基于时序信息的桥梁施工工程关键节点承载力建模分析

摘 要：为了准确地预测和分析连续桥梁的关键节点承载力，提出基于时序信息的桥梁施工工程关键节点承载力建模分析方法.分析关键节点之间的受力情况，聚合关键节点承载力信息；应用注意力机制，计算连续桥梁施工工程关键节点极限承载力；利用平面参数化设计方法并结合时序信息，设计连续桥梁施工工程关键节点参数，构建桥梁施工工程关键节点承载力模型.实验结果表明，应用该设计模型得到的连续桥梁关键节点受力误差较小，低至0.04 kPa，具有较高的准确性.

关键词：时序信息；注意力机制；连续桥梁施工；工程关键节点；承载力；建模

中图分类号：U446

文献标志码：A

0 引 言

在桥梁施工工程中，关键节点的承载力是一个重要的参数，对工程的安全性和稳定性有着至关重要的影响［1］.然而，由于复杂的施工过程和不确定的环境因素，准确估计关键节点的承载力并非易事.在进行连续桥梁的承载力设计时，主要需要考虑到承载能力极限状态及持久状况应力情况，需要根据桥梁正截面及斜截面进行分析，同时也需要考虑其抗剪强度与变形程度等综合性因素［2］.

目前，在连续桥梁的施工建模上，更偏向于常规的综合性建模，但在桥梁关键节点的承载力上，并没有很深入细致地进行研究，因此，本文提出基于时序信息的桥梁施工工程关键节点承载力建模分析方法.时序信息是时间序列之间的关联，通过信息之间的关联性达到事物的关联［3］.注意力机制是循环时间序列的并行机制，通过结合并行性，进行神经网络的深度递归与归纳，使得神经网络具备专注于特征的能力.注意力机制的运用范围较广，可以运用于多种类型的输入，并且对其输入的限制较小［4］.将注意力机制运用于连续桥梁关键节点的承载力建模中，可以将有限的资源分配给更加重要的关键点.注意力机制主要分为2种，一类是聚焦式注意力机制，该类注意力机制的注意意识为有意识注意对象，另一类为显著性注意力，主要是受外部刺激，从而导致无意识的注意力转移.通过时序信息与注意力机制，可以选择源语言中的辅助信息，缩短信息传递的距离［5］.为了提高估计关键节点承载力的精确性，本研究参照传统的连续桥梁施工工程关键节点承载力建模方法，在基于时序信息和注意力机制情况下，对连续桥梁施工工程关键节点承载力进行建模分析.

1 关键节点承载力建模

1.1 聚合关键节点承载力信息

为建立连续桥梁施工工程关键节点承载力模型，聚合关键节点承载力信息［6-8］，根据关键节点信息的位置关系，关联关键节点与其他节点部位之间的受力影响信息，建立关键节点的承载力离散变量函数表达式为，

η（x；y）=∑χ（x，y）logχ（x，y）χ（x）χ（y）（1）

式中，χ（x，y）为关键节点承载力联合概率函数，χ（x）和χ（y）为关键节点承载力边缘概率函数.在承载力受力中，由于受力因素众多，且为离散状态，所以参考离散函数的公式，将受力影响因素的重叠区域用函数表达式表示为，

β（A∩B）=∑G（A∩B）logG（A∩B）G（A）G（B）（2）

式中，G（A∩B）为承载力重叠区域的影响因素信息，G（A）与G（B）分别表示为区域的面积占比，通过将关键节点承载力的重复区域面积进行分析，增加无重叠部分的关联度，降低重叠部分的关联度，得到最终的关键节点承载力信息聚合结果.

1.2 基于注意力机制计算关键节点极限承载力

在关键节点承载力聚合信息结果基础上，使用注意力机制，计算连续桥梁施工工程关键节点承载力［9-10］.以密集向量形式嵌入时序信息的时间序列，通过在向量上施加线性嵌入层，使用注意力机制嵌入聚合信息，强制控制嵌入编码在-1～1之间，设承载力的序列事件表示为，

e={（ti，ji）}li=1（3）

式中，ti为关键节点承载力的计算条件，ji表示为承载力的类别，i={1，2，……，i}.在输入层嵌入序列事件，将连续桥梁的关键节点间隔向量进行拼接，得到承载力线性嵌入层的向量表达式，用公式表达为，

wem=dwc（4）

式中，d为关键节点的类别向量，wc为间隔矩阵，根据嵌入层的向量表达式，可以得到关键节点承载力可训练的模型，用函数表达为，

em=concat（wem，Δt）（5）

式中，Δt为关键节点位置间隔向量，Concat（.）为拼接运算，根据关键节点的承载力训练模型，在结合承载力序列事件的基础上，增加关键节点承载力的注意力［11］.同时，为了增加关键节点位置的灵活性，便于灵活计算承载力迭代的灵活性，加入自适应的迭代停止机制，通过线性变换，得到关键节点承载力强度的函数表达式为，

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

式中，μ为关键节点的卷积增强次数；r为次数的灵活性；e为承载力注意力；f为关键节点的位置，关联承载力训练模型，完成对关键节点极限承载力的计算.

1.3 基于时序信息的关键节点参数

基于极限承载力计算结果，使用时序信息详细设计连续桥梁施工工程关键节点参数［12-14］，以平面参数化设计方法为基础，设计连续桥梁的关键构建参数，其设计流程如图1所示.

先使用设计软件将关键节点的草图设计出来，根据关键节点的外形特征，添加结构约束，同时按照一定方向添加距离数据，使得截面的图形得到完美约束.对于不含圆弧的n边形的关键节点，则其距离与角度的约束个数总和为2n-3.根据时序信息的信息参数，设置初始图形的自由度为a，则在关键节点的自由度变化过程中，先拆解直线端交点处的重合约束，以增加2个自由度，通过加入圆弧，增加5个自由度，则相对完备约束的条件为距离和角度约束个数为2n-3+m.以梁截面为例，箱梁的主要结构为顶板与腹板，在参数化设计时只考虑半边结构，以原点为起点，先设计结构的草图，再添加水平约束，若其自由度不为0，则添加约束条件，直到被完全约束，如图2所示.

在完整界面的基础上，添加显式结构约束，并添加尺寸约束，以已有轮廓为基础，添加距离约束，使之满足相对位置的主从关系［15］.对截面进行标注，直到截面图形满足完备约束，其约束参照图如图3所示.根据约束参照图，添加结构的尺寸约束表，见表1.

根据约束条件，得到截面尺寸参数，从原点出发，建立相关的规则，建立约束方案，生成尺寸的参数，进行约束分析，完成对连续桥梁施工工程关键节点参数设计.

1.4 搭建桥梁施工工程关键节点承载力模型

通过设计的连续桥梁施工工程关键节点参数，构建桥梁施工工程关键节点承载力模型.为了方便承载力信息的交互，设置模型的文件以文本形式进行数据存储，并使用通用的模型文件.模型的基本参数主要包括坐标系的表达，使用属性进行属性的标识，其属性种类主要包括以下几种，标识的类型说明见表2.

基于类型的说明，定义构件的组装信息，并设置组装的杆件类型，主要分为弯曲构件与板构件，并设置数据库与构件代码，其代码形式如图4所示.

通过代码，设计连续桥梁关键节点承载力的地理空间，并将空间数据与属性数据连接，组成统一的数据库，建立起承载力对象与对象之间的联系，通过对自定义的数据进行处理与转换，得到桥梁施工工程关键节点承载力模型.

2 实 验

为验证所建立连续桥梁施工工程关键节点承载力模型的有效性，以跨津保铁路桥梁工程及京雄高铁并行段为实验对象，进行建模与分析.工程的总体情况为：转体桥全长为 184.1 m，计算跨度为（49.1+85+50）m.

2.1 构建实验模型

使用AutoCAD软件绘制桥梁的截面，根据实验对象的构造特点，设置具体的梁段模型.使用3ds Max软件构建连续桥梁的三维模型，工程的桥梁段信息如下：

主梁采用 C55 混凝土，挂篮分段悬浇施工.根据施工顺序划分为A13、A1～A12、A14、C、B1～B9、D和E共15段，其中A1～A12+A14为144#墩转体段，B1～B9为145#墩转体段，C段为中跨合拢段，A13和E段为边跨现浇段，D为边跨合拢段.主要路段路面的长度见表3.

在144#墩和145#墩均采用平面转体施工法跨越桥梁，并且采用以转铰中心支撑为主、环道支撑为辅的转动体系进行转铰的设计.主要采用的是球面平铰，转体前可进行结构体系承重，转体后可进行姿态调整，转铰的平面图如图5所示.

根据桥面设计方案，以桥梁的中轴线为对称点进行建模，构建截面的梁段，得到模型，如图6所示.

通过梁段的建模，在桥梁模型中输入施工图纸中标注的截面尺寸，得到建模的桥体模型，如图7所示.

将各个模型依次导入，按照参数进行拼接，得到连续桥梁的包括关键节点的模型.同时，在实验过程中，使用基于WebGL的桥梁三维的连续桥梁施工工程关键节点承载力建模方法（对比方法1）及基于三维激光数据融合的连续桥梁施工工程关键节点承载力建模方法（对比方法2）2种方法进行建模，设置相同的参数，并选取主要的几个关键节点作为分析对象进行分析与统计.

2.2 数据采集

建立仿真控制台，对施工工程的关键节点施工过程进行统计，在仿真控制台中载入桥梁整体模型，施工控制台模拟施工过程，控制台界面如图8所示.

通过控制台可以控制施工进度，并且可以同时在仿真过程中暂停施工过程，也可以重置施工过程，从而控制项目施工进度，以及采集数据.

2.3 实验结果与分析

根据实验，得到3种方法下的连续桥梁施工过程中关键节点的受力误差数据见表4.

从表中可以看出，对比于其他2种模型，使用本文设计模型，在连续桥梁关键节点承载力的数值模拟上，其相对的误差较小，低至0.04 kPa.本文设计的模型聚合了关键节点承载力的影响因素信息，通过使用注意力机制嵌入聚合信息，计算了关键节点承载强度，设计连续桥梁关键节点承载力参数，能满足连续桥梁施工的需要.

3 结 论

本文基于时序信息与注意力机制，对连续桥梁施工工程关键节点承载力进行了建模分析.经实验得到以下结论：在连续桥梁施工过程中的关键节点受力方面，使用本文设计模型的相对误差较小，平均为0.11 kPa；在关键节点受力方面具有较高的准确性和精度，提高在连续桥梁施工过程中的可视化程度.希望本文的研究能够为连续桥梁施工过程的关键节点承载力分析提供部分理论依据.

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（实习编辑：罗 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

作者简介：王 聪（1985—），男，从事岩土工程研究.E-mail：puxie060920@163.com