， 表示第三权重，表示偏置参数。

[0099] 需要说明的是，通过往期的试验数据库中来获取组合梁实际负弯矩区的抗裂承载力数据和相应的设计参数，并以此来构建和训练抗裂承载力预测模型，在对新的组合梁进行设计时，反向输出多组满足要求的组合梁设计参数，并通过寿命预测模型对多组满足要求的组合梁设计参数进行实际使用寿命预测，选择出最优的组合梁设计参数作为适用的设计方案，从而降低设计成本，缩短设计时间，有效增加了施工单位的经济收益。

[0100] 在本发明的一个实施例中，寿命预测模型的训练过程，包括以下步骤：

[0101] 获取历史组合梁的设计参数和实际使用寿命数据，基于历史组合梁的设计参数构建顶点图，以多个顶点图作为训练数据，将对应的实际使用寿命数据作为训练标签；

[0102] 选择损失函数和优化方法，损失函数选择均方误差损失函数，优化方法可以使用Adam、RMSProp等优化算法；

[0103] 将训练数据和标签输入寿命预测模型，进行前向传播计算损失，根据损失做反向传播更新模型参数。

[0104] 可使用验证集监控训练过程，防止过拟合。

[0105] 如图2所示，一种组合梁的负弯矩区抗裂承载力计算系统，其用于执行如上述的一种组合梁的负弯矩区抗裂承载力计算方法，包括：

[0106] 数据获取模块1，于组合梁设计试验数据库中获取多个组合梁缩尺试件的设计参数集和实际的负弯矩区抗裂承载力；

[0107] 数据处理模块2，于多个组合梁缩尺试件的设计参数集和实际的负弯矩区抗裂承载力构建包含多个训练样本的训练数据集，每一个训练样本包括一个组合梁缩尺试件的设计参数集和实际的负弯矩区抗裂承载力，采用训练数据集对负弯矩区抗裂承载力预测模型进行训练，获得训练后的负弯矩区抗裂承载力预测模型；

[0108] 获取当前工程所需的组合梁的负弯矩区抗裂承载力，将当前工程所需的组合梁的负弯矩区抗裂承载力输入负弯矩区抗裂承载力预测模型，反向输出多个组合梁设计参数集；

[0109] 寿命预测模块3，获取当前工程的组合梁实际安装约束条件，基于当前工程的组合梁实际安装约束条件对多个组合梁设计参数集进行筛选，获取符合组合梁实际安装约束条件的若干个组合梁设计参数集，并输入寿命预测模型，输出每一个组合梁设计参数集所对应组合梁的使用寿命数据；

[0110] 选取使用寿命数据最大的组合梁设计参数集，若使用寿命数据最大的组合梁设计参数集的数量大于一，则计算每一个组合梁设计参数集所对应的生产成本，选择生产成本最低的一个组合梁设计参数集作为适用方案。

[0111] 一种存储介质，其存储了非暂时性计算机可读指令，当非暂时性计算机可读指令由计算机执行时，能够执行如上述的一种组合梁的负弯矩区抗裂承载力计算方法中的步骤。

[0112] 上面对本实施例进行了描述，但是本实施例并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实施例的启示下，还可做出很多形式，均属于本实施例的保护之内。