CN111576230B - 施工扰动小的拱桥格子梁吊装位移控制方法 - Google Patents

施工扰动小的拱桥格子梁吊装位移控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种施工扰动小的拱桥格子梁吊装位移控制方法，通过建立一个有限元模型，并且有限元模型中的材料特性、几何特性、边界条件与外部荷载信息应和设计图纸的相应数据一致；将确定的一组吊杆初拉力代入建好的有限元模型进行施工阶段正装分析，得到各个初始值向量；建立一个施工位移控制体系，将各参数代入施工位移控制体系得到最终成桥格子梁位移。本发明提出的方法通过控制施工过程中位移变化最小从而达到对施工扰动小的效果，实现了格子梁成桥节段位移满足设计要求，结果可靠；保证了施工过程中格子梁的控制点位移变化最小且平顺，降低了施工中结构大变形带来的风险，提高了施工效率，实现了施工过程中位移的高精准控制。

Description

施工扰动小的拱桥格子梁吊装位移控制方法
技术领域
本发明涉及交通运输桥涵工程技术领域，具体涉及一种施工扰动小的拱桥格子梁吊装位移控制方法。
背景技术
拱桥是我国公路上使用广泛且历史悠久的一种桥梁结构型式，尤其是在广西境内，更是常见，它和青山绿水相映，很是壮观，放眼看未来，拱桥未来必然向着跨径更大，工艺更好，计算方法更优，控制理念更新的方向发展。大跨度拱桥由于具有造价低、施工快、维护便宜、受力合理，耐久性强等优点越来越受到青睐，而对于拱桥要想保证好的质量，吊装格子梁施工过程中的位移控制更是关键，施工过程中格子梁的位移变化幅值过大和过于频繁就会给结构带来比较大的扰动，增加了疲劳损伤，同时过程中位移控制的好坏决定了成桥的线形，即使成桥后的通过二次调索来调整线形也很难达到理想效果，而成桥线形的好坏又会影响美观、行车舒适性及桥梁整体受力，桥面线形的突兀会让行驶的车辆产生的附加冲击效应，吊杆长期受到附加冲击荷载的作用会缩短疲劳寿命。国内外很多因为吊杆的破坏导致车毁人亡事故，带来严重的经济损失，造成不好的社会影响。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种施工扰动小的拱桥格子梁吊装位移控制方法。该方法是将格子梁吊装过程中位移变化最小作为目标函数，让过程中位移变化的幅值小，从而减小了过程中的扰动，把控制成桥后位移满足设计值作为约束条件进行分析，得到吊装过程中的一组标高数据指导施工过程中格子梁定位位移，如此方法可以保证施工过程中位移变化小且平顺，结果可靠，且不用成桥后频繁的调索。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种施工扰动小的拱桥格子梁吊装位移控制方法，包括以下步骤：
步骤一，建立一个有限元模型，并且有限元模型中的材料特性、几何特性、边界条件与外部荷载信息应和设计图纸的相应数据一致；
步骤二，确定一组吊杆初拉力，并将确定的这一组吊杆初拉力代入步骤一中的有限元模型进行施工阶段正装分析，计算得到初始值向量dis0、dis01、A0、A01、Am0、Am01；
步骤三，建立一个施工位移控制体系，这个体系要同时具备约束函数、优化方程和参数变量，其优化公式为：
约束函数：
Figure BDA0002512975880000021
优化方程：
Figure BDA0002512975880000022
参数变量：
Figure BDA0002512975880000023
Figure BDA0002512975880000024
Figure BDA0002512975880000025
式中：u表示优化后得到的成桥阶段桥面梁控制点的位移值；ε表示成桥后桥面梁控制点的位移不均匀度；dis0表示吊杆拉力初值作用下成桥状态格子梁控制点位移向量；dis01表示吊杆拉力初值作用下当前张拉节段格子梁桥面控制点位移向量；X为最终成桥格子梁位移向量，m为格子梁实时修正重量向量，即每个节段格子梁的实际重量和设计重量的差值，用m向量表示；dest为成桥阶段桥面控制点目标位移向量；A0表示吊杆单位力对成桥节段格子梁控制点位移增量矩阵；A01表示吊杆单位力对张拉节段格子梁控制点位移增量矩阵；Am0和Am01表示重量修正值对成桥节段位移增量矩阵；delta为优化收敛容许值，即优化结果与目标位移向量的差；
Figure BDA0002512975880000026
表示第j节段格子梁增加单位重量对第i节段格子梁控制点位移增量值；δij表示第j根吊杆单位力对第i节段格子梁控制点位移增量值；a和b为加权系数，a2+b2＝1，取值可根据不同跨径桥梁得到的增量矩阵进行调整；
步骤四，给定一个控制点目标位移向量dest；
步骤五，确定每个节段格子梁的实际重量和设计重量的差值，用m向量表示；
步骤六，分别给定加权系数a和b的值；
步骤七，确定delta的数值；
步骤八，将确定的各参数代入优化公式计算得到最终成桥格子梁位移，进而应用于拱桥格子梁吊装施工作业中，该位移是指导吊装施工的必要参数，是现场施工控制指令重要组成。
所述的施工扰动小的拱桥格子梁吊装位移控制方法，将格子梁吊装过程中位移变化最小作为目标函数，把控制成桥后位移满足设计值作为约束条件进行分析得到最终成桥格子梁位移；所述的施工扰动小的拱桥格子梁吊装位移控制方法适用于不同格子梁吊装顺序和不同跨径的拱桥，适用范围广泛，为拱桥格子梁吊装过程中的线形控制提供依据；具有非常大的实际推广价值和广阔的工程运用前景，目前已在多座拱桥施工控制中实际应用。
作为本发明进一步的说明，所述的吊杆初拉力，采用格子梁重量的0.3～0.7倍作为初拉力。
作为本发明进一步的说明，所述的控制点目标位移向量dest，在(-L/100000，L/100000)区间取值，L为拱桥计算跨径，单位为mm。
作为本发明进一步的说明，所述的delta在(-L/100000，L/100000)区间取值；所述的L为拱桥计算跨径，单位为mm。
作为本发明进一步的说明，所述的加权系数a和b，a>0,b>0且a2+b2＝1，当计算跨径L≥500000mm时，a>b；当计算跨径L＜500000mm时，a＜b。
作为本发明进一步的说明，所述的A0、A01、Am0及Am01的格子梁控制点位移增量矩阵维数要一致。
本发明还提供一种扰动最小的拱桥格子梁吊装位移控制体系，这个体系要同时具备约束函数，优化方程，参数变量，其优化公式为：
约束函数：
Figure BDA0002512975880000031
优化方程：
Figure BDA0002512975880000032
参数变量：
Figure BDA0002512975880000033
Figure BDA0002512975880000041
Figure BDA0002512975880000042
式中：u表示优化后得到的成桥阶段桥面梁控制点的位移值；ε表示成桥后桥面梁控制点的位移不均匀度；dis0表示吊杆拉力初值作用下成桥状态格子梁控制点位移向量；dis01表示吊杆拉力初值作用下当前张拉节段格子梁桥面控制点位移向量；X为最终成桥格子梁位移向量，m为格子梁实时修正重量向量，即每个节段格子梁的实际重量和设计重量的差值，用m向量表示；dest为成桥阶段桥面控制点目标位移向量；A0表示吊杆单位力对成桥节段格子梁控制点位移增量矩阵；A01表示吊杆单位力对张拉节段格子梁控制点位移增量矩阵；Am0和Am01表示重量修正值对成桥节段位移增量矩阵；delta为优化收敛容许值，即优化结果与目标位移向量的差；
Figure BDA0002512975880000043
表示第j节段格子梁增加单位重量对第i节段格子梁控制点位移增量值；δij表示第j根吊杆单位力对第i节段格子梁控制点位移增量值；a和b为加权系数，a2+b2＝1，取值可根据不同跨径桥梁得到的增量矩阵进行调整。
与现有技术相比较，本发明具备的有益效果：
1.本发明提出的方法通过控制施工过程中位移变化最小，大大减少了结构在施工过程中的扰动，实现了格子梁成桥节段位移满足设计要求，结果可靠；保证了施工过程中格子梁的控制点位移变化最小且平顺，降低了施工中结构大变形带来的风险，提高了施工效率，实现了施工过程中位移的高精准控制。
2.本发明提出的方法避免了在施工过程中频繁的调整格子梁线形，每个吊装节段按照指定的标高就位后就无需过问，最终得到的结果必然满足设计和施工要求。
3.本发明提出的控制方法可以避免成桥后的二次调索，节约时间成本和经济成本，同时改善了吊杆的受力，减小其疲劳寿命的磨损。
4.本发明提出的优化控制方法和计算过程简单、易行，具有非常大的实际工程应用价值。
5.避免桥面不平顺、行车舒适性差、车速无法达到设计要求、通行能力差等问题，
附图说明
图1为某桥桥型设计立面图。
图2为某桥有限元计算模型图。
图3为实施例中某中承式钢管混凝土拱桥格子梁位移图。
图4为实施例中某中承式钢管混凝土拱桥格子梁3#测点优化前后位移变化对比图。
图5为本发明格子梁吊装位移控制方法优化流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
实施例：
某中承式钢管混凝土拱桥，见附图1，由于钢管混凝土灌注之后要进行桥面的吊装工作，吊装的格子梁梁端的预抬值和吊杆张拉力初始值未知，为了确定这些参数必须进行分析，因此本工程采用专利提出的新的方法进行优化分析控制。计算模型见图2所示。具体参数取值如下：
计算跨径L＝575000mm>500000mm，a＝1，b＝0，delta＝5mm，dest＝0mm，m＝0，X0＝[500,500,500,500,500,500,500,500,500,500,500,500,500,500,500,500]TkN,dis0＝[-55,-76,-77,-70,-57,-38,-12,21,62,111,170,240,323,419,533,670]Tmm,dis01＝[-16,-9,10,44,90,148,220,303,398,503,615,733,853,973,1089,1201]Tmm,
Figure BDA0002512975880000051
A01是A0矩阵的下三角矩阵，本文不列出；m＝0(即不做重量修正)。把参数带入公式：
Figure BDA0002512975880000052
Figure BDA0002512975880000061
通过优化分析得到最终成桥格子梁位移为：
[0 0 1 0 1 2 2 2 1 2 2 3 3 5 5 3]Tmm
通过实例可知，本发明提出方法对拱桥的位移优化效果显著效果，当目标dest＝5mm时，最终成桥节段的格子梁位移最大也为5mm；得到的格子梁吊装节段位移变化曲线见图3所示，图3显示在施工过程中每个格子梁控制测点的位移变化幅值都很小，位移变化非常平稳，相邻节段的位移增量小，达到了最大程度减小施工过程中对结构的扰动的目的，同时保证了成桥后桥面平顺，避免了行车舒适性差、车速无法达到设计要求、通行能力差等问题。由于各个节段的位移变化很平缓且变化量小，施工过程中位移控制的精度也得以提高，降低了由于已经吊装完成节段的位移忽高忽低带来的施工风险，实施例表明方法可靠，结果满足要求，具有可观的工程效益和推广价值。为了作为对比，当不进行优化时3#吊杆处桥面梁的位移变化曲线见图4所示。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种施工扰动小的拱桥格子梁吊装位移控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，建立一个有限元模型，并且有限元模型中的材料特性、几何特性、边界条件与外部荷载信息应和设计图纸的相应数据一致；
步骤二，确定一组吊杆初拉力，并将确定的这一组吊杆初拉力代入步骤一中的有限元模型进行施工阶段正装分析，计算得到初始值向量dis0、dis01、A0、A01、Am0、Am01；
步骤三，建立一个施工位移控制体系，这个体系要同时具备约束函数、优化方程和参数变量，其优化公式为：
约束函数：
Figure FDA0002512975870000011
优化方程：
Figure FDA0002512975870000012
参数变量：
Figure FDA0002512975870000013
X＝(x1,x2,x3,…,xn)T；m＝(m1,m2,m3,…,mn)T；
Figure FDA0002512975870000014
Figure FDA0002512975870000015
式中：u表示优化后得到的成桥阶段桥面梁控制点的位移值；ε表示成桥后桥面梁控制点的位移不均匀度；dis0表示吊杆拉力初值作用下成桥状态格子梁控制点位移向量；dis01表示吊杆拉力初值作用下当前张拉节段格子梁桥面控制点位移向量；X为最终成桥格子梁位移向量，m为格子梁实时修正重量向量，即每个节段格子梁的实际重量和设计重量的差值，用m向量表示；dest为成桥阶段桥面控制点目标位移向量；A0表示吊杆单位力对成桥节段格子梁控制点位移增量矩阵；A01表示吊杆单位力对张拉节段格子梁控制点位移增量矩阵；Am0和Am01表示重量修正值对成桥节段位移增量矩阵；delta为优化收敛容许值，即优化结果与目标位移向量的差；
Figure FDA0002512975870000021
表示第j节段格子梁增加单位重量对第i节段格子梁控制点位移增量值；δij表示第j根吊杆单位力对第i节段格子梁控制点位移增量值；a和b为加权系数，a2+b2＝1，取值可根据不同跨径桥梁得到的增量矩阵进行调整；
步骤四，给定一个控制点目标位移向量dest；
步骤五，确定每个节段格子梁的实际重量和设计重量的差值，用m向量表示；
步骤六，分别给定加权系数a和b的值；
步骤七，确定delta的数值；
步骤八，将确定的各参数代入优化公式计算得到最终成桥格子梁位移，进而应用于拱桥格子梁吊装施工作业中，该位移是指导吊装施工的必要参数，是现场施工控制指令重要组成。
2.根据权利要求1所述的施工扰动小的拱桥格子梁吊装位移控制方法，其特征在于：所述的吊杆初拉力，采用格子梁重量的0.3～0.7倍作为初拉力。
3.根据权利要求1所述的施工扰动小的拱桥格子梁吊装位移控制方法，其特征在于：所述的控制点目标位移向量dest，在(-L/100000，L/100000)区间取值，L为拱桥计算跨径，单位为mm。
4.根据权利要求1所述的施工扰动小的拱桥格子梁吊装位移控制方法，其特征在于：所述的delta在(-L/100000，L/100000)区间取值；所述的L为拱桥计算跨径，单位为mm。
5.根据权利要求1所述的施工扰动小的拱桥格子梁吊装位移控制方法，其特征在于：所述的加权系数a和b，a>0,b>0且a2+b2＝1，当计算跨径L≥500000mm时，a>b；当计算跨径L＜500000mm时，a＜b。
6.根据权利要求1所述的施工扰动小的拱桥格子梁吊装位移控制方法，其特征在于：所述的A0、A01、Am0及Am01的格子梁控制点位移增量矩阵维数要一致。
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