基于层次分析法的新型架桥机结构设计优化决策

焦国敏,赵科渊,徐格宁,幸运胜

(太原科技大学 机械工程学院,太原 030024)

架桥机是一种将预制梁片放置到预制桥墩上的大型机械设备.新规划的铁路路线将经过桥隧相连路段,架桥机需实现过隧道架梁.隧道要求250 km/h和350 km/h的断面尺寸如图1和图2所示,根据要求设计新型架桥机金属结构.新梁片主要参数为长40.0 m,宽12.6 m,高3.2 m,质量950 t.通过对现有铁路、公路架桥机主要机型分析研究[1-2],提出两个新型架桥机金属结构设计方案:① 新型运架一起式架桥机[3];② 新型下导梁式架桥机[4].采用许用应力法对两方案设计计算,基于层次分析法决策优化方案,通过定性和定量评价作为准则层判断矩阵评分依据,基于计算方案层权重因子决策出最佳方案.

图1 250 km/h隧道断面Fig.1 250 km/h tunnel section

图2 350 km/h遂道断面Fig.2 350 km/h tunnel section

1 架桥机金属结构设计方案

1.1 方案①:运架一体式架桥机

运架一体式架桥机,其主要结构包括主梁、前车、后车、主支腿、辅支腿、吊梁天车等(见图3).该机型主梁采用上下导梁拴结而成,前半段的下导梁加劲肋在导梁外侧,主支腿可以在下导梁前段,通过定扭矩马达驱动车轮组沿轨道行走.主支腿通过马达驱动液压缸垂直升降,相比SLJ900型流动式架桥机,在架梁作业程序上操作更加简洁和经济.

图3 运架一体式架桥机金属结构Fig.3 The metal structure of the integrated bridge machine

运架一体式架桥机架梁流程(见图4):① 运梁至梁片末端,主支腿就位桥墩上方;② 主支腿支撑,前车悬空;③ 主梁前移,辅支腿到达梁片末端;④ 辅支腿支撑,前车悬空;⑤ 主支腿前移,主支腿行走到桥墩上方;⑥ 主支腿支撑,辅支腿悬空;⑦ 主梁继前移,梁片就位,落梁.

图4 运架一体式架桥机架梁流程图Fig.4 The flow chart of the frame-mounted bridge

1.2 方案②：下导梁式架桥机

下导梁式架桥机,其主要结构包括主梁、导梁、前车、后车、支腿、吊梁天车、台车、立柱、导梁支腿和踏板等,如图5所示.该机型有3个立柱和2个台车,立柱固定在导梁下方,台车在定扭矩马达驱动下,车轮组沿装有轨道的导梁上行走.主梁运送导梁通过台车和立柱交替结合进行,这种运梁方式比钢丝绳运梁更加稳定可靠.

图5 下导梁式架桥机金属结构Fig.5 Metal structure of lower guide girder erecting machine

下导梁式架桥机架梁流程(见图6):① 运梁至梁片末端,立柱与台车结合运导梁前移;② 导梁到达桥墩上方预定位置,打开支腿支架支撑和踏板;③ 主梁继续前移,前车上踏板,支腿到达梁片末端支撑,前车悬空;④ 立柱与台车结合将导梁架在前一个桥墩上;⑤ 主梁继续前移,支腿到达桥墩位置上方;⑥ 支腿放下支撑,落梁.

图6 下导梁式架桥机架梁流程图Fig.6 Flow chart of frame girder of lower guide girder

2 定性、定量评价

上述两方案各有优缺点,难以量化评价以确定最优.因此,需从定性和定量分析比对评价.

2.1 定性评价

两个方案定性评价10项指标,分别是:安全性、可操作性、过隧道、隧道进出口架梁、经济性、爬坡与下坡、制造、运输、组装、保养与维修.每项评价指标方案①与方案②比较,评价好的打“√”,评价差的打“×”,见表1.方案①优点个数共7项,方案②优点个数共4项,显然方案①优点个数多于方案②.

表1 定性评价Tab.1 Qualitative evaluation

2.1.1安全性和可操作性评价

运架一体式架桥机在运梁和架梁流程中,主支腿、辅支腿在抬起和下放过程中,需工作人员给予辅助固定,工作人员在桥墩上进行操作;下导梁式架桥机在架梁流程中,主梁立柱与导梁上的台车结合起吊、运行导梁,当导梁到达预定位置时,需工作人员辅助拖拉导梁和打开支腿支架固定.两者相比较，前者安全性和可操作性优势明显.

2.1.2过隧道、隧道进出口架梁、爬坡与下坡评价

运架一体式架桥机和下导梁式架桥机过隧道见图7和图8,两个机型均可顺利通过隧道.由于下导梁式架桥机比运架一体式架桥机多一个导梁,运架梁过程比运架一体式架桥机复杂,在隧道进出口架梁时,考虑到导梁的运送,则方案①比方案②在隧道进出口架梁方便.根据架桥机设计参数允许最大作业纵坡2%,运架一体式架桥机的主支腿是升降形式,便于爬坡与下坡,而下导梁式架桥机导梁支架不能升降.运架一体式架桥机主梁只有1根比下导梁式架桥机在爬坡与下坡上更好,所以在爬坡性能上方案①比方案②好.

图7 运架一体式架桥机进出隧道口断面Fig.7 Transport frame integrated bridge machine out of the tunnel section

图8 下导梁式架桥机进出隧道口断面Fig.8 Under the guide girder erecting machine out of the tunnel section

2.1.3制造、运输、组装、保养与维修、经济性评价

从制造的角度评价,运架一体式架桥机与下导梁式架桥机相比，主梁采用上下导梁拴接形成;道轨多了两根,内外部筋肋多,因此后者比前者在制造上优势明显.

从运输和组装的角度评价,运架一体式架桥机与下导梁式架桥机相比，导梁少一根,主梁采用上下导梁拴接,所以前者比后者便于运输,而后者比前者现场组装更简单.

从保养与维修角度评价,运架一体式架桥机保养与维修主要是主支腿部件；下导梁式架桥机是台车和立柱部件,由于台车和立柱数量多、工作级别高,因此,在保养与维修方面运架一体式架桥机更容易.

从经济性角度评价,上述分析可知架桥机整个生命周期从制造、运输、组装、保养与维修4个阶段，两个方案优势各占两个,但从架桥机整个生命周期来看方案②要比方案①更经济.

2.2 定量评价

两个方案定量评价7项指标,分别是:整机质量、施工载荷、主梁最大强度、主梁(大跨度)刚度、主梁(大悬臂)刚度、主梁整体稳定性和主梁局部稳定性.每项评价指标方案①与方案②比较,相比好的打“√”,差的打“×”.方案①优点个数6项,方案②优点个数是3项,显然方案①优点个数多于方案②.具体如表2所示.

2.2.1整机质量和施工载荷评价

运架一体式架桥机主梁质量600 t,前车质量114 t,后车质量120 t,主支腿质量48 t,辅支腿质量10 t,整机质量892 t.下导梁式架桥机主梁质量466 t,导梁质量182 t,前车质量100 t,后车质量100 t,主支腿质量10 t,立柱和台车质量25 t,整机质量883 t.因此，方案①较方案②轻;两方案的施工载荷分别是1 453 t,1 534 t,显然方案①较方案②施工载荷小.

2.2.2主梁最大强度、刚度和稳定性评价

运架一体式架桥机和下导梁式架桥机主梁最大强度、刚度、稳定性见表2.由表2可知,主梁最大强度方案①比方案②较好.

表2 定量评价Tab.2 Quantitative evaluation

通过计算两方案的主梁整体稳定性和局部稳定性都满足要求.

3 层次分析法

上述定性和定量的17项评价指标权重系数不能确定,因此,应用层次分析法确定每项评价指标权重系数和决策架桥机结构设计最优方案.

3.1 层次分析法原理

层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是美国运筹学家T.L.Saaty[6-7]教授于20世纪70年代初期提出,AHP是确定复杂问题多因素中各个要素权重的一种方法,利用数学方法计算反映每一层次元素的相对重要性次序的权值,通过所有层次之间的总排序计算所有元素的相对权重,并进行排序,从而对复杂问题做出正确决策.

3.2 建立架桥机结构设计优化评价体系

3.2.1层次结构的划分

以运架一体式架桥机和下导梁式架桥机为评价对象,定性和定量为评价主体,建立架桥机结构设计优化评价指标体系，如图9所示.

图9 架桥机结构设计优化层次结构模型Fig.9 Structure design optimization hierarchy model of bridge machine

目标层:新型架桥机结构设计方案优化(A).

准则层:安全性B1,可操作性B2,过隧道B3,隧道进出口架梁B4,爬坡与下坡B5,制造B6,运输B7,组装B8，保养与维修B9,经济性B10,整机质量B11,施工载荷B12,主梁最大强度B13,主梁(大跨度)刚度B14,主梁(大悬臂)刚度B15,主梁整体稳定性B16,主梁局部稳定性B17.

方案层:方案①(运架一体式架桥机C1)、方案②(下导梁式架桥机C2).

3.2.2层次分析法确定架桥机结构设计的评价指标权重

(1) 层次分析法确定权重流程.根据AHP的基本思想,依据上述定性和定量的评价结果分析，比对填写判断矩阵.可根据流程图10确定评价指标的权重,层次分析法确定评价指标权重计算流程如下.

图10 层次分析法确定权重流程Fig.10 The process to determine the weight by AHP

(2) 构造准则层比较判断矩阵.评价层次模型建立之后,上下层次指标之间的隶属关系即确定了,对同一层次指标进行两两比较,其比较结果以1～9标度法表示,各级标度的含义如表3所示.

表3 层次分析法比较标度Tab.3 The scale and meaning of judgement matrix

17项评价指标x={x1,x2,…,x17}对目标层的权重,首先确定17项评价指标在准则层中所占权重,每次取两项指标成对比较,即αij表示αi和αj对所在准则层的影响之比,将评价结果经过两两比较之后,按矩阵标度评价指标体系得出判断矩阵A,如表4所示.

表4 判断矩阵ATab.4 The judgment matrix

判断矩阵A={αij}中的值应满足下列条件:① 正互反性,αij>0,αij=1/αji,αii=1;② 一致性,αijαjk=αik,i,j,k=1,2,…,n.满足上述条件的正反矩阵A为一致性矩阵.

3.3 计算单排序评价指标权重并做一致性检验

3.3.1用和积法计算准则层评价指标权重

(1) 将判断矩阵A的每一列元素作归一化处理,元素的一般项:

(2) 再将每一列经归一化处理后的判断矩阵按行相加为

(3) 对向量

归一化处理:

得出所求的特征向量近似解为

即各评价指标权重如表5所示.

表5 评价指标权重Tab.5 Evaluation index weight

3.3.2计算准则层判断矩阵A的最大特征值

判断矩阵A的最大特征值为

式中:λmax为判断矩阵A的最大特征值;Wi为各项指标权重.

3.3.3准则层一致性检验

表6 平均随机一致性指标RITab.6 The average random consistency targets RI

3.4 计算方案层判断矩阵的特征向量和一致性检验

17项评价指标分别对方案层按层次分析法比较标度表3评分,确定方案层判断矩阵分别为

17个判断矩阵对应特征向量如表7所示.经查表,二阶判断矩阵RI为0,显然二阶判断矩阵符合正反矩阵,满足判断矩阵一致性条件.

3.5 层次总排序及一致性检验

表7 方案层判断矩阵特征向量Tab.7 Scheme layer judgment matrix eigenvector

4 结论

(1) 通过10项指标的定性评价和7项指标的定量评价:方案①优点个数均多于方案②.

(2) 通过层次分析法决策:方案①优于方案②.

(3) 由于每项评价指标对方案的权重不同,因此采用层次分析法(AHP)确定每项评价指标权重,综合评价指标考虑复杂问题定性和定量分析,达到理想的判断单层次和总层次一致性结果.

(4) 评价指标权重系数较高的安全性0.094 9、过隧道0.079 8、主梁最大强度0.076 5、主梁(大跨度)刚度0.076 5、主梁(大悬臂)刚度0.076 5、主梁整体稳定性0.076 5、主梁局部稳定性0.076 5,符合架桥机金属结构一般设计要求,对权重系数较大的指标,应在技术设计中予以重点考虑.

[1] 黄耀怡，余春红.略论我国大吨位架桥机从创始到世界领先之路(上)[J].铁道建筑技术,2015(2):1-24.

HUANG Y Y,YU C H.A brief discussion on growth road of China’s large tonnage machine from its beginning to leading position in the world[J].Railway Construction Technology,2015(2):1-24.

[2] 黄耀怡，余春红.略论我国大吨位架桥机从创始到世界领先之路(下)[J].铁道建筑技术,2015(4):1-23.

HUANG Y Y,YU C H.A brief discussion on growth road of China’s large tonnage machine from its beginning to leading position in the world[J].Railway Construction Technology,2015(4):1-23.

[3] 陈士通，孙志星，张平，等.SLJ 900/32 流动式架桥机设计选型与应用[J],铁道工程学报,2015,196(1):88-114.

CHEN S T,SUN Z X,ZHANG P,et al.Selecting type and application of SLJ 900/32 mobile bridge erecting machine[J].Journal of Railway Engineering Society,2015,196(1):88-114.

[4] 庞凤起.JQ900型下导梁架桥机设计与施工技术[J].铁道标准设计,2008(8):75-77.

PANG F Q.Design and construction technology of JQ900 type lower girder erecting machine [J] .Railway Standard Design,2008(8):75-77.

[5] 全国起重机械标准化技术委员会(SAC/TC 227).架桥机通用技术条件GB/T 26470—2011.[S].秦皇岛：中国标准出版社,2011.

National Standardization Technical Committee Crane (SAC/TC 227).General technical requirements for bridge erecting machines GB/T26470—2011[S].Beijing:China Standard Press,2011.

[6] 刘金林，曾凡明.基于模糊AHP的舰船动力装置需求指标权重计算方法[J].大连海事大学学报,2012,38(4):35-38.

LIU J L,ZENG F M.Weight calculation method of ship’s power plant demand index based on fuzzy[J].Journal of Dalian Maritime University,2012,38(4):35-38.

[7] 梁政，董超群,田家林,等.层次分析法确定压缩机整体评价部件权重[J].西南石油大学学报,2014,36(5):176-184.

LIANG Z,DONG C Q,TIAN J L,et al.Component weight factor determination of the nature gas compressor integrity assessment based on AHP[J].Journal of Southwest Petroleum University,2014.36(5):176-184.

[8] YAN S L,WANG Y,LIU J C.Research on the comprehensive evaluation of business intelligence system basedon BP neural network[C]∥International Conference on Complexity Science & Information Engineering.2012.275-281.

[9] 刘胜，张玉廷，于大泳.小生境遗传算法修正三角模糊数互补判断矩阵一致性及排序[J].系统工程理论与实践,2011,31(3):522-529.

LIU S,ZHANG Y T,YU D Y.Consistency improvementand priority of triangular fuzzy number complementary judgment matrix based on niche genetic algorithm[J].Systems Engineering Theory and Practice,2011,31(3):522-529.