基于時序信息的橋梁施工工程關鍵節點承載力建模分析

摘 要：為了準確地預測和分析連續橋梁的關鍵節點承載力，提出基于時序信息的橋梁施工工程關鍵節點承載力建模分析方法.分析關鍵節點之間的受力情況，聚合關鍵節點承載力信息；應用注意力機制，計算連續橋梁施工工程關鍵節點極限承載力；利用平面參數化設計方法并結合時序信息，設計連續橋梁施工工程關鍵節點參數，構建橋梁施工工程關鍵節點承載力模型.實驗結果表明，應用該設計模型得到的連續橋梁關鍵節點受力誤差較小，低至0.04 kPa，具有較高的準確性.

關鍵詞：時序信息；注意力機制；連續橋梁施工；工程關鍵節點；承載力；建模

中圖分類號：U446

文獻標志碼：A

0 引 言

在橋梁施工工程中，關鍵節點的承載力是一個重要的參數，對工程的安全性和穩定性有著至關重要的影響［1］.然而，由于復雜的施工過程和不確定的環境因素，準確估計關鍵節點的承載力并非易事.在進行連續橋梁的承載力設計時，主要需要考慮到承載能力極限狀態及持久狀況應力情況，需要根據橋梁正截面及斜截面進行分析，同時也需要考慮其抗剪強度與變形程度等綜合性因素［2］.

目前，在連續橋梁的施工建模上，更偏向于常規的綜合性建模，但在橋梁關鍵節點的承載力上，并沒有很深入細致地進行研究，因此，本文提出基于時序信息的橋梁施工工程關鍵節點承載力建模分析方法.時序信息是時間序列之間的關聯，通過信息之間的關聯性達到事物的關聯［3］.注意力機制是循環時間序列的并行機制，通過結合并行性，進行神經網絡的深度遞歸與歸納，使得神經網絡具備專注于特征的能力.注意力機制的運用范圍較廣，可以運用于多種類型的輸入，并且對其輸入的限制較小［4］.將注意力機制運用于連續橋梁關鍵節點的承載力建模中，可以將有限的資源分配給更加重要的關鍵點.注意力機制主要分為2種，一類是聚焦式注意力機制，該類注意力機制的注意意識為有意識注意對象，另一類為顯著性注意力，主要是受外部刺激，從而導致無意識的注意力轉移.通過時序信息與注意力機制，可以選擇源語言中的輔助信息，縮短信息傳遞的距離［5］.為了提高估計關鍵節點承載力的精確性，本研究參照傳統的連續橋梁施工工程關鍵節點承載力建模方法，在基于時序信息和注意力機制情況下，對連續橋梁施工工程關鍵節點承載力進行建模分析.

1 關鍵節點承載力建模

1.1 聚合關鍵節點承載力信息

為建立連續橋梁施工工程關鍵節點承載力模型，聚合關鍵節點承載力信息［6-8］，根據關鍵節點信息的位置關系，關聯關鍵節點與其他節點部位之間的受力影響信息，建立關鍵節點的承載力離散變量函數表達式為，

η（x；y）=∑χ（x，y）logχ（x，y）χ（x）χ（y）（1）

式中，χ（x，y）為關鍵節點承載力聯合概率函數，χ（x）和χ（y）為關鍵節點承載力邊緣概率函數.在承載力受力中，由于受力因素眾多，且為離散狀態，所以參考離散函數的公式，將受力影響因素的重疊區域用函數表達式表示為，

β（A∩B）=∑G（A∩B）logG（A∩B）G（A）G（B）（2）

式中，G（A∩B）為承載力重疊區域的影響因素信息，G（A）與G（B）分別表示為區域的面積占比，通過將關鍵節點承載力的重復區域面積進行分析，增加無重疊部分的關聯度，降低重疊部分的關聯度，得到最終的關鍵節點承載力信息聚合結果.

1.2 基于注意力機制計算關鍵節點極限承載力

在關鍵節點承載力聚合信息結果基礎上，使用注意力機制，計算連續橋梁施工工程關鍵節點承載力［9-10］.以密集向量形式嵌入時序信息的時間序列，通過在向量上施加線性嵌入層，使用注意力機制嵌入聚合信息，強制控制嵌入編碼在-1～1之間，設承載力的序列事件表示為，

e={（ti，ji）}li=1（3）

式中，ti為關鍵節點承載力的計算條件，ji表示為承載力的類別，i={1，2，……，i}.在輸入層嵌入序列事件，將連續橋梁的關鍵節點間隔向量進行拼接，得到承載力線性嵌入層的向量表達式，用公式表達為，

wem=dwc（4）

式中，d為關鍵節點的類別向量，wc為間隔矩陣，根據嵌入層的向量表達式，可以得到關鍵節點承載力可訓練的模型，用函數表達為，

em=concat（wem，Δt）（5）

式中，Δt為關鍵節點位置間隔向量，Concat（.）為拼接運算，根據關鍵節點的承載力訓練模型，在結合承載力序列事件的基礎上，增加關鍵節點承載力的注意力［11］.同時，為了增加關鍵節點位置的靈活性，便于靈活計算承載力迭代的靈活性，加入自適應的迭代停止機制，通過線性變換，得到關鍵節點承載力強度的函數表達式為，

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

式中，μ為關鍵節點的卷積增強次數；r為次數的靈活性；e為承載力注意力；f為關鍵節點的位置，關聯承載力訓練模型，完成對關鍵節點極限承載力的計算.

1.3 基于時序信息的關鍵節點參數

基于極限承載力計算結果，使用時序信息詳細設計連續橋梁施工工程關鍵節點參數［12-14］，以平面參數化設計方法為基礎，設計連續橋梁的關鍵構建參數，其設計流程如圖1所示.

先使用設計軟件將關鍵節點的草圖設計出來，根據關鍵節點的外形特征，添加結構約束，同時按照一定方向添加距離數據，使得截面的圖形得到完美約束.對于不含圓弧的n邊形的關鍵節點，則其距離與角度的約束個數總和為2n-3.根據時序信息的信息參數，設置初始圖形的自由度為a，則在關鍵節點的自由度變化過程中，先拆解直線端交點處的重合約束，以增加2個自由度，通過加入圓弧，增加5個自由度，則相對完備約束的條件為距離和角度約束個數為2n-3+m.以梁截面為例，箱梁的主要結構為頂板與腹板，在參數化設計時只考慮半邊結構，以原點為起點，先設計結構的草圖，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.

在完整界面的基礎上，添加顯式結構約束，并添加尺寸約束，以已有輪廓為基礎，添加距離約束，使之滿足相對位置的主從關系［15］.對截面進行標注，直到截面圖形滿足完備約束，其約束參照圖如圖3所示.根據約束參照圖，添加結構的尺寸約束表，見表1.

根據約束條件，得到截面尺寸參數，從原點出發，建立相關的規則，建立約束方案，生成尺寸的參數，進行約束分析，完成對連續橋梁施工工程關鍵節點參數設計.

1.4 搭建橋梁施工工程關鍵節點承載力模型

通過設計的連續橋梁施工工程關鍵節點參數，構建橋梁施工工程關鍵節點承載力模型.為了方便承載力信息的交互，設置模型的文件以文本形式進行數據存儲，并使用通用的模型文件.模型的基本參數主要包括坐標系的表達，使用屬性進行屬性的標識，其屬性種類主要包括以下幾種，標識的類型說明見表2.

基于類型的說明，定義構件的組裝信息，并設置組裝的桿件類型，主要分為彎曲構件與板構件，并設置數據庫與構件代碼，其代碼形式如圖4所示.

通過代碼，設計連續橋梁關鍵節點承載力的地理空間，并將空間數據與屬性數據連接，組成統一的數據庫，建立起承載力對象與對象之間的聯系，通過對自定義的數據進行處理與轉換，得到橋梁施工工程關鍵節點承載力模型.

2 實 驗

為驗證所建立連續橋梁施工工程關鍵節點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驗對象，進行建模與分析.工程的總體情況為：轉體橋全長為 184.1 m，計算跨度為（49.1+85+50）m.

2.1 構建實驗模型

使用AutoCAD軟件繪制橋梁的截面，根據實驗對象的構造特點，設置具體的梁段模型.使用3ds Max軟件構建連續橋梁的三維模型，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#墩轉體段，B1～B9為145#墩轉體段，C段為中跨合攏段，A13和E段為邊跨現澆段，D為邊跨合攏段.主要路段路面的長度見表3.

在144#墩和145#墩均采用平面轉體施工法跨越橋梁，并且采用以轉鉸中心支撐為主、環道支撐為輔的轉動體系進行轉鉸的設計.主要采用的是球面平鉸，轉體前可進行結構體系承重，轉體后可進行姿態調整，轉鉸的平面圖如圖5所示.

根據橋面設計方案，以橋梁的中軸線為對稱點進行建模，構建截面的梁段，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注的截面尺寸，得到建模的橋體模型，如圖7所示.

將各個模型依次導入，按照參數進行拼接，得到連續橋梁的包括關鍵節點的模型.同時，在實驗過程中，使用基于WebGL的橋梁三維的連續橋梁施工工程關鍵節點承載力建模方法（對比方法1）及基于三維激光數據融合的連續橋梁施工工程關鍵節點承載力建模方法（對比方法2）2種方法進行建模，設置相同的參數，并選取主要的幾個關鍵節點作為分析對象進行分析與統計.

2.2 數據采集

建立仿真控制臺，對施工工程的關鍵節點施工過程進行統計，在仿真控制臺中載入橋梁整體模型，施工控制臺模擬施工過程，控制臺界面如圖8所示.

通過控制臺可以控制施工進度，并且可以同時在仿真過程中暫停施工過程，也可以重置施工過程，從而控制項目施工進度，以及采集數據.

2.3 實驗結果與分析

根據實驗，得到3種方法下的連續橋梁施工過程中關鍵節點的受力誤差數據見表4.

從表中可以看出，對比于其他2種模型，使用本文設計模型，在連續橋梁關鍵節點承載力的數值模擬上，其相對的誤差較小，低至0.04 kPa.本文設計的模型聚合了關鍵節點承載力的影響因素信息，通過使用注意力機制嵌入聚合信息，計算了關鍵節點承載強度，設計連續橋梁關鍵節點承載力參數，能滿足連續橋梁施工的需要.

3 結 論

本文基于時序信息與注意力機制，對連續橋梁施工工程關鍵節點承載力進行了建模分析.經實驗得到以下結論：在連續橋梁施工過程中的關鍵節點受力方面，使用本文設計模型的相對誤差較小，平均為0.11 kPa；在關鍵節點受力方面具有較高的準確性和精度，提高在連續橋梁施工過程中的可視化程度.希望本文的研究能夠為連續橋梁施工過程的關鍵節點承載力分析提供部分理論依據.

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（實習編輯：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

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