CN111611644B - 施工过程索力最优的斜拉桥斜拉索张拉方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种施工过程索力最优的斜拉桥斜拉索张拉方法，该方法只需要在施工节段一次张拉斜拉索，可实现过程中索力变化小，成桥后索力的均匀；同时提出的方法可以避免重复的迭代分析，由于考虑了过程中的收缩徐变、材料非线性等影响，优化的索力结果会更可靠，对于同类桥梁斜拉索的张拉和指导现场施工有重要价值和意义；本发明提出了新的斜拉桥索力优化方法，以斜拉桥为工程对象进行分析，控制了张拉过程中索力的变化量最小，同时使成桥后的斜拉索的索力值均匀；该方法适用于所有悬拼的斜拉桥桥面系施工，适用范围非常广泛，为张拉斜拉索的优化提供依据。

Description

施工过程索力最优的斜拉桥斜拉索张拉方法

技术领域

本发明涉及交通运输桥涵工程技术领域，具体涉及一种施工过程索力最优的斜拉桥斜拉索张拉方法。

背景技术

斜拉桥是高次超静定结构，其主要承重结构为斜拉索和主塔，主塔的受力又是斜拉索拉力决定的，因此斜拉索的受力好坏决定了斜拉桥最终的使用寿命和年限。历史上由于斜拉索断裂而导致的事故屡见不鲜，造成的经济损失不可估量。研究者们一般从两个方面来分析和解决这个难题，其一是从材料上，可以使用强度更高，抗疲劳更好的材料；其二是从结构受力方面，优化斜拉索拉力，在保证桥面平顺的情况下，使得索力均匀。由于材料方面受到当前技术水平的限制，常用的也就是1860MPa，1960MPa的高强度钢绞线。在斜拉索的索力优化方面有很多方法，譬如最小弯曲能法、矩阵法、刚性支撑连续梁法等，这些方法各有优缺点，但有个共同点：需要成桥后二次调索。众所周知，斜拉桥成桥后二次调索的工作量非常大，其主要原因是成桥后结构形式已经固定，不再像悬拼节段那么好调整，由于调索效果相对较差，很多时候需要反复的调整，浪费人力、物力和工期，由于不断的张拉和放张，锚头处容易磨损，有潜在的安全风险。因此急需一种结果可靠、效果好的斜拉索索力优化方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种施工过程索力最优的斜拉桥斜拉索张拉方法。该方法是通过对实际桥梁的设计复核后，建立正确的有限元模型，构造出相应的优化体系，确定多目标优化方程和约束函数，最终优化出“过程索力变化最小，结果可靠”的施工斜拉索索力，指导现场施工和拼装工作；本方法最大的优点就是过程中索力变化小，疲劳损伤小，结果可靠，不需要二次调索，带来很大的经济价值。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种施工过程索力最优的斜拉桥斜拉索张拉方法，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，确定一组斜拉索初拉力，并将确定的这一组斜拉索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u₀、M₀；

步骤三，建立一个优化体系，所述的优化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：

优化方程：

参数变量：

T＝(T₁,T₂,T₃,…,T_n)^T；

式中，u₀表示斜拉索初拉力作用下成桥后的桥面控制测点位移值；

表示成桥后第i根斜拉索的索力值；T表示优化方程中待求解的索力增量值，为一个向量；T_i表示T中第i根待求解的斜拉索的索力增量值；u_i表示悬拼梁控制点成桥后的位移(i＝1,2,3…n)；M₀表示悬拼梁的位移增量矩阵；Δ₁表示位移收敛允许值，Δ₂表示斜拉索索力的不均匀度收敛允许值，ε₁和ε₂是对应优化体系得出的最终位移收敛值和索力不均匀度收敛值；σ_lim表示斜拉索的破断强度,单位MPa；dest表示控制点目标位移向量；A_i表示第i根斜拉索计算公称面积，单位mm²；u_ij表示第j根斜拉索张拉单位力对第i节段悬拼梁位移增量值；

步骤四，假定一组斜拉索初拉力T₀，在T₀的作用下得到悬拼梁控制点的成桥后的位移u_i(i＝1,2,3…n)；

步骤五，通过不断的变换索力T₀+ΔT₀得到相应的索力对成桥节段悬拼梁的位移增量矩阵M₀；

步骤六，引入收敛允许值Δ₁和Δ₂，均为约束条件，；

步骤七，设定一个控制点目标位移向量dest；

步骤八，将已经确定的各个参数代入优化公式计算得到最优的斜拉索拉力，进而应用于斜拉桥斜拉索施工作业中，该优化后的索力是斜拉桥张拉控制指令的重要组成部分，是指导施工的关键。

本发明提出在斜拉桥悬拼梁的施工过程中优化索力，把过程中最小的索力增量作为目标函数，把控制成桥后索力均匀且悬拼梁的位移满足设计要求，作为约束条件进行分析。所述的基于施工过程索力最优的斜拉桥斜拉索张拉方法适用于不同施工顺序和跨径的悬拼施工的斜拉桥，适用范围非常广泛，优化结果显示成桥后不需要二次调索。具有非常大的实际推广价值及广阔的工程运用前景，目前在多座斜拉桥施工控制中应用。

本发明进一步说明，所述的斜拉索初拉力，采用当前吊装重量的0.3～0.7倍作为初值。

本发明进一步说明，所述的控制点目标位移向量dest，在(-5,5)区间取值，单位为mm。

本发明进一步说明，所述的Δ₁在(-L/100000，L/100000)区间取值，L为斜拉桥计算跨径，单位为mm；所述的Δ₂小于2％的

为成桥后最大索力,单位为kN。

本发明进一步说明，各个矩阵维数要一致。

本发明还提供施工过程索力最优的斜拉桥斜拉索张拉优化体系，所述的优化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：

优化方程：

参数变量：

T＝(T₁,T₂,T₃,…,T_n)^T；

式中，u₀表示斜拉索初拉力作用下成桥后的桥面控制测点位移值；T_i ^end表示成桥后第i根斜拉索的索力值；T表示优化方程中待求解的索力增量值，为一个向量；T_i表示T中第i根待求解的斜拉索的索力增量值；u_i表示悬拼梁控制点成桥后的位移(i＝1,2,3…n)；M₀表示悬拼梁的位移增量矩阵；Δ₁表示位移收敛允许值，Δ₂表示斜拉索索力的不均匀度收敛允许值，ε₁和ε₂是对应优化体系得出的最终位移收敛值和索力不均匀度收敛值；σ_lim表示斜拉索的破断强度,单位MPa；dest表示控制点目标位移向量；A_i表示第i根斜拉索计算公称面积，单位mm²；u_ij表示第j根斜拉索张拉单位力对第i节段悬拼梁位移增量值。

与现有技术相比较，本发明具备的有益效果：

1.本发明采用的方法优化后使斜拉索的索力值均匀，同时保证悬拼桥面梁的施工中斜拉索的索力值变化最小，实现了过程中斜拉索的索力最优。

2.本发明考虑了整个现场的施工过程，避免了传统方法无法考虑桥梁的混凝土收缩、徐变和结构几何非线性问题，在具体实施中简单实用；克服了悬拼过程中一次、二次张拉调索和成桥后由于索力不均匀再次调索的繁琐施工，大大减少对以成型的桥梁结构的扰动；相对于目前大部分学者研究的仅在成桥节段进行索力优化，更能指导施工和改善桥梁的受力，具有重要意义。

3.本发明采用的优化方法和计算过程简单、易行，无论跨径、施工顺序如何改变都可以进行优化分析，具有非常好的实际工程应用价值。

4.克服了成桥斜拉索索力不均匀，安全系数差异较大，部分斜拉索应力水平过高、降低斜拉索疲劳寿命，解决了斜拉索使用寿命过短等工程难题。

附图说明

图1为某桥桥型设计立面图。

图2为某桥横梁构造图。

图3为某桥分析模型图。

图4为某桥成桥后斜拉索索力优化值和实测值对比图。

图5为本发明的斜拉桥斜拉索张拉方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例：

某斜拉桥全长548m，桥跨组成为：46m+88m+280m+88m+46m。某斜拉桥设计为双塔、双索面预应力混凝土梁结构，主梁采用边主梁结构，斜拉索采用现场组装的镀锌钢绞线体系，主塔采用弧线形门式框架钢筋混凝土结构，见附图1；“工”字形钢横梁根据横桥向宽度分为I、II、III、IV共4种类型，钢横梁中心线处梁高2315mm，顶板600mm×24mm、底板600mm×32mm、腹板厚12mm、加劲肋厚10mm，材质为Q345qD，每片标准钢横梁重约13.3t，横向布置图见附图2；某斜拉桥的斜拉索为空间双索面扇形布置，采用Φs15.2mm镀锌钢绞线索，标准强度1860MPa，钢绞线采用PE护套单根防护后，再用外表面带双螺旋线的HDPE索套管整体防护。全桥共有斜拉索136根，17种规格：Φs15.2-30、Φs15.2-31、Φs15.2-33、Φs15.2-36、Φs15.2-40、Φs15.2-43、Φs15.2-46、Φs15.2-49、Φs15.2-52、Φs15.2-55、Φs15.2-57、Φs15.2-59、Φs15.2-63、Φs15.2-66、Φs15.2-70、Φs15.2-76、Φs15.2-81。该工程采用本发明提出的新方法进行优化分析。计算模型见图2所示。

计算跨径L＝280000mm，Δ₁＝2mm，dest＝0mm，Δ₂＝100kN，

T₀＝[150,300,600,900,1200,1500,1700,1950,2150,2500,2700,2850,3400,3600,4100,4300,4600]^TkN，

u₀＝[5,13,21,30,37,45,56,66,73,86,93,103,112,125,136,144,151]^TkN,

u_ii＝[0.06,0.11,0.21,0.33,0.43,0.56,0.65,0.77,0.86,0.66,2.10,2.27,2.37,2.49,2.56,2.56,2.56]^Tmm通过优化分析得到最终斜拉索索力T_i ^end为：[2662 27863077 3370 3660 3931 4195 4430 4653 4979 5176 5360 5900 6120 6572 6827,7066]^T成桥索力和常规方法对比曲线见图4所示。

可见本方法得到的成桥斜拉索索力变化均匀，钢绞线的应力值不均匀度明显小于常规方法优化的斜拉桥索力，由于索力无突变，抗车辆冲击荷和风荷载能力更强，从而大大增加斜拉索疲劳寿命，延长了斜拉索使用寿命。

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 (5)

1.一种施工过程索力最优的斜拉桥斜拉索张拉方法，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相应的数据一致；

步骤二，确定一组斜拉索初拉力，并将这一组斜拉索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u₀、M₀；

步骤三，建立一个优化体系，所述的优化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：

优化方程：

参数变量：

T＝(T₁,T₂,T₃,…,T_n)^T；

式中，u₀表示斜拉索初拉力作用下成桥后的桥面控制测点位移值；T_i ^end表示成桥后第i根斜拉索的索力值；T表示优化方程中待求解的索力增量值，为一个向量；T_i表示T中第i根待求解的斜拉索的索力增量值；u_i表示悬拼梁控制点成桥后的位移(i＝1,2,3…n)；M₀表示悬拼梁的位移增量矩阵；Δ₁表示位移收敛允许值，Δ₂表示斜拉索索力的不均匀度收敛允许值，ε₁和ε₂是对应优化体系得出的最终位移收敛值和索力不均匀度收敛值；σ_lim表示斜拉索的破断强度,单位MPa；dest表示控制点目标位移向量；A_i表示第i根斜拉索计算公称面积，单位mm²；u_ij表示第j根斜拉索张拉单位力对第i节段悬拼梁位移增量值；

步骤四，假定一组斜拉索初拉力T₀，在T₀的作用下得到悬拼梁控制点的成桥后的位移u_i(i＝1,2,3…n)；

步骤五，通过不断的变换索力T₀+ΔT₀得到相应的索力对成桥节段悬拼梁的位移增量矩阵M₀；

步骤六，引入收敛允许值Δ₁和Δ₂，均为约束条件；

步骤七，设定一个控制点目标位移向量dest；

步骤八，将已经确定的各个参数代入优化公式计算得到最优的斜拉索拉力，进而应用于斜拉桥斜拉索施工作业中，该优化后的索力是斜拉桥张拉控制指令的重要组成部分，是指导施工的关键。

2.根据权利要求1所述的施工过程索力最优的斜拉桥斜拉索张拉方法，其特征在于：所述的斜拉索初拉力，采用当前吊装重量的0.3～0.7倍作为初值。

3.根据权利要求1所述的施工过程索力最优的斜拉桥斜拉索张拉方法，其特征在于：所述的控制点目标位移向量dest，在(-5，5)区间取值，单位为mm。

4.根据权利要求1所述的施工过程索力最优的斜拉桥斜拉索张拉方法，其特征在于：所述的Δ₁在(-L/100000，L/100000)区间取值，L为斜拉桥计算跨径，单位为mm；所述的Δ₂小于2％的

为成桥后最大索力，单位为kN。

5.根据权利要求1所述的施工过程索力最优的斜拉桥斜拉索张拉方法，其特征在于：各个矩阵维数要一致。

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