斜拉橋的索力優(yōu)化

1、斜拉橋索力優(yōu)化簡介一、 斜拉橋的概況斜拉橋又稱斜張橋,其上部結(jié)構(gòu)由主梁、拉索和索塔三種構(gòu)件組成。它是一種橋面系以加勁梁受彎或受壓為主,支承體系以斜拉索受拉和主塔受壓為主的橋梁。斜拉索作為主梁和索塔的聯(lián)系構(gòu)件,將主梁荷載通過拉索的拉力傳遞到索塔上,同時(shí)還可以通過拉索的張拉對(duì)主梁施加體外預(yù)應(yīng)力,拉索與主梁的結(jié)點(diǎn)可以視為主梁跨度內(nèi)的若干彈性支承點(diǎn),從而使主梁彎矩明顯減小,主梁尺寸以及主梁重量也相應(yīng)減小,大大改善了主梁的受力性能,顯著提高了橋梁的跨越能力。根據(jù)主梁所用建筑材料的不同,可將現(xiàn)代斜拉橋分為鋼斜拉橋、混凝土斜拉橋、結(jié)合梁斜拉橋以及混合式斜拉橋等。早期斜拉橋的主梁均為鋼結(jié)構(gòu),其形式主要為雙箱或

2、單箱配以正交異性板。隨著技術(shù)進(jìn)步,19世紀(jì)中期出現(xiàn)了第一座現(xiàn)代意義的混凝土斜拉橋,從此,混凝土斜拉橋進(jìn)入了人們的視野?；炷列崩瓨虻闹髁汉退魉话阌苫炷敛牧蠘?gòu)成,為了提高主梁和索塔的適用性能,主梁可以優(yōu)先采用預(yù)應(yīng)力混凝土主梁,索塔可以釆用鋼結(jié)構(gòu)勁性骨架加強(qiáng)或環(huán)向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。在密索體系混凝土斜拉橋中,拉索受拉,主塔和主梁以受壓為主,可以充分利用鋼絲或鋼絞線優(yōu)異的受拉能力和混凝土良好的受壓能力,同時(shí),斜拉索水平分力對(duì)主梁形成預(yù)壓作用,提高了主梁的抗裂能力。從設(shè)計(jì)方面看,既要考慮結(jié)構(gòu)總體布置、結(jié)構(gòu)體系選擇的合理性,又要考慮釆用何種方法尋求成橋索力的最優(yōu)解,還要考慮施工的便捷性、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益以

3、及美學(xué)功能等多種因素;從施工方面講,既要確定合理的施工流程,設(shè)法尋求合理的施工初拉力,還要做好施工過程中施工參數(shù)的動(dòng)態(tài)控制和調(diào)整等方面工作。另外,在整個(gè)過程中,還要考慮設(shè)計(jì)參數(shù)變化、溫度、徐變、幾何和材料非線性以及施工方法等因素對(duì)設(shè)計(jì)和施工的影響。二、斜拉橋索力優(yōu)化方法斜拉橋是高次超靜定結(jié)構(gòu),其主梁、主塔受力對(duì)索力大小很敏感,而基于斜拉索索力可以調(diào)節(jié)的特點(diǎn),我們可通過對(duì)拉索索力的調(diào)整來優(yōu)化斜拉橋成橋恒載狀態(tài)。針對(duì)如何才能確定合理的成橋狀態(tài),國內(nèi)外許多學(xué)者都做了大量的研究并提出多種調(diào)整方法,可以將這些方法歸為三類:(l)指定受力狀態(tài)的索力優(yōu)化,包括剛性支承連續(xù)梁法、零位移法、內(nèi)力平衡法、指定應(yīng)力

4、法、零彎矩法等;(2)無約束的索力優(yōu)化,包括彎曲能量最小法、彎矩最小法等;(3)有約束的索力優(yōu)化,包括用索量最小法、應(yīng)力平衡法等。而由于斜拉橋的最合理的成橋狀態(tài)本來也沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),所以很難說哪一種方法一定優(yōu)于另外的方法。下面將各種方法的原理介紹如下:剛性支承連續(xù)梁法這種方法是使用最早的方法之一,它將斜拉橋主梁在恒載作用下彎矩呈剛性支承連續(xù)梁狀態(tài)作為優(yōu)化目標(biāo)。將主梁、索梁交點(diǎn)處設(shè)以剛性支承進(jìn)行分析,計(jì)算出各支點(diǎn)反力。利用斜拉索力的豎向分力與剛性支點(diǎn)反力相等的條件確定最優(yōu)索力。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是使恒載內(nèi)力最小,力學(xué)概念明確、計(jì)算簡單,且成橋索力接近“穩(wěn)定張拉力”,有利于減小徐變對(duì)成橋內(nèi)力的影響

5、。但是,通過施工來實(shí)施這種內(nèi)力狀態(tài)是困難的。因?yàn)榭缰卸蔚膹澗嘏c一次張拉力無關(guān)。成橋后必須設(shè)法消除由中間合攏段及二期恒載引起的正彎矩效應(yīng)。這就要通過反復(fù)調(diào)索來實(shí)現(xiàn),對(duì)密索體系較難控制。此外,剛性支承連續(xù)梁法只顧及了梁的受力狀況,而忽略了塔的受力狀況,布置不當(dāng),就會(huì)在塔內(nèi)引起較大的恒載彎矩。零位移法該法是通過合理選擇索力,使成橋狀態(tài)在恒載作用下索梁交點(diǎn)處位移為零。這種方法由于受力原理和剛性支承連續(xù)梁法類似,因此,結(jié)果也很一致。缺點(diǎn)也是塔的受力難以照顧到,并且和剛性支承連續(xù)梁法一樣,由于會(huì)導(dǎo)致比較大的塔根彎矩,在對(duì)于主跨和邊垮的不對(duì)稱度較大的斜拉橋幾乎失去了作用。內(nèi)力平衡法該法是以控制截面內(nèi)力為目標(biāo)

6、,通過選擇合理索力,來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)?？刂平孛婵砂ㄖ髁汉退?。因此,主梁和塔的內(nèi)力都可照顧到,效果會(huì)比剛性支承連續(xù)梁法和零位移法好。該方法從思路上來看比較清楚簡單,但是對(duì)于多次超靜定結(jié)構(gòu),要使多個(gè)截面的應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求,并且索力均勻合理,這是不容易達(dá)到的。指定應(yīng)力法該法是以控制截面的應(yīng)力為目標(biāo),方法和效果與內(nèi)力平衡法類似。零彎矩法零彎矩法的思想是:每一拼裝梁段的重量由此梁段中的斜拉索來平衡。因而正在施工安裝的梁段對(duì)已拼裝的梁段不傳遞彎矩和剪力,而只傳遞軸向力。并指出了在施工誤差影響下怎樣進(jìn)行轉(zhuǎn)角微調(diào),但結(jié)果表明最終線形是折線形,并不平順。而用零彎矩法計(jì)算的斜拉索初始張拉力不是最優(yōu)的初始張拉力,因

7、此結(jié)構(gòu)內(nèi)力也不是最合理的。此外,零彎矩法不是一個(gè)完整的施工控制系統(tǒng),而且零彎矩施工控制方法只適用于對(duì)稱結(jié)構(gòu)懸拼法施工,也使其應(yīng)用受到一定的限制。彎曲能量最小法該法是以結(jié)構(gòu)彎曲應(yīng)變能作為目標(biāo)函數(shù),如果不加任何約束,則該法在應(yīng)用時(shí),可轉(zhuǎn)變?yōu)樽饕淮谓Y(jié)構(gòu)分析的問題。其中將梁、塔、索的軸向剛度取大數(shù),梁、塔的彎曲剛度不變,把全部恒載加在結(jié)構(gòu)上,所得的內(nèi)力狀態(tài)即為所求。這樣求出的結(jié)果一般彎矩比較小,但塔根處和邊索索力不均勻,需要通過人為調(diào)整。另外,由于該方法沒有考慮活載的影響,這樣確定出來的索力還需要根據(jù)活載加以調(diào)整。雖然該方法有這些缺點(diǎn),但是計(jì)算出來的索力可以作為參考。彎矩最小法該法是以結(jié)構(gòu)(包括梁、塔

8、、墩)彎矩平方和作為目標(biāo)函數(shù),其結(jié)果與彎曲能量最小法接近。用索量最小法該方法以斜拉索用童(索力乘以索長)作為目標(biāo)函數(shù),為了使目標(biāo)函數(shù)最小,即是求最小,再增加一些約束條件,如索力均勻性約束、控制截面內(nèi)力約束等。則約束條件是控制截面內(nèi)力或節(jié)點(diǎn)位移在期望范圍內(nèi)。這里對(duì)期望值可規(guī)定一個(gè)可以接受的范圍,而不是一個(gè)定值,這樣應(yīng)用線性規(guī)劃最優(yōu)化方法便可得出滿足約束條件的最優(yōu)解。但是需要注意的是,在使用這種方法的時(shí)候,必須合理確定約束方程,否則容易引起錯(cuò)誤結(jié)果。應(yīng)力平衡法所謂應(yīng)力平衡法不僅是恒載內(nèi)力計(jì)算的問題,也是選擇拉索初張力的一種方法。其基本原則是設(shè)計(jì)合適的斜拉索的初張力,使結(jié)構(gòu)各控制截面在恒載和活載的共

9、同作用下,上其緣的最大應(yīng)力和材料允許應(yīng)力之比等于下翼緣的最大應(yīng)力和材料允許應(yīng)力之比。也就是說,使控制截面能承擔(dān)的內(nèi)力與恒載、活載、徐變、溫度變化及其他影響所產(chǎn)生的內(nèi)力相平衡。該方法的基本思路為:根據(jù)主梁截面上下緣的拉壓應(yīng)力控制條件來確定其合理的預(yù)加力數(shù)量以及恒載彎矩的合理域。合理預(yù)加力數(shù)量可作為預(yù)應(yīng)力布置的依據(jù)。實(shí)際布置的預(yù)加力通常比斜拉橋整體的合理預(yù)加力數(shù)量多,根據(jù)實(shí)際預(yù)加力數(shù)量確定主梁恒載彎矩可行域,該可行域即可作為確定合理成橋狀態(tài)時(shí)的主梁恒載彎矩控制范圍。由于主梁只是斜拉橋整體結(jié)構(gòu)中的一部分,斜拉橋的合理成橋狀態(tài)必須綜合考慮主梁、塔、索和墩的受力,因此,主梁恒載彎矩可行域必須具有一定的寬

10、度。遺傳算法用遺傳算法分析斜拉橋恒載初始索力,這是一種新嘗試。遺傳算法是模擬自然界生物進(jìn)化過程與機(jī)制求解極值問題的一類自組織、自適應(yīng)人工智能技術(shù)。它模擬達(dá)爾文的自然進(jìn)化論與孟德爾的遺傳變異理論,具有堅(jiān)實(shí)的生物學(xué)基礎(chǔ);它提供從智能生成過程觀點(diǎn)對(duì)生物智能的模擬,具有鮮明的認(rèn)知學(xué)意義;它適合于無表達(dá)或有表達(dá)的任何類函數(shù),具有可實(shí)現(xiàn)的并行計(jì)算行為;它能解決任何類實(shí)際問題,具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。而對(duì)于在斜拉橋索力優(yōu)化中應(yīng)用遺傳算法時(shí),關(guān)鍵的問題是確定一個(gè)目標(biāo)函數(shù),這個(gè)目標(biāo)函數(shù)以P.C.斜拉索的初始張拉力為參數(shù),其對(duì)應(yīng)的極值解就是所要確定的P.C斜拉橋恒載初始索力。對(duì)于滿足最小徐變準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)的初始索力,以往使

11、用的方法其實(shí)都不能求解,因?yàn)榇藭r(shí)的初始狀態(tài)并不明確,而在應(yīng)用遺傳算法確定P.C斜拉橋恒載初始索力的時(shí)候,需要得到一個(gè)以斜拉索的成橋初始張拉力為參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)。這個(gè)函數(shù)即使沒有明確的數(shù)學(xué)表達(dá)式也仍然可以,只是在確定了一組斜拉索的成橋初始張拉力時(shí),應(yīng)當(dāng)能知道此時(shí)對(duì)應(yīng)的函數(shù)值。最后函數(shù)對(duì)應(yīng)于極值時(shí)所對(duì)應(yīng)的參數(shù)值,即為所要確定的恒載初始索力值。應(yīng)用遺傳算法確定斜拉橋成橋恒載初始索力的優(yōu)點(diǎn)是不需要明確地指定一個(gè)恒載初始狀態(tài),而只須給出一個(gè)以初始張拉索力值為參數(shù)的目標(biāo)函數(shù),因此可以應(yīng)用于求解滿足例如最小徐變準(zhǔn)則等對(duì)應(yīng)的初始索力,并且對(duì)于多約束條件的情況有其優(yōu)越性。不過有一點(diǎn)是可以肯定的,就是遺傳算法在開始

12、的時(shí)候往往上下兩代的優(yōu)良個(gè)體的變化非常劇烈,表現(xiàn)在適應(yīng)度上往往會(huì)有非常大的改變,但是在遺傳算法執(zhí)行的后期,上下兩代優(yōu)良個(gè)體的變化將會(huì)變得緩和,這就是說采用遺傳算法求解斜拉橋成橋恒載初始索力的時(shí)候,其前期收斂速度很快,而后期收斂速度則相對(duì)較慢。從以上各種方法的介紹來看,各種方法都有著自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),然而無論哪種方法,都應(yīng)當(dāng)遵循以下基本的三、斜拉橋索力優(yōu)化的原則l)索力分布索力要分布均勻,但又有較大的靈活性。通常短索的索力小,長索的索力大,呈遞增趨勢,但局部地方應(yīng)允許有突變。尾索由于起錨固作用,其索力通常取較大的值,從而索的剛度較大,對(duì)活載受力有利。在所有的索中,不宜出現(xiàn)較大或較小索力的索。2)

13、主梁彎矩主梁彎矩通常是混凝土斜拉橋設(shè)計(jì)計(jì)算中的重點(diǎn)和難點(diǎn),在成橋狀態(tài)下,主梁彎矩要落在可行域內(nèi)。3)主塔彎矩在恒載狀態(tài)下,主塔彎矩應(yīng)考慮活載和混凝土后期收縮、徐變的影響。在活載作用下,塔向江側(cè)的位移比向岸側(cè)的位移大,并且混凝土后期收縮、徐變的影響往往使塔往江側(cè)偏。因此,在成橋恒載狀態(tài)下,塔宜向岸側(cè)有一定的預(yù)偏。4)邊墩和輔助墩的支承反力邊墩和輔助墩的支承反力在恒載作用下要有足夠的壓力儲(chǔ)備。最好在活載作用下不出現(xiàn)負(fù)反力,但這種受力要求通常由配重或拉力支座來滿足。四、斜拉橋索力優(yōu)化總結(jié)斜拉橋是一種復(fù)雜的高次超靜定結(jié)構(gòu),其上部結(jié)構(gòu)由主塔、主梁和拉索三部分組成,其中拉索只承受拉力,索塔和主梁是以承受壓力為主的壓彎構(gòu)件,斜拉索的索力對(duì)結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力分布有很大的影響,是控制全橋受力的關(guān)鍵。目前,針對(duì)斜拉