斜拉桥的索力优化

斜拉桥索力优化简介

一、斜拉桥得概况

斜拉桥又称斜张桥,其上部结构由主梁、拉索与索塔三种构件组成。它就是一种桥面系以加劲梁受弯或受压为主,支承体系以斜拉索受拉与主塔受压为主得桥梁。斜拉索作为主梁与索塔得联系构件,将主梁荷载通过拉索得拉力传递到索塔上,同时还可以通过拉索得张拉对主梁施加体外预应力,拉索与主梁得结点可以视为主梁跨度内得若干弹性支承点,从而使主梁弯矩明显减小,主梁尺寸以及主梁重量也相应减小,大大改善了主梁得受力性能,显著提高了桥梁得跨越能力。根据主梁所用建筑材料得不同,可将现代斜拉桥分为钢斜拉桥、混凝土斜拉桥、结合梁斜拉桥以及混合式斜拉桥等。早期斜拉桥得主梁均为钢结构,其形式主要为双箱或单箱配以正交异性板。随着技术进步,19世纪中期出现了第一座现代意义得混凝土斜拉桥,从此,混凝土斜拉桥进入了人们得视野。

混凝土斜拉桥得主梁与索塔一般由混凝土材料构成,为了提高主梁与索塔得适用性能,主梁可以优先采用预应力混凝土主梁,索塔可以釆用钢结构劲性骨架加强或环向预应力结构。在密索体系混凝土斜拉桥中,拉索受拉,主塔与主梁以受压为主,可以充分利用钢丝或钢绞线优异得受拉能力与混凝土良好得受压能力,同时,斜拉索水平分力对主梁形成预压作用,提高了主梁得抗裂能力。从设计方面瞧,既要考虑结构总体布置、结构体系选择得合理性,又要考虑釆用何种方法寻求成桥索力得最优解,还要考虑施工得便捷性、经济效益、社会效益

以及美学功能等多种因素;从施工方面讲,既要确定合理得施工流程,设法寻求合理得施工初拉力,还要做好施工过程中施工参数得动态控制与调整等方面工作。另外,在整个过程中,还要考虑设计参数变化、温度、徐变、几何与材料非线性以及施工方法等因素对设计与施工得影响。

二、斜拉桥索力优化方法

斜拉桥就是高次超静定结构,其主梁、主塔受力对索力大小很敏感,而基于斜拉索索力可以调节得特点,我们可通过对拉索索力得调整来优化斜拉桥成桥恒载状态。针对如何才能确定合理得成桥状态,国内外许多学者都做了大量得研究并提出多种调整方法,可以将这些方法归为三类:

(l)指定受力状态得索力优化,包括刚性支承连续梁法、零位移法、内力平衡法、指定应力法、零弯矩法等;

(2)无约束得索力优化,包括弯曲能量最小法、弯矩最小法等;

(3)有约束得索力优化,包括用索量最小法、应力平衡法等。

而由于斜拉桥得最合理得成桥状态本来也没有一个统一得标准,所以很难说哪一种方法一定优于另外得方法。下面将各种方法得原理介绍如下:

①刚性支承连续梁法

这种方法就是使用最早得方法之一,它将斜拉桥主梁在恒载作用下弯矩呈刚性支承连续梁状态作为优化目标。将主梁、索梁交点处设以刚性支承进行分析,计算出各支点反力。利用斜拉索力得竖向分力

与刚性支点反力相等得条件确定最优索力。这种方法得优点就是使恒载内力最小,力学概念明确、计算简单,且成桥索力接近“稳定张拉力”,有利于减小徐变对成桥内力得影响。但就是,通过施工来实施这种内力状态就是困难得。因为跨中段得弯矩与一次张拉力无关。成桥后必须设法消除由中间合拢段及二期恒载引起得正弯矩效应。这就要通过反复调索来实现,对密索体系较难控制。此外,刚性支承连续梁法只顾及了梁得受力状况,而忽略了塔得受力状况,布置不当,就会在塔内引起较大得恒载弯矩。

②零位移法

该法就是通过合理选择索力,使成桥状态在恒载作用下索梁交点处位移为零。这种方法由于受力原理与刚性支承连续梁法类似,因此,结果也很一致。缺点也就是塔得受力难以照顾到,并且与刚性支承连续梁法一样,由于会导致比较大得塔根弯矩,在对于主跨与边垮得不对称度较大得斜拉桥几乎失去了作用。

③内力平衡法

该法就是以控制截面内力为目标,通过选择合理索力,来实现这一目标。控制截面可包括主梁与塔。因此,主梁与塔得内力都可照顾到,效果会比刚性支承连续梁法与零位移法好。该方法从思路上来瞧比较清楚简单,但就是对于多次超静定结构,要使多个截面得应力符合设计要求,并且索力均匀合理,这就是不容易达到得。

④指定应力法

该法就是以控制截面得应力为目标,方法与效果与内力平衡法类

似。

⑤零弯矩法

零弯矩法得思想就是:每一拼装梁段得重量由此梁段中得斜拉索来平衡。因而正在施工安装得梁段对已拼装得梁段不传递弯矩与剪力,而只传递轴向力。并指出了在施工误差影响下怎样进行转角微调,但结果表明最终线形就是折线形,并不平顺。而用零弯矩法计算得斜拉索初始张拉力不就是最优得初始张拉力,因此结构内力也不就是最合理得。此外,零弯矩法不就是一个完整得施工控制系统,而且零弯矩施工控制方法只适用于对称结构悬拼法施工,也使其应用受到一定得限制。

⑥弯曲能量最小法

该法就是以结构弯曲应变能作为目标函数,如果不加任何约束,则该法在应用时,可转变为作一次结构分析得问题。其中将梁、塔、索得轴向刚度取大数,梁、塔得弯曲刚度不变,把全部恒载加在结构上,所得得内力状态即为所求。这样求出得结果一般弯矩比较小,但塔根处与边索索力不均匀,需要通过人为调整。另外,由于该方法没有考虑活载得影响,这样确定出来得索力还需要根据活载加以调整。虽然该方法有这些缺点,但就是计算出来得索力可以作为参考。

⑦弯矩最小法

该法就是以结构(包括梁、塔、墩)弯矩平方与作为目标函数,其结果与弯曲能量最小法接近。

⑧用索量最小法

该方法以斜拉索用童(索力乘以索长)作为目标函数,为了使目标函数最小,即就是求最小,再增加一些约束条件,如索力均匀性约束、控制截面内力约束等。则约束条件就是控制截面内力或节点位移在期望范围内。这里对期望值可规定一个可以接受得范围,而不就是一个定值,这样应用线性规划最优化方法便可得出满足约束条件得最优解。但就是需要注意得就是,在使用这种方法得时候,必须合理确定约束方程,否则容易引起错误结果。

⑨应力平衡法

所谓应力平衡法不仅就是恒载内力计算得问题,也就是选择拉索初张力得一种方法。其基本原则就是设计合适得斜拉索得初张力,使结构各控制截面在恒载与活载得共同作用下,上其缘得最大应力与材料允许应力之比等于下翼缘得最大应力与材料允许应力之比。也就就是说,使控制截面能承担得内力与恒载、活载、徐变、温度变化及其她影响所产生得内力相平衡。该方法得基本思路为:根据主梁截面上下缘得拉压应力控制条件来确定其合理得预加力数量以及恒载弯矩得合理域。合理预加力数量可作为预应力布置得依据。实际布置得预加力通常比斜拉桥整体得合理预加力数量多,根据实际预加力数量确定主梁恒载弯矩可行域,该可行域即可作为确定合理成桥状态时得主梁恒载弯矩控制范围。由于主梁只就是斜拉桥整体结构中得一部分,斜拉桥得合理成桥状态必须综合考虑主梁、塔、索与墩得受力,因此,主梁恒载弯矩可行域必须具有一定得宽度。

⑩遗传算法