在斜拉桥完工桥梁锚索力优化中应用被动聚集快速群体搜索优化算法

为什么更直的桥很重要

现代斜拉桥是全球最引人注目的基础设施之一。但在其优雅的线条背后存在一场精细的平衡：如果索力未恰当调节，塔柱可能倾斜、桥面会下垂，内部应力会缩短桥梁的使用寿命。本文探讨了一种基于计算机的新方法，用以“重新调谐”中国某大型跨江斜拉桥的索力，使塔柱更直、桥面更平，而无需改变可见的设计。

斜拉桥如何保持形状

在斜拉桥中，数十甚至数百根钢索从高塔向外辐射以支撑桥面。在桥梁自重作用下，工程师希望成品结构满足一个简单的经验法则：“塔直梁平”。在实际工程中，这意味着限制塔顶的横向位移、防止桥面在支点间下垂，并避免梁体过度弯曲。传统计算方法可以满足部分目标，但常常忽略塔柱应力或需要工程师通过反复试验调整索力——对于如此复杂的结构，这一过程既缓慢又低效。

教会计算机群体调整索力

作者转而采用一类受动物群体启发的搜索方法，更直接地解决这一调谐问题。他们将一种常用工程工具——能够说明每根索对塔柱位移、桥面挠度和主梁弯曲影响的“影响矩阵”，与一种名为被动聚集快速群体搜索优化器（Quick Group Search Optimizer with Passive Congregation，QGSOPC）的先进搜索算法结合使用。简单来说，计算机将每一种可能的索力组合视为群体中的一个个体。有些个体“探索”新的组合，有些“追随”当前最优解，有些则游走以防群体陷入局部最优。影响矩阵使程序能够快速预测任一试验性索力组合将如何改变整个桥的形状和应力分布。

将方法应用到真实的大桥上

为检验该方法，研究人员将其应用于广东西江上的一座五跨双塔斜拉桥，采用208根斜索，主跨580米。他们使用标准结构软件建立了桥梁的详细计算模型，并仅允许26对代表性斜索随方案变化，以反映桥的对称性。搜索算法的任务是在仅考虑永久荷载（自重）的条件下，寻找能减小塔顶侧向漂移、桥面竖向下垂和主梁峰值弯矩的索力组合。同时，索力必须保持在安全限度内，并避免相邻索力间出现突变，这类突变可能会产生局部薄弱点。

桥变得更直更平的程度

新方法带来的改进十分显著。与原始设计相比，QGSOPC 找到的优化索力将塔顶侧向位移约减少84%，从84.1毫米降至仅13.6毫米——基本上把明显的倾斜变为几乎不可察觉的偏移。桥面在自重作用下的最大下垂下降了约42%，主梁的峰值弯矩下降了11%。相比之下，一种更简单的算法变体群体搜索优化器（GSO）在桥面下垂方面虽有略微改善，但却加剧了塔柱倾斜并增加了梁的弯矩。总体而言，衡量这三项效应的综合评分在 QGSOPC 下下降了40.7%，而在 GSO 下为40.3%，表明新方法能提供更均衡、更有利于结构的解决方案。

这些变化在实际中的含义

优化后的索力通常高于原设计值，个别索力甚至提高多达60%，但仍远低于其强度极限。这可能要求采用更大推力的千斤顶并在施工阶段进行周密安排，但并不要求加粗塔柱或加重桥面，且安全性检查仍然满足规范。研究还指出，其结果适用于桥梁完工后的自重状态；诸如混凝土徐变、钢索松弛、温度变化和交通荷载等长期效应留作后续工作，此外还需与遗传算法、粒子群等其他常用搜索方法做直接比较。

通过更智能的调谐实现更简单的桥

对非专业读者而言，结论是：现在计算机能够以类似音乐家调音吉他的方式“调谐”斜拉桥——通过微调张力，直至整个系统达到期望的行为。QGSOPC 方法帮助工程师找到既能保持塔柱直立、桥面平整，又能更好平衡内部应力的索力分布，且遵守现实的施工与安全限制。随着此类智能优化扩展到考虑时间、温度和交通影响，未来有望在不改变桥梁外观的前提下（仅调整支撑它们的无形力平衡）实现更可靠、更耐久的地标性桥梁。

引用: Qin, G., Wang, L., Wu, Z. et al. Application of quick group search optimizer with passive congregation algorithm in cable force optimization of completed bridge of cable-stayed bridge. Sci Rep 16, 12770 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42581-1

关键词: 斜拉桥, 锚索力优化, 群体智能, 结构工程, 有限元分析