一种斜向预应力机场道面张拉策略优化方法及装置

本发明属于预应力施工，具体涉及一种斜向预应力机场道面张拉策略优化方法和一种斜向预应力机场道面张拉策略优化装置。

背景技术：

1、机场道面板需要长期承受飞机轮载、温度梯度、基层支承差异、施工残余应力以及运营阶段重复荷载等作用。对于承载要求较高、板体尺度较大或需要提高抗裂性能的机场道面结构，预应力技术能够改善道面板受力状态，降低拉应力集中风险并提高结构耐久性。斜向预应力机场道面板是将预应力筋相对于板边或主要荷载传递方向斜向布置的道面结构形式，其预应力传递路径与普通正交布筋方式不同，预应力筋组之间的相互作用更加明显。

2、在斜向预应力机场道面板张拉施工过程中，预应力筋通常按组进行张拉，并可采用多级张拉方式。每一次选择张拉哪一组预应力筋、张拉到哪个目标级别或施加多大的张拉增量，都会改变板体应力场、板体位移场、板底接触状态、预应力筋受力状态以及锚固区局部受力状态。由于斜向布置使不同预应力筋组在空间上存在耦合关系，不同张拉顺序和分级张拉方式可能导致不同的施工阶段应力峰值、板边翘曲位移和锚固区局部应力集中。

3、现有张拉策略通常依赖工程经验、对称张拉原则或少量有限元试算确定，但上述方法具有一定工程可操作性，但难以系统考虑斜向预应力筋组之间在逐步张拉过程中的阶段性耦合效应，也难以评价所有施工步中的局部不利响应，并且如果有限元仿真直接穷举所有预应力筋组张拉顺序和张拉级别组合，计算次数会随预应力筋组数量和张拉级数快速增加，难以在可控策略空间内获得兼顾全过程安全和施工效率的张拉方案。

4、此外，现有张拉策略优化往往只关注最终应力状态或单一安全指标，对施工全过程中的应力安全、应力均匀性、位移控制、锚固区安全和工序效率缺少统一评价。对于由智能算法生成的策略，如果不能在每一决策步直接依据有限元求解结果更新状态和约束，则容易出现训练路径与真实施工受力路径不一致的问题。

5、因此，亟需一种能获得满足施工全过程多目标约束且具有工程可解释性的张拉策略。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种斜向预应力机场道面张拉策略优化方法，解决现有斜向预应力机场道面张拉策略主要依赖经验确定、全组合有限元搜索计算成本高、简化模型难以准确表征施工步结构响应、强化学习状态转移与真实有限元受力过程脱节以及难以兼顾施工全过程多目标约束的问题。

2、技术方案如下：

3、一种斜向预应力机场道面张拉策略优化方法，包括如下步骤：

4、步骤1：获取斜向预应力机场道面板的工程输入参数，所述工程输入参数包括道面板参数、基层参数、预应力筋组参数、张拉级别参数、边界条件和施工约束条件；

5、步骤2：基于所述工程输入参数建立斜向预应力机场道面板的参数化有限元模型，所述参数化有限元模型用于模拟不同张拉施工步下的板体应力场、板体位移场、预应力筋受力状态和锚固区受力状态；

6、步骤3：将所述斜向预应力机场道面板的张拉施工过程构建为序贯决策问题，其中每一决策步的动作包括选择待张拉的预应力筋组以及选择张拉目标级别或张拉增量；

7、步骤4：构建强化学习环境，所述强化学习环境包括状态空间、逐步张拉式动作空间、状态转移方式、约束校核方式和奖励函数；

8、步骤5：在所述强化学习环境的每一决策步中，由强化学习智能体基于当前张拉状态选择逐步张拉式动作，所述逐步张拉式动作包括选择下一步待张拉的预应力筋组以及选择所述待张拉预应力筋组的张拉目标级别或张拉增量；

9、步骤6：将截至当前决策步已经选择的逐步张拉式动作累计为阶段性张拉策略，将阶段性张拉策略转换为有限元分析步序列，有限元分析步序列中的每一分析步对应一个已累计的逐步张拉式动作，再通过脚本接口调用有限元求解器，由参数化有限元模型按照阶段性张拉策略重新生成或在上一决策步有限元计算结果的基础上通过重启动分析、状态文件继承或分析步追加的方式继续计算并进行有限元求解，并在分析作业完成后读取输出数据库，以获得所述当前决策步后的结构响应数据；

10、步骤7：从所述有限元求解器的计算结果中提取当前决策步后的结构响应数据，根据所述结构响应数据进行约束校核和奖励计算，并更新所述强化学习环境的下一状态，当任一决策步对应的结构响应不满足结构安全约束时，对当前逐步张拉式动作施加约束惩罚和/或终止当前训练回合；当全过程张拉施工步均满足结构安全约束时，将对应候选张拉策略确定为满足约束的张拉策略；

11、步骤8：重复执行步骤5至7，直至满足张拉完成判据或训练回合终止判据，获得全部的候选张拉策略；

12、步骤9：对所述候选张拉策略对应的全过程有限元结构响应进行校核，输出满足结构安全约束和施工约束条件的张拉策略以及对应的结构响应校核结果，其中，所述张拉策略为优化后的斜向预应力机场道面张拉策略，包括预应力筋组张拉顺序以及各预应力筋组对应的张拉目标级别或张拉增量。

13、进一步的，步骤1中所述的道面板参数包括道面板长度、道面板宽度、道面板厚度、混凝土弹性模量、混凝土泊松比、混凝土抗拉强度、混凝土抗压强度、板边约束形式和锚固区位置中的至少一种；所述基层参数包括基层弹性模量、基层厚度、基层支承刚度、板底摩擦参数和板底接触参数中的至少一种；预应力筋组参数包括预应力筋斜向布置角度、预应力筋组编号、预应力筋组数量、预应力筋间距、预应力筋直径、预应力筋弹性模量、预应力筋锚固位置和预应力筋与道面板的耦合关系中的至少一种；张拉级别参数包括分级张拉力、张拉控制应力、单步张拉增量、张拉级数、最终张拉级别和张拉完成判据中的至少一种；所述施工约束条件包括单步最大张拉增量约束、已达到最终张拉级别的预应力筋组禁止继续张拉约束、相邻预应力筋组张拉顺序约束、对称张拉约束、最大施工步数约束和张拉设备作业约束中的至少一种。

14、进一步的，步骤2中所述的斜向预应力机场道面板的参数化有限元模型包括能通过脚本接口调用有限元求解器，其中，所述有限元求解器包括abaqus，所述脚本接口包括python脚本接口，参数化有限元模型根据工程输入参数自动生成或更新道面板几何模型、基层模型、预应力筋组模型、锚固区模型、接触关系、边界条件、张拉分析步和结果输出变量。

15、进一步的，步骤4中所述的状态空间包括已张拉预应力筋组标识、各预应力筋组当前张拉级别、当前施工步编号、当前最大拉应力、当前最大压应力、当前板体位移、当前板边翘曲位移、当前锚固区应力指标、当前应力均匀性指标和当前约束校核标识中的至少一种；所述当前约束校核标识包括应力超限标识、位移超限标识、锚固区应力超限标识和动作合法性标识中的至少一种；所述逐步张拉式动作空间由预应力筋组选择动作和张拉级别选择动作组成；其中，所述预应力筋组选择动作对应于从多个预应力筋组中确定下一步待张拉预应力筋组，所述张拉级别选择动作对应于确定所述下一步待张拉预应力筋组的张拉目标级别或张拉增量；所述约束校核方式包括动作掩码机制，所述动作掩码机制用于根据所述施工约束条件屏蔽不满足张拉级别约束、张拉顺序约束、最大施工步数约束或动作合法性约束的候选动作。

16、进一步的，步骤4中所述的奖励函数根据应力安全指标、应力均匀性指标、位移控制指标和工序效率指标确定；所述应力安全指标根据最大拉应力、最大压应力和锚固区局部应力相对于对应允许值的超限程度确定；所述应力均匀性指标根据板面、板底或指定有限元输出区域的应力标准差、应力变异系数或应力极差确定；所述位移控制指标根据竖向位移、板边翘曲位移或相邻区域差异位移相对于对应位移限值的超限程度确定；所述工序效率指标根据总张拉步数、无效动作次数和张拉设备转场次数中的至少一种确定；所述奖励函数包括安全奖励项、均匀性奖励项、位移控制奖励项、工序效率奖励项和约束惩罚项；当任一张拉施工步对应的最大拉应力、最大压应力、锚固区局部应力、竖向位移、板边翘曲位移或相邻区域差异位移超过对应预设阈值时，对当前动作施加约束惩罚和/或终止当前训练回合，否则输出奖励值。

17、进一步的，步骤7中所述的结构响应数据包括最大主拉应力、最大压应力、板面应力均匀性指标、板底应力均匀性指标、竖向位移最大值、板边翘曲位移、相邻区域差异位移、锚固区局部应力、预应力筋应力、板底接触压力分布、超限位置坐标和约束违反记录中的至少一种。

18、进一步的，步骤8中所述的获得候选张拉策略后，对候选张拉策略进行敏感性分析，所述敏感性分析的变量包括预应力筋斜向布置角度、张拉控制力、分级张拉方式、基层刚度、边界约束刚度和道面板材料参数中的至少一种；根据所述敏感性分析的结果输出张拉策略适用范围、策略修正规则、不同工程参数下的推荐张拉顺序或推荐张拉级别。

19、一种斜向预应力机场道面张拉策略优化装置，包括参数获取模块，用于获取斜向预应力机场道面板的工程输入参数，工程输入参数包括道面板参数、基层参数、预应力筋组参数、张拉级别参数、边界条件和施工约束条件；有限元建模模块，用于基于所述工程输入参数建立斜向预应力机场道面板的参数化有限元模型；序贯决策建模模块，用于将所述斜向预应力机场道面板的张拉施工过程构建为序贯决策问题，其中每一决策步的动作包括选择待张拉的预应力筋组以及选择张拉目标级别或张拉增量；在线有限元调用模块，用于将强化学习智能体在每一决策步已经累计形成的阶段性张拉策略转换为有限元分析步序列，并通过脚本接口调用有限元求解器进行有限元求解；响应提取模块，用于从所述有限元求解器的计算结果中提取当前决策步后的结构响应数据；强化学习优化模块，包括状态编码单元、动作掩码单元、奖励计算单元和约束处理单元，用于构建包括状态空间、逐步张拉式动作空间、状态转移方式、约束校核方式和奖励函数的强化学习环境，并训练强化学习智能体逐步生成候选张拉策略，其中状态编码单元用于生成当前张拉状态向量，动作掩码单元用于屏蔽不满足施工约束条件的候选动作，奖励计算单元用于根据应力安全指标、应力均匀性指标、位移控制指标和工序效率指标计算奖励值，约束处理单元用于在结构响应超限时施加约束惩罚和/或终止当前训练回合；全过程校核模块，用于对所述候选张拉策略对应的全过程有限元结构响应进行校核，获得满足结构安全约束和施工约束条件的张拉策略；策略输出模块，用于输出所述优化后的张拉策略以及对应的结构响应校核结果。

20、一种电子设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并能够在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述斜向预应力机场道面张拉策略优化方法的步骤。

21、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被斜向预应力机场道面张拉策略优化装置执行时实现如上述斜向预应力机场道面张拉策略优化方法的步骤。

22、有益效果：

23、1）本发明将斜向预应力机场道面张拉施工过程抽象为序贯决策问题，使预应力筋组选择和张拉级别选择能够通过状态空间、动作空间、奖励函数和约束校核方式统一描述，提高了张拉策略优化的系统性；采用逐步张拉式动作设计，将“下一步张拉哪一组预应力筋”和“张拉到哪个目标级别或增量”作为可解释动作，使强化学习输出能够直接转换为施工张拉步骤和abaqus分析步。

24、2）在强化学习每一决策步均通过脚本接口调用abaqus求解当前累计张拉策略，能够直接反映不同张拉施工步下板体应力场、板体位移场、预应力筋受力状态和锚固区受力状态的变化，为策略优化提供有限元力学依据。

25、3)在奖励函数中综合考虑应力安全、应力均匀性、位移控制和工序效率，并通过约束惩罚和/或训练回合终止机制限制不安全张拉路径，有利于获得满足施工全过程多目标约束的张拉策略。

26、4)将有限元求解嵌入强化学习状态转移与奖励计算过程，使策略训练阶段即完成全过程结构响应校核，避免强化学习训练路径与有限元真实受力路径不一致，提高了输出策略的工程可解释性和可靠性。

27、5)通过敏感性分析输出张拉策略适用范围、策略修正规则、不同工程参数下的推荐张拉顺序或推荐张拉级别，有利于适应不同斜向角度、张拉控制力、分级张拉方式和基层刚度条件。