CN111560857A - 用于拱桥施工调载的多目标控制指标及扣索参数确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于拱桥施工调载的多目标控制指标及扣索参数确定方法，属于拱桥施工控制领域，通过张拉扣索，对钢管混凝土拱桥混凝土灌注阶段拱顶上挠、管内混凝土拉应力峰值、钢管初应力峰值进行控制，首先，根据有限元结果建立三个目标的权重计算方法，建立多目标控制指标，进而，利用静力法影响线原理，确定扣索预留位置，并根据最大的调整需求量，确定扣索的预留数量，最后，在混凝土灌注过程中，根据动态变化的多目标控制指标，确定扣索张拉调整量。

Description

用于拱桥施工调载的多目标控制指标及扣索参数确定方法
技术领域
本发明涉及拱桥施工控制领域，特别是用于拱桥施工调载的多目标控制指标及扣索参数确定方法。
背景技术
钢管混凝土拱桥技术及经济优势显著，不足之处在于拱桥施工风险较大，临建设施多，且对于施工精度要求高。缆索吊装、斜拉扣挂是目前应用最为广泛的拱桥施工方法，在整个施工过程中，塔架偏位、拱肋节段线型、钢管和混凝土应力是钢管混凝土拱桥施工期的主要控制对象。
针对塔架偏位，郑皆连院士等提出采用张拉缆风索的方式对塔架偏位进行主动控制；针对拱肋的线型和钢管应力，邓年春等提出采用张拉斜拉扣索的方式确保拱顶的位移在合理范围内，并保证钢管的瞬时应力不超标。在劲性骨架混凝土拱桥施工方面，林春娇等提出利用斜拉扣索调整外包混凝土施工过程中混凝土的拉应力。以上研究对钢管混凝土拱桥和劲性骨架混凝土拱桥施工期结构状态智能调载提供了很好的思路。
但当前钢管混凝土拱桥施工期的调载研究仍存在两个方面不足：
1)无法实现多目标联合控制，混凝土灌注过程中，拱顶上挠、混凝土拉应力、钢管初应力等都是施工控制的目标，不同的目标需求是不同的，对应的最优的斜拉扣索位置和调整量也是不同的，当遇到多个目标结合在一起时，很难定量确定控制措施，因此有必要建立考虑多目标的多目标控制指标；
2)缺少多目标控制的预留扣索位置和调整量的确定方法，实际中，在拱肋合拢后如不进行智能调载，所有的扣索都会松开，否则混凝土灌注过程中扣索可能因承受过大的混凝土灌注荷载而出现危险情况，而进行智能调载时，一般情况只预留1-2组扣索，这就需要准确计算得到扣索的预留位置，以实现通过最小的代价进行最高效的调载，另一方面，在混凝土灌注过程中，荷载是逐渐增大的，扣索的张拉量也是逐级变化的，每次的调整量是多少，什么时候调整，也是需要定量确定的。
为此，需要提出一种考虑多参数的多目标控制指标，实现混凝土灌注过程中拱顶上挠、钢管和混凝土应力作为多目标控制，并在此基础上,建立一种准确快捷的扣索位置和调整量的确定方法，全面保证施工过程中拱肋线型和应力在合理范围内，降低拱桥的施工风险，提高施工精度。
发明内容
本发明的发明目的是，针对上述问题，提供用于拱桥施工调载的多目标控制指标及扣索参数确定方法，通过多目标控制指标快速确定扣索的位置以及扣索调整量。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
用于拱桥施工调载的多目标控制指标及扣索参数确定方法，
1)建立多目标控制指标；
利用有限元方法模拟管内混凝土灌注全过程，确定钢管初应力和混凝土拉应力最危险位置，并计算得到拱顶上挠量最大值zmax与限值[z]的比值k1max、钢管初应力度最大值βmax与限值[β]的比值k2max、混凝土拉应力最大值σtmax与拉应力[σt]的比值k3max，根据三者的比值计算权重，拱顶上挠量的权重α1、钢管初应力的权重α2、混凝土拉应力的权重α3分别为：
Figure BDA0002514002580000021
Figure BDA0002514002580000022
Figure BDA0002514002580000023
多目标控制指标为：
ω＝k1α1+k2α2+k3α3 (4)
其中，拱顶上挠量记为z，z与限值[z]的比值记为k1，
钢管初应力度β与限值[β]的比值记为k2，
混凝土拉应力σt与拉应力限值[σt]的比值记为k3；
多目标控制指标的最大值ωmax为：
ωmax＝k1maxα1+k2maxα2+k3maxα3 (5)
2)根据静力法影响线原理，确定扣索预留位置；
在有限元模拟中对单幅拱肋一岸划分多个节段数并设置扣索，对相应扣索进行编号；根据静力法影响线原理对依次对单个扣索增大单位力，并计算得到拱顶上挠量、最危险截面钢管初应力度、最危险截面混凝土拉应力并代入式(4)中计算得到对应扣索的多目标控制指标；重复上述操作，根据多目标控制指标绝对值最大值得到影响多目标控制指标最大的扣索及对应编号、以及影响程度Δω；确定不同编号扣索所能够承受的最大荷载记为Nmax，单位为kN；预留不同扣索对多目标控制指标的最大调整量，即为Δωi·Nmax；
3)多目标控制的扣索张拉量计算；
在实际管内混凝土灌注过程中根据实测值代入式(4)能够求得多目标控制指标ω的实测数值，结合扣索力的影响程度Δω，就能够得出需求的扣索力为ω/Δω，根据扣索力的大小确定扣索的张拉量。
优选的，实际混凝土灌注过程中，拱顶上挠量z根据北斗定位系统GNSS进行测试得到。
优选的，实际混凝土灌注过程中，钢管应力β采用表面应变计测试，根据应变测试结果换算为应力测试结果，并结合钢管屈服强度计算得到。
优选的，实际混凝土灌注过程中，混凝土拉应力σt采用内埋式应变计测试得到。
优选的，单幅拱肋一岸节段数记为n个，对应的扣索编号分别为1#、2#、…、n#，依次将1#～n#扣索增大单位力，提取拱顶上挠量z、最危险截面钢管应力β和最危险截面混凝土拉应力σt代入式(4)，计算多目标控制指标，得到不同扣索对应的多目标控制指标结果ω1～ωn；ω1～ωn中绝对值最大的为影响程度Δω。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
1.本发明通过计算得到不同控制目标的权重，并提出多目标控制指标，实现多目标控制。根据拱顶上挠、混凝土拉应力、钢管初应力度危险程度确定三个控制指标的权重，在此基础上建立多目标控制的多目标控制指标，解决了以往存在多目标控制时的难题，将拱桥的调载从单一目标拓展至多个目标。
2.本发明利用静力法影响线原理确定扣索的预留位置，并利用扣索力对多目标控制指标的影响程度确定扣索力的调整量，基于静力法的影响线原理简洁明了，便于应用，能够快捷地确定最佳的扣索预留位置，实现用最小的成本起到良好控制的目标，继而根据线性比例关系。
最终将拱顶上挠、混凝土拉应力、钢管应力三个目标控制在合理范围内，多目标控制效果最好，保证拱桥施工过程中的精度和安全性。
附图说明
图1是不同编号扣索力变化下的多目标控制指标图。
具体实施方式
以下结合附图对发明的具体实施进一步说明。
本发明通过利用多个施工中需要控制目标参数制作多目标控制指标，这些目标参数包括拱顶上挠量、钢管初应力、混凝土拉应力，并生成多目标控制指标，即所述式(4)。根据式(4)静力法生成影响线，确定扣索预留位置。
当前虽然提出了通过张拉斜拉扣索对拱顶挠度和钢管应力进行控制的思路，但是在实现过程中仍存在两方面问题：1)缺少考虑多目标的多目标控制指标，无法实现多目标联合控制，这里所指的多目标包括混凝土灌注过程中拱顶上挠、混凝土拉应力、钢管初应力等，多目标控制指标需要反映这些目标，并根据危险程度赋予不同的权重，在混凝土灌注过程中，拱顶上挠量、钢管和混凝土应力是不断变化的，因此根据实测值计算得到的多目标控制指标是也是实时变化的，这就要求多目标控制指标具有动态调整的功能；2)缺少预留扣索位置、扣索张拉量的定量确定方法，拱顶上挠、混凝土和钢管应力控制需求的预留扣索位置和调整量是不同的，如何通过有限元分析，结合多个目标指标确定预留扣索的位置，并根据动态的多目标指标确定扣索调整量是拱桥调整急需解决的关键问题。
针对以上两个问题，本发明专利创新性体现在两个方面：1)根据有限元结果确定不同指标的最危险程度，计算各个指标的权重，据此建立考虑多目标的多目标控制指标，用于扣索预留位置、扣索张拉量的确定；2)基于静力法确定多目标控制指标的影响线，确定预留扣索位置，并根据影响线结果与多目标控制指标的实测值，基于线性比例关系确定扣索张拉量，实现多目标的动态多目标控制。
用于拱桥施工调载的多目标控制指标及扣索参数确定方法，
1)建立多目标控制指标；
利用有限元方法模拟管内混凝土灌注全过程，确定钢管初应力和混凝土拉应力最危险位置，并计算得到拱顶上挠量最大值zmax与限值[z]的比值k1max、钢管初应力度最大值βmax与限值[β]的比值k2max、混凝土拉应力最大值σtmax与拉应力[σt]的比值k3max，根据三者的比值计算权重，拱顶上挠量的权重α1、钢管初应力的权重α2、混凝土拉应力的权重α3分别为：
Figure BDA0002514002580000051
Figure BDA0002514002580000052
Figure BDA0002514002580000053
多目标控制指标为：
ω＝k1α1+k2α2+k3α3 (4)
其中，拱顶上挠量记为z，z与限值[z]的比值记为k1，
钢管初应力度β与限值[β]的比值记为k2，
混凝土拉应力σt与拉应力限值[σt]的比值记为k3；
多目标控制指标的最大值ωmax为：
ωmax＝k1maxα1+k2maxα2+k3maxα3 (5)
2)根据静力法影响线原理，确定扣索预留位置；
在有限元模拟中对单幅拱肋一岸划分多个节段数并设置扣索，对相应扣索进行编号；根据静力法影响线原理对依次对单个扣索增大单位力，并计算得到拱顶上挠量、最危险截面钢管初应力度、最危险截面混凝土拉应力并代入式(4)中计算得到对应扣索的多目标控制指标；重复上述操作，根据多目标控制指标绝对值最大值得到影响多目标控制指标最大的扣索及对应编号、以及影响程度Δω；确定不同编号扣索所能够承受的最大荷载记为Nmax，单位为kN；预留不同扣索对多目标控制指标的最大调整量，即为Δωi·Nmax。
3)多目标控制的扣索张拉量计算；
在管内混凝土灌注过程中根据实测值代入式(4)能够求得多目标控制指标ω的实测数值，结合扣索力的影响程度Δω，就能够得出需求的扣索力为ω/Δω，根据扣索力的大小确定扣索的张拉量。
优选的，实际混凝土灌注过程中，拱顶上挠量z根据北斗定位系统GNSS进行测试得到。
优选的，实际混凝土灌注过程中，钢管应力β采用表面应变计测试，根据应变测试结果换算为应力测试结果，并结合钢管屈服强度计算得到。
优选的，实际混凝土灌注过程中，混凝土拉应力σt采用内埋式应变计测试得到。
优选的，单幅拱肋一岸节段数记为n个，对应的扣索编号分别为1#、2#、…、n#，依次将1#～n#扣索增大单位力，提取拱顶上挠量z、最危险截面钢管应力β和最危险截面混凝土拉应力σt代入式(4)，计算多目标控制指标，得到不同扣索对应的多目标控制指标结果ω1～ωn；ω1～ωn中绝对值最大的为影响程度Δω。
结合实际如下所示：
1、拆除全部扣索后，分析混凝土灌注完成后，拱顶的最大上挠量、钢管最大应力值、混凝土拉应力最大值，以及钢管和混凝土应力最大值出现的位置。
参数 数值 最大值对应的施工阶段 最大值对应位置 限值
拱顶上挠最大值z<sub>max</sub> 10.71 完成上游上弦外侧弦管灌注 拱顶 20mm
钢管应力度最大值β<sub>max</sub> 0.19 完成最后一根弦管灌注 L/5截面附近 0.65
混凝土拉应力最大值σ<sub>tmax</sub> 0.11 完成上游上弦内侧弦管灌注 拱脚附近 1.96MPa
2、计算拱顶上挠、钢管初应力和混凝土拉应力权重
拱顶上挠量最大值zmax与限值[z]的比值k1max、钢管初应力度最大值βmax与限值[β]的比值k2max、混凝土拉应力最大值σtmax与拉应力[σt]的比值k3max，根据三者的比值计算权重，拱顶上挠量的权重α1、钢管初应力的权重α2、混凝土拉应力的权重α3分别为：
Figure BDA0002514002580000061
Figure BDA0002514002580000062
Figure BDA0002514002580000063
可见拱顶上挠在多目标控制指标中所占的权重最大，其次是钢管应力，影响最小的是混凝土应力。
3、多目标控制指标表达式
多目标控制指标为：
ω＝k1α1+k2α2+k3α3＝0.61k1+0.33k2+0.06k3 (4)
拱顶上挠量记为z，z与限值[z]的比值记为k1，
钢管初应力度β与限值[β]的比值记为k2，
混凝土拉应力σt与拉应力限值[σt]的比值记为k3；
4、分析扣索对多目标控制指标数值的影响
Figure BDA0002514002580000071
扣索单独施加该扣索力，如两岸、上下游的第一节段的扣索均施加1kN的拉力，参数变化值是针对第一步得到的最危险截面的，如果此时该位置混凝土还未灌注，那么该参数为0。
5、确定扣索参数
根据多目标控制指标变化值Δω可以确定预留的扣索编号，应该为1号扣索及2号扣索，假设1号扣索上下游两岸共计32根钢绞线，能够承受3200kN的荷载，因此能够调整的多目标指标量为2.64×10-4×3200＝0.8448。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (5)

1.用于拱桥施工调载的多目标控制指标及扣索参数确定方法，其特征在于：
1)建立多目标控制指标；
利用有限元方法模拟管内混凝土灌注全过程，确定钢管初应力和混凝土拉应力最危险位置，并计算得到拱顶上挠量最大值zmax与限值[z]的比值k1max、钢管初应力度最大值βmax与限值[β]的比值k2max、混凝土拉应力最大值σtmax与拉应力[σt]的比值k3max，根据三者的比值计算权重，拱顶上挠量的权重α1、钢管初应力的权重α2、混凝土拉应力的权重α3分别为：
Figure FDA0002514002570000011
Figure FDA0002514002570000012
Figure FDA0002514002570000013
多目标控制指标为：
ω＝k1α1+k2α2+k3α3 (4)
其中，拱顶上挠量记为z，z与限值[z]的比值记为k1，
钢管初应力度β与限值[β]的比值记为k2，
混凝土拉应力σt与拉应力限值[σt]的比值记为k3；
多目标控制指标的最大值ωmax为：
ωmax＝k1maxα1+k2maxα2+k3maxα3 (5)
2)根据静力法影响线原理，确定扣索预留位置；
在有限元模拟中对单幅拱肋一岸划分多个节段数并设置扣索，对相应扣索进行编号；根据静力法影响线原理对依次对单个扣索增大单位力，并计算得到拱顶上挠量、最危险截面钢管初应力度、最危险截面混凝土拉应力并代入式(4)中计算得到对应扣索的多目标控制指标；重复上述操作，根据多目标控制指标绝对值最大值得到影响多目标控制指标最大的扣索及对应编号、以及影响程度Δω；确定不同编号扣索所能够承受的最大荷载记为Nmax，单位为kN；预留不同扣索对多目标控制指标的最大调整量，即为Δωi·Nmax；
3)多目标控制的扣索张拉量计算；
在实际管内混凝土灌注过程中，根据实测值代入式(4)能够求得多目标控制指标ω的实测数值，结合扣索力的影响程度Δω，就能够得出需求的扣索力为ω/Δω，根据扣索力的大小确定扣索的张拉量。
2.根据权利要求1所述的用于拱桥施工调载的多目标控制指标及扣索参数确定方法,其特征在于：实际混凝土灌注过程中，拱顶上挠量z根据北斗定位系统GNSS进行测试得到。
3.根据权利要求1所述的用于拱桥施工调载的多目标控制指标及扣索参数确定方法,其特征在于：实际混凝土灌注过程中，钢管应力β采用表面应变计测试，根据应变测试结果换算为应力测试结果，并结合钢管屈服强度计算得到。
4.根据权利要求1所述的用于拱桥施工调载的多目标控制指标及扣索参数确定方法,其特征在于：实际混凝土灌注过程中，混凝土拉应力σt采用内埋式应变计测试得到。
5.根据权利要求1所述的用于拱桥施工调载的多目标控制指标及扣索参数确定方法,其特征在于：单幅拱肋一岸节段数记为n个，对应的扣索编号分别为1#、2#、…、n#，依次将1#～n#扣索增大单位力，提取拱顶上挠量z、最危险截面钢管应力β和最危险截面混凝土拉应力σt代入式(4)，计算多目标控制指标，得到不同扣索对应的多目标控制指标结果ω1～ωn；ω1～ωn中绝对值最大的为影响程度Δω。
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