CN111625894B - 位移最优的斜拉桥悬拼施工控制方法 - Google Patents

位移最优的斜拉桥悬拼施工控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种位移最优的斜拉桥悬拼施工控制方法，通过在斜拉桥悬拼施工节段对位移的严格控制，实现了斜拉桥的桥面梁在悬拼过程中位移变化率最小，成桥后位移收敛且不需要二次调索的施工控制方法，对已经张拉的斜拉索的扰动小，有利于对施工精度的控制和减少斜拉索和桥梁的疲劳损伤；在成桥后斜拉索索力均匀，不会出现索力分布突兀的现象从而影响整体受力，增加了斜拉索的使用寿命，减小了维护成本；相对于传统的控制方法，本方法得到的优化结果更可靠，可有效指导施工。

Description

位移最优的斜拉桥悬拼施工控制方法
技术领域
本发明涉及交通运输桥涵工程技术领域，具体涉及一种位移最优的斜拉桥悬拼施工控制方法。
背景技术
斜拉桥是由斜拉索、塔柱和桥面梁组成的超静定体系，其跨越能力大，主梁轻巧，线形优美且造型可千姿百态，是追求景观和艺术美的市政桥梁的首选。斜拉桥的桥面系普遍施工方法多为悬拼法，通过调整斜拉索索力来保证成桥后的桥面平顺，但斜拉桥的计算比较复杂，常规计算需要配合施工过程来进行倒拆和正装迭代分析。其次，由于斜拉桥施工工序繁琐，对于位移控制要求非常严格，过程中位移控制不好，可能会导致合拢后线形不满足设计要求，影响美观和行车体验，更有甚者导致无法合龙，或需要额外的配重调整合龙口的高差强行合拢，这样会给结构带来非常大的附加残余应力，缩短了桥梁的使用期限且有较大安全隐患。目前斜拉桥在悬拼阶段施工过程中的位移控制方法非常少，大多学者把研究基础放在成桥后的索力和线形的调整，最终演化出很多方法。对于斜拉桥普遍默认需进行二次或者三次调索，但效果可谓是千篇一律，那就是工作繁琐且效率低下，由于桥面板施工完成，整体的刚度要比悬拼施工节段大的多，通过调整索力来调整线形效果甚微。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种位移最优的斜拉桥悬拼施工控制方法。该方法首选建立实桥模型，模拟施工顺序，建立过程位移变化最小，成桥位移满足设计要求的目标优化系统，优化体系包括了约束函数和优化方程，优化得到的结果可以很好的指导现场施工和拼装工作。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
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X0，并将这一组斜拉索初拉力X0代入步骤一中的有限元模型进行进行过程正装分析计算，得到初始值向量u0、M0、M1、M2、σ0；
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：
Figure BDA0002512816200000021
优化方程：
Figure BDA0002512816200000022
参数变量：
Figure BDA0002512816200000023
式中，X表示优化方程中待求解的索力增量值，X0表示斜拉索初拉力；u0表示悬拼梁控制点的成桥后的位移；σ0表示成桥后的一组斜拉索的应力；M0表示单位索力对成桥节段悬拼梁的位移增量矩阵、M1表示单位索力对悬拼节段悬拼梁的位移增量矩阵、M2表示单位索力对成桥后斜拉索应力的增量矩阵；
Figure BDA0002512816200000024
表示第j节段张拉斜拉索对成桥后的第i节段斜拉索应力增量的增量值；收敛允许值Δ1和Δ2均表示约束条件，ε1表示最终位移收敛值，ε2表示当前施工节段位移收敛值；
Figure BDA0002512816200000025
表示成桥节段各个斜拉索的应力值；σlim表示斜拉索的极限强度,单位MPa；uij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；dest表示控制点目标位移向量；σlim表示钢绞线的极限强度；
步骤四，通过X0+△X0得到索力对成桥节段悬拼梁的位移增量矩阵M0、对悬拼节段悬拼梁的位移增量矩阵M1、对成桥后斜拉索应力的增量矩阵M2；
步骤五，引入收敛允许值Δ1和Δ2，均为约束条件；
步骤六，对应优化体系得出的最终位移收敛值ε1，对应优化体系得出的当前施工节段位移收敛值ε2；
步骤七，确定斜拉索的极限强度σlim的数值；
步骤八，设定一个控制点目标位移向量dest；
步骤九，将已经确定的各个参数代入优化公式计算得到最终成桥后各个控制点的位移，进而应用于斜拉桥悬拼施工作业中，从而实现位移最优的斜拉桥悬拼施工控制。此位移值会作为指导实际斜拉桥现场施工的控制指令中的重要组成部分，并具有法律效力。
所述的位移最优的斜拉桥悬拼施工控制方法，可以优化施工过程中的悬拼梁位移，使得过程位移变化量最小，同时保证成桥后线形符合设计要求，减小了后期调索的工作量，减少了时间成本，具有广阔的推广前景；该方法最大的优点就是过程中位移变化小，扰动小，成桥后位移满足设计要求，省去繁琐的成桥后调索来调整线形，保障了线形平顺和行车舒适。
作为本发明的进一步说明，所述的一组斜拉索的初拉力，其拉力值小于G/n,其中G为成桥后的桥面系总重，n表示斜拉索总的束数。
作为本发明的进一步说明，所述的控制点目标位移向量dest，在(-5，5)区间取值，单位为mm。
作为本发明的进一步说明，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根据设计文件控制要求设定,单位为mm。
作为本发明的进一步说明，所述的σlim可根据不同桥梁的设计图纸确定其大小,在1860MPa和1960MPa两种中选取。
作为本发明的进一步说明，所述的各个矩阵维数要一致。
本发明的位移最优的斜拉桥悬拼施工控制方法应用于斜拉桥悬拼施工中可以达到预定的效果。斜拉桥线形控制的好与不好的核心就在于用本发明方法得到的当前悬拼节段的位移值，其值大或者小都会影响最终成桥线形。
本发明还提供一种位移最优的斜拉桥悬拼施工控制优化体系，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：
Figure BDA0002512816200000041
优化方程：
Figure BDA0002512816200000042
参数变量：
Figure BDA0002512816200000043
式中，X表示优化方程中待求解的索力增量值；X0表示斜拉索初拉力；u0表示悬拼梁控制点的成桥后的位移；σ0表示成桥后的一组斜拉索的应力；M0表示单位索力对成桥节段悬拼梁的位移增量矩阵、M1表示单位索力对悬拼节段悬拼梁的位移增量矩阵、M2表示单位索力对成桥后斜拉索应力的增量矩阵；
Figure BDA0002512816200000044
表示第j节段张拉斜拉索对成桥后的第i节段斜拉索应力增量的增量值；收敛允许值Δ1和Δ2均表示约束条件，ε1表示最终位移收敛值，ε2表示当前施工节段位移收敛值；
Figure BDA0002512816200000045
表示成桥节段各个斜拉索的应力值；σlim表示斜拉索的极限强度,单位MPa；uij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；dest表示控制点目标位移向量；σlim表示钢绞线的极限强度。
与现有技术相比较，本发明具备的有益效果：
1.本发明采用的方法通过在斜拉桥悬拼施工节段对位移的严格控制，实现了斜拉桥的桥面梁在悬拼过程中位移变化率最小，成桥后位移收敛且不需要二次调索。
2.本发明提出的施工控制方法可以有效的避免成桥后的二次调索，同时保证施工过程中的悬拼梁位移变化小，对已经张拉的斜拉索的扰动小，有利于对施工精度的控制和减少斜拉索和桥梁的疲劳损伤；在成桥后斜拉索索力均匀，不会出现索力分布突兀的现象从而影响整体受力，增加了斜拉索的使用寿命，减小了维护成本。
3.本发明采用的优化方法相对于传统的控制方法，得到的优化结果更可靠，指导施工更有效。
4.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。
5.本发明适用于所有悬拼的斜拉桥桥面系施工过程中的位移控制，适用范围非常广泛，为保障成桥线形和避免二次调索提供依据。
6.保障了成桥线形平顺，提高了行车舒适性和行车速度，有效保证了桥梁通行效率。
附图说明
图1为A斜拉桥桥型设计立面图。
图2为A斜拉桥分析模型图。
图3为A斜拉桥的悬拼梁位移变化曲线图。
图4为A斜拉桥的悬拼梁6#测点优化前后的位移变化对比图
图5为A斜拉桥的斜拉索索力施工过程变化曲线图
图6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：
A斜拉桥全长330m，桥跨组成为：2×165m。A斜拉桥设计为双索面独塔斜拉桥，主梁为钢箱梁，高3.5m，宽36m，半漂浮体系，斜拉索为双索面平行布置，采用Φs15.2mm镀锌钢绞线索，标准强度1960MPa。全桥共有斜拉索136根，17种规格；斜拉索面积为4200mm2、4340mm2、4620mm2、5054mm2、5600mm2、6020mm2、6440mm2、6860mm2、7280mm2、7770mm2、7980mm2、8260mm2、8820mm2、9240mm2、9800mm2、10640mm2、11340mm2、4200mm2。本工程采用所述的位移最优的斜拉桥悬拼施工控制方法进行优化分析。计算模型见图2所示；施工过程中位移变化曲线见图3所示；施工过程中索应力变化曲线见图4所示。
计算跨径L＝330000mm，Δ1＝3mm，dest＝0mm，Δ2＝10mm
X0＝[2645,2646,2771,3093,3492,3745,3908,4208,4509,4763,4962,5123,5342,5367,5569,6228,6672]TKN，u0＝[1,3,-2,1,4,7,11,20,33,45,50,51,55,57,60,61,44]Tmm,
σ0＝[632,651,653,671,687,687,662,660,660,665,669,665,653,625,613,654,696]TMPa
Figure BDA0002512816200000051
Figure BDA0002512816200000061
mmM1是M0的下三角矩阵，不列出。
Figure BDA0002512816200000062
MPa通过优化分析得到最终成桥后各个控制点的位移
Figure BDA0002512816200000063
为：
[-1,-1,-1,0,0,0,1,1,1,1,2,2,2,3,3,3,3]Tmm
由此实例可使得斜拉桥悬拼梁在施工过程中位移变化量最优，减小了施工过程中对已施工阶段的梁和斜拉索的扰动；同时成桥后的斜拉索应力均匀，整体受力更好，增加了斜拉使用寿命，保障了成桥线形平顺，提高了行车舒适性和行车速度，有效保证了桥梁通行效率。具有可观的工程效益。为了进一步说明优化后的效果，选取6号斜拉索锚固梁端测点作为研究对象，施工过程中优化前后其位移变化对比结果见图4所示。因此优化后的过程位移最优，变化最小。
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 (7)

1.一种位移最优的斜拉桥悬拼施工控制方法，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相应的数据一致；
步骤二，确定一组斜拉索初拉力X0，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过程正装分析计算，得到初始值向量u0、M0、M1、M2、σ0；
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：
Figure FDA0003544875350000011
优化方程：
Figure FDA0003544875350000012
参数变量：
Figure FDA0003544875350000013
Figure FDA0003544875350000014
Figure FDA0003544875350000015
式中，X表示优化方程中待求解的索力增量值；X0表示斜拉索初拉力；u0表示悬拼梁控制点的成桥后的位移；σ0表示成桥后的一组斜拉索的应力；M0表示单位索力对成桥节段悬拼梁的位移增量矩阵、M1表示单位索力对悬拼节段悬拼梁的位移增量矩阵、M2表示单位索力对成桥后斜拉索应力的增量矩阵；
Figure FDA0003544875350000021
表示第j节段张拉斜拉索对成桥后的第i节段斜拉索应力增量的增量值；收敛允许值Δ1和Δ2均表示约束条件，ε1表示最终位移收敛值，ε2表示当前施工节段位移收敛值；
Figure FDA0003544875350000022
表示成桥节段各个斜拉索的应力值；σlim表示斜拉索的极限强度,单位MPa；uij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；dest表示控制点目标位移向量；uii表示第i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，通过X0+△X0得到单位索力对成桥节段悬拼梁的位移增量矩阵M0、对悬拼节段悬拼梁的位移增量矩阵M1和对成桥后斜拉索应力的增量矩阵M2；
步骤五，引入收敛允许值Δ1和Δ2，均为约束条件；
步骤六，对应优化体系得出的最终位移收敛值ε1，对应优化体系得出的当前施工节段位移收敛值ε2；
步骤七，确定斜拉索的极限强度σlim的数值；
步骤八，设定一个控制点目标位移向量dest；
步骤九，将已经确定的各个参数代入优化公式计算得到最终成桥后各个控制点的位移，进而应用于斜拉桥悬拼施工作业中，从而实现位移最优的斜拉桥悬拼施工控制，此位移值会作为指导斜拉桥现场施工的控制指令中的重要组成部分。
2.根据权利要求1所述的位移最优的斜拉桥悬拼施工控制方法，其特征在于：所述的斜拉索初拉力的拉力值小于G/n,其中G为成桥后的桥面系总重，n表示斜拉索总的束数。
3.根据权利要求1所述的位移最优的斜拉桥悬拼施工控制方法，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所述的位移最优的斜拉桥悬拼施工控制方法，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根据设计文件控制要求设定，单位为mm。
5.根据权利要求1所述的位移最优的斜拉桥悬拼施工控制方法，其特征在于：所述的斜拉索的极限强度σlim可根据不同桥梁的设计图纸确定其大小，在1860MPa和1960MPa两种中选取。
6.根据权利要求1所述的位移最优的斜拉桥悬拼施工控制方法，其特征在于：所述的各个矩阵维数要一致。
7.根据权利要求1-6任一所述的位移最优的斜拉桥悬拼施工控制方法，其特征在于：应用于所有悬拼施工的斜拉桥斜拉索张拉力的控制。
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