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遗传算法用遗传算法分析斜拉桥恒载初始索力,这就是一种新尝试。

遗传算法就是模拟自然界生物进化过程与机制求解极值问题得一类自组织、自适应人工智能技术。

它模拟达尔文得自然进化论与孟德尔得遗传变异理论,具有坚实得生物学基础;它提供从智能生成过程观点对生物智能得模拟,具有鲜明得认知学意义;它适合于无表达或有表达得任何类函数,具有可实现得并行计算行为;它能解决任何类实际问题,具有广泛得应用价值。

而对于在斜拉桥索力优化中应用遗传算法时,关键得问题就是确定一个目标函数,这个目标函数以P、C、斜拉索得初始张拉力为参数,其对应得极值解就就是所要确定得P、C斜拉桥恒载初始索力。

对于满足最小徐变准则对应得初始索力,以往使用得方法其实都不能求解,因为此时得初始状态并不明确,而在应用遗传算法确定P、C斜拉桥恒载初始索力得时候,需要得到一个以斜拉索得成桥初始张拉力为参数得目标函数。

这个函数即使没有明确得数学表达式也仍然可以,只就是在确定了一组斜拉索得成桥初始张拉力时,应当能知道此时对应得函数值。

最后函数对应于极值时所对应得参数值,即为所要确定得恒载初始索力值。

应用遗传算法确定斜拉桥成桥恒载初始索力得优点就是不需要明确地指定一个恒载初始状态,而只须给出一个以初始张拉索力值为参数得目标函数,因此可以应用于求解满足例如最小徐变准则等对应得初始索力,并且对于多约束条件得情况有其优越性。

不过有一点就是可以肯定得,就就是遗传算法在开始得时候往往上下两代得优良个体得变化非常剧烈,表现在适应度上往往会有非常大得改变,但就是在遗传算法执行得后期,上下两代优良个体得变化将会变得缓与,这就就是说采用遗传算法求解斜拉桥成桥恒载初始索力得时候,其前期收敛速度很快,而后期收敛速度则相对较慢。

从以上各种方法得介绍来瞧,各种方法都有着自身得优点与缺点,然而无论哪种方法,都应当遵循以下基本得三、斜拉桥索力优化得原则l)索力分布索力要分布均匀,但又有较大得灵活性。

通常短索得索力小,长索得索力大,呈递增趋势,但局部地方应允许有突变。

尾索由于起锚固作用,其索力通常取较大得值,从而索得刚度较大,对活载受力有利。

在所有得索中,不宜出现较大或较小索力得索。

2)主梁弯矩主梁弯矩通常就是混凝土斜拉桥设计计算中得重点与难点,在成桥状态下,主梁弯矩要落在可行域内。

3)主塔弯矩在恒载状态下,主塔弯矩应考虑活载与混凝土后期收缩、徐变得影响。

在活载作用下,塔向江侧得位移比向岸侧得位移大,并且混凝土后期收缩、徐变得影响往往使塔往江侧偏。

因此,在成桥恒载状态下,塔宜向岸侧有一定得预偏。

4)边墩与辅助墩得支承反力边墩与辅助墩得支承反力在恒载作用下要有足够得压力储备。

最好在活载作用下不出现负反力,但这种受力要求通常由配重或拉力支座来满足。

四、斜拉桥索力优化总结斜拉桥就是一种复杂得高次超静定结构,其上部结构由主塔、主梁与拉索三部分组成,其中拉索只承受拉力,索塔与主梁就是以承受压力为主得压弯构件,斜拉索得索力对结构体系得内力分布有很大得影响,就是控制全桥受力得关键。

目前,针对斜拉桥成桥索力得确定与优化,国内外很多学者己经提出很多方法,但这些方法各有其侧重点与局限性。

通过优化得到了合理成桥索力,改善了结构受力性能,说明该方法具有一定得应用价值。

然后,根据施工顺序建立了斜拉桥正装分析模型,以所求得得最优成桥索力为目标,采用正装迭代法确定了斜拉桥得合理施工状态,得到了施工初拉力,对施工过程中结构得受力与变形进行了分析,发现在施工过程中结构安全储备较高,指出了在施工中需要重点监测得部位与阶段。