CN111764304B - 扣索力恒定主拱内力和变形可控的悬臂浇筑成拱控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢筋砼拱桥领域，具体涉及一种扣索力恒定主拱内力和变形可控的悬臂浇筑成拱控制方法，包括以下步骤：步骤一，以扣索根数恒定、索力恒定为控制目标，结合影响矩阵原理和优化计算理论，求解对各扣索的初拉力，使得在悬臂浇筑施工中，拱肋内部应力均匀分布，且线型变形在允许范围内；步骤二，利用斜拉扣挂体系悬臂浇筑拱肋，在各悬臂施工阶段中，待相应悬臂节段成型后，施加上一悬臂节段扣索的索力至步骤一中所求解出的对应初拉力，然后在成型悬臂节段的端部再次连接扣索准备下一个悬臂阶段施工，直至拱肋合龙。

Description

扣索力恒定主拱内力和变形可控的悬臂浇筑成拱控制方法

技术领域

本发明涉及钢筋砼拱桥领域，特别是一种扣索力恒定主拱内力和变形可控的悬臂浇筑成拱控制方法。

背景技术

钢筋砼拱桥悬臂浇筑斜拉扣挂施工方法对场地要求不高，对我国山区的拱桥施工有广泛的应用价值。该法利用临时斜拉索扣住已浇筑好的拱圈节段,采用移动挂篮从拱脚开始对称逐段悬臂浇筑拱圈混凝土，直至拱顶合龙。斜拉扣挂法施工中的扣索索力对施工过程中的拱圈内力、成拱后的拱圈内力与线型有着直接影响。

传统的悬臂浇筑工艺主要采用以施工过程中拱肋应力以及成拱后的拱肋线型为控制目标来控制扣索索力的成拱控制方法；通过调整悬臂浇筑施工过程的索力，来确保施工中拱肋受力安全和成拱后内力合理分布。该方法在混凝土拱肋悬臂浇筑过程中通常需采用临时扣索，随着悬臂浇筑的进行，需要多次调索、拆索以达到目标线型。在调索、拆索的过程中，扣索索力变化差异大，在后扣挂的扣索的施加常常导致在先扣挂的扣索松弛、索力大幅减小，以致于施工至最大悬臂阶段时，在先扣挂的扣索需要退出工作；同时，随着调索、拆索过程，扣索和锚索对扣塔产生的不平衡水平力剧烈变化，会造成扣塔倾斜，水平变位增大，对整个斜拉扣挂体系的安全造成影响。

此外，在最大悬臂阶段，当先扣挂的扣索退出工作时，会导致扣索力集中于少量的尾索(靠近合龙端的扣索)，以致于扣索最大索力增大，在后扣挂的扣索受力也大幅增大，扣塔索力重心上移，增大了扣锚体系风险；同时，解除了在先扣挂的扣索后，对前期设置的锚索与锚碇无法得到充分利用，造成浪费。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术以拱肋应力与线型为控制目标来控制扣索索力，从而使拱肋施工受力安全并使成拱后的拱肋内力合理分布，但在施工过程中需要多次调索、拆索，且在先扣挂的扣索退出工作后，会导致扣索力集中于少量的尾索，以致于在后扣挂的扣索索力增大，且前后受力差异大的问题，提供一种扣索力恒定主拱内力和变形可控的悬臂浇筑成拱控制方法，在悬臂浇筑过程中不拆索、不调索并保持索力相对恒定，以降低整个斜拉扣挂体系在悬臂浇筑过程中的安全风险。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种扣索力恒定主拱内力和变形可控的悬臂浇筑成拱控制方法，包括以下步骤：

步骤一，以扣索根数恒定、索力恒定为控制目标，结合影响矩阵原理和优化计算理论，求解对各扣索的初拉力，使得在悬臂浇筑施工中，优化拱肋内部应力分布，使得拱肋线型变形及扣塔变位在允许范围内；

步骤二，利用斜拉扣挂体系悬臂浇筑拱肋，在各悬臂施工阶段中，待相应悬臂节段成型后，施加上一悬臂节段扣索的索力至所述步骤一中所求解出的对应初拉力，然后在成型悬臂节段的端部再次连接扣索准备下一个悬臂阶段施工，直至拱肋合龙。

本发明以扣索根数不变、索力恒定为控制目标确定扣索初拉力，在悬臂浇筑过程中不拆索、不调索并保持索力相对恒定；通过对扣索初拉力的调整，对合龙成拱前斜拉扣挂体系中的扣塔变位及主拱应力、变形在合理范围内进行控制，以保证施工过程中结构的安全，同时优化合龙成拱后拱肋的应力分布，使成桥后拱肋在上部结构恒载作用下拱肋应力分布更为均匀，以降低整个斜拉扣挂体系在悬臂浇筑过程中的安全风险，充分利用拱肋材料性能，使合龙成拱和成桥后主拱截面抗裂性满足要求。

作为本发明的优选方案，优化求解采用有约束非线性目标最小化求解方法，利于获取最优结果来指导施工，最大化保证施工安全及结构稳定。

作为本发明的优选方案，在优化计算过程中，以最大悬臂阶段中扣索力的差分平方和为目标函数，保证了索力均匀性最优且索力恒定。

作为本发明的优选方案，在优化计算过程中，包括对全施工阶段中的拱肋应力进行约束，以达到扣索力恒定、主拱内力可控的目标，使拱肋应力分布更为均匀。

作为本发明的优选方案，在优化计算过程中，包括对扣塔变位进行约束，以提高扣塔安全稳定系数。

作为本发明的优选方案，在优化计算过程中，包括对各施工阶段中各索力下限进行约束，确保索力恒定且不退出工作。

作为本发明的优选方案，在优化计算过程中，对拆索成拱后拱肋线型与目标线型的偏差进行约束，以达到扣索力恒定、主拱内力和变形可控的目标。

作为本发明的优选方案，在优化计算过程中，建立如下优化计算模型：

设计变量：

x＝{x₁，x₂，x₃，...，x_N}^T；

状态变量：

目标函数：

约束条件：

S＞S_min

σ_min＜σ＜σ_max

|Dx|＜Dx_max

|Dz-Dz_t|＜dz_max

式中：x为N个悬臂浇筑阶段对应的扣、锚索初次张拉力，即设计变量；M_n为设计变量对各悬臂阶段各状态变量的影响矩阵，C_n为除扣、锚索初拉力以外在各悬臂阶段恒载对当前状态变量的累计效应；

为悬臂阶段1-N过程中的状态变量，包括各扣、锚索索力S、控制点截面应力σ、扣塔控制点水平位移Dx；

为拆索成拱阶段的状态变量，包括拱肋控制点竖向位移Dz；M_N+1为设计变量对拆索成拱阶段各状态变量的影响矩阵；C_N+1为除扣索初拉力以外在拆索成拱阶段恒载对当前状态变量的累计效应；f为目标函数；dz_max为最大允许的拱肋线型与目标线型Dz_t之差。

该优化计算模型通过求解扣索的初拉力，以指导实现悬臂浇筑过程施工不拆索、不调索，索力相对恒定，拱肋应力分布更为均匀、扣塔变位及主拱变形可控的目的

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中施加扣索根数不变，只赋予各扣索的初拉力，在施工过程中，不拆索、不调索，随着悬臂节段的加长，扣索最大索力缓慢增大，但各扣索前后受力变化不大，保持相对恒定；相比传统以拱肋线型为控制目标不断调整扣索索力的成功控制方法，本发明减小了尾索在悬臂浇筑过程中的最大索力，降低了扣塔索力重心，提高了扣塔安全稳定系数，同时充分利用了前期设置的锚索与锚碇。

2、本发明通过对扣锚索初拉力的调整，对合龙成拱前斜拉扣挂体系中的扣塔变位及主拱应力、变形在合理范围内进行控制，保证了施工过程中结构的安全，同时优化了合龙成拱后拱肋的应力分布，使成桥后拱肋在上部结构恒载作用下拱肋应力分布更为均匀，主拱截面极限承载能力安全储备更高。

3、本发明降低了整个斜拉扣挂体系在悬臂浇筑过程中的安全风险，充分利用了拱肋材料性能，使合龙成拱和成桥后主拱截面抗裂性满足要求。

附图说明

图1是实施例1中悬臂阶段1的施工示意图。

图2是实施例1中悬臂阶段11的施工示意图。

图3是实施例1中最大悬臂阶段的施工示意图。

图4是采用传统成拱控制方法得到的扣索索力变化图。

图5是采用实施例1中成拱控制方法得到的扣索索力变化图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种扣索力恒定主拱内力和变形可控的悬臂浇筑成拱控制方法，包括以下步骤：

步骤一，以扣索根数恒定、索力恒定为控制目标，结合影响矩阵原理和优化计算理论，求解对各扣索的初拉力，使得在悬臂浇筑施工中，优化拱肋内部应力分布，使得拱肋线型变形及扣塔变位在允许范围内。具体地，基于影响矩阵原理：E＝M·f+E_const，建立包含N个悬臂浇筑阶段全过程的函数关系，以求取各悬臂施工阶段中连接于悬臂端扣索的初拉力。其中，E为某状态变量的荷载效应，f为扣索张拉荷载向量，M为各单位索力单独作用下形成的影响矩阵，E_const为除索力以外的恒载荷载对当前状态变量的累计效应。

基于索力恒定目标，以最大悬臂阶段中扣索力的差分平方和为目标函数，保证索力均匀性最优且索力恒定；对全施工阶段中的拱肋应力、扣塔变位位移进行约束，同时对施工阶段中索力下限进行约束，确保索力恒定且不退出工作；对拆索成拱后拱肋线型与目标线型的偏差进行约束，以达到扣索力恒定、主拱内力和变形可控的目标；最后，采用有约束非线性目标最小化求解方法进行优化求解。建立如下优化计算模型：

设计变量：

x＝{x₁，x₂，x₃，...，x_N}^T；

状态变量：

目标函数：

约束条件：

S＞S_min

σ_min＜σ＜σ_max

|Dx|＜Dx_max

|Dz-Dz_t|＜dz_max

式中：x为N个悬臂浇筑阶段对应的扣、锚索初次张拉力，即设计变量；M_n为设计变量对各悬臂阶段各状态变量的影响矩阵，C_n为除扣、锚索初拉力以外在各悬臂阶段恒载对当前状态变量的累计效应；

为悬臂阶段1-N过程中的状态变量，包括各扣锚索索力S、控制点截面应力σ、扣塔控制点水平位移Dx；

为拆索成拱阶段的状态变量，包括拱肋控制点竖向位移Dz；M_N+1为设计变量对拆索成拱阶段各状态变量的影响矩阵；C_N+1为除扣索初拉力以外在拆索成拱阶段恒载对当前状态变量的累计效应；f为目标函数；dz_max为最大允许的拱肋线型与目标线型Dz_t之差。

该优化计算模型通过求解扣索的初拉力，以指导实现悬臂浇筑过程施工不拆索、不调索，索力相对恒定，拱肋应力分布更为均匀、扣塔变位及主拱变形可控的目的。

步骤二，利用斜拉扣挂体系悬臂浇筑拱肋，在各悬臂施工阶段中，待相应悬臂节段成型后，施加上一悬臂节段扣索的索力至步骤一中所求解出的对应初拉力，然后在成型悬臂节段的端部再次连接扣索准备下一个悬臂阶段施工，直至拱肋合龙。

具体地，如图1-图3，施工步骤如下：

悬臂阶段1：首先在拱桥两侧拱脚处搭设操作平台，立模浇筑拱脚节段，凝固成型后扣挂#1号扣索，并预施加#1号扣索索力以张拉拱脚节段，准备从拱脚节段采用移动挂篮施工其余拱肋悬臂节段：

悬臂阶段2：如图1，拱肋在拱脚节段(作为节段1)悬臂处设置移动挂篮对下一个悬臂节段2进行立模浇筑；待悬臂节段2浇筑成型后，施加悬臂端#1号扣索索力至步骤一中求解出的对应初拉力；待悬臂节段2凝固成型后(凝固成型大概一周时间)，在悬臂节段2的悬臂端预扣挂#2号扣索，并将移动挂篮前移，准备施工下一个悬臂节段。

悬臂阶段i：从悬臂节段i-1的悬臂端处通过移动挂篮悬臂浇筑节段i，待悬臂节段i浇筑成型后，施加悬臂端#(i-1)号扣索索力至步骤一中求解出的该阶段对应初拉力；待该悬臂节段凝固成型后，在节段i的悬臂端处预扣挂#i号扣索，并前移挂篮，依次类推不断进行下一个悬臂阶段施工，其中i取3……10。

悬臂阶段11：如图2，从上一悬臂阶段的悬臂端开始，通过移动挂篮立模立模浇筑悬臂节段11；待该悬臂节段浇筑成型后，施加悬臂端#10号扣索索力至步骤一中求解出的对应初拉力；待该悬臂节段11凝固成型后，在节段11的悬臂端处预扣挂#11号扣索，并将挂篮前移准备下一个悬臂节段施工。

依次类推不断进行各个悬臂阶段施工，直至拱肋合龙(可设计包含19个悬臂浇筑阶段)，如图3。

由于扣索初拉力设计合理，下一个扣索的连接作用、及对应悬臂节段的浇筑重量对相应扣索的受力影响可控，前后受力差异变化小，因此在整个施工过程中，不拆索、不调索，各扣索可共同对拱肋作用。

其中，在对每个拱肋节段进行悬臂浇筑的过程中，伴随着挂篮前移，同时相应悬臂节段的混凝土通常需要分批多次浇筑，这会引起扣索所承受重力有所变化，因此，在浇筑过程中对应的扣索也需要分次张拉，直至施加索力为对应设计的初拉力；即步骤一中所求解出的初拉力，是指在拱肋节段成型并移动挂篮后，初次张拉下一对扣索前所施加的最终索力。

下面为在如图3中包含19个悬臂浇筑阶段的钢筋砼拱悬臂浇筑扣挂体系下，分别采用传统成拱控制方法与采用本实施例悬臂浇筑成拱控制方法所得到的索力随悬臂浇筑过程的变化的对比分析。

如图4为采用传统成拱控制方法得到的扣索索力随悬臂浇筑过程的变化，如图5为采用本实施例扣索力恒定、主拱内力和变形可控的悬臂浇筑成拱控制方法得到的扣索索力随悬臂浇筑过程的变化。其中，#1、#11、#19分别代表从拱脚至悬臂端所选取三个扣索的编号，以便于图4、图5中在不同成拱控制方法下的索力变化趋势的对比分析，其它扣索对应编号依次类推(索力出现的悬臂阶段即为对应的扣索编号)。

图4中可以看出，采用传统成拱控制方法得到的索力随悬臂浇筑过程显著减小，各扣索(除#19号扣索)前后受力差异在200kN-600kN不等，如#3号扣索在第三悬臂阶段施工中的索力约为800kN，而在最后悬臂阶段即第19段悬臂阶段施工时，#3号扣索的索力下降约为200kN，前后受力差异约400kN，索力均匀性差；特别地，在最后的悬臂阶段#19号扣索处索力均匀性最差。

图5中可以看出，采用扣索力恒定、主拱内力和变形可控的悬臂浇筑成拱控制方法，得到的扣索索力随悬臂浇筑过程的变化较小，约100kN-200kN，索力更为恒定，在整个悬臂浇筑过程中索力更均匀，同时相较于采用传统成拱控制方法，本实施例显著降低了最大扣索索力。

采用本实施例中的控制方法在悬臂浇筑施工过程中，施加扣索根数不变，通过调整各扣索的初拉力，对合拢成拱前斜拉扣挂体系中的扣塔变位及主拱应力、变形在合理范围内进行控制；在施工过程中，不拆索、不调索，随着悬臂节段的加长，扣索最大索力缓慢增大，但各扣索前后受力变化不大，能够保持相对恒定，保证了施工过程中结构的安全，同时优化了合龙成拱后拱肋的应力分布，使成桥后拱肋在上部结构恒载作用下拱肋应力分布更为均匀，以降低整个斜拉扣挂体系在悬臂浇筑过程中的安全风险，充分利用了拱肋材料性能，使合龙成拱和成桥后主拱截面抗裂性满足要求。

相比传统以拱肋线型为控制目标不断调整扣索索力的成功控制方法，该方法减小了尾索在悬臂浇筑过程中的最大索力，降低了扣塔索力重心，提高了扣塔安全稳定系数，同时充分利用了前期设置的锚索与锚碇。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种扣索力恒定主拱内力和变形可控的悬臂浇筑成拱控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，以扣索根数恒定、索力恒定为控制目标，即保留在悬臂浇筑过程中在先扣挂的扣索与拱肋之间的连接，以成拱状态时所需扣索总量为计算前提，以保持扣索索力相对恒定为控制目标，然后结合影响矩阵原理和优化计算理论，求解对各扣索的初拉力，使得在悬臂浇筑施工中，拱肋内部应力均匀分布，且线型变形在允许范围内；步骤二，利用斜拉扣挂体系悬臂浇筑拱肋，在各悬臂施工阶段中，保留在先扣挂的各扣索与拱肋之间的连接，待相应悬臂节段成型后，施加上一悬臂节段扣索的索力至所述步骤一中所求解出的对应初拉力，然后在成型悬臂节段的端部再次连接扣索准备下一个悬臂阶段施工，直至拱肋合龙。

2.根据权利要求1所述的一种扣索力恒定主拱内力和变形可控的悬臂浇筑成拱控制方法，其特征在于，优化求解采用有约束非线性目标最小化求解方法。

3.根据权利要求1所述的一种扣索力恒定主拱内力和变形可控的悬臂浇筑成拱控制方法，其特征在于，在优化计算过程中，以最大悬臂阶段中扣索力的差分平方和为目标函数。

4.根据权利要求1所述的一种扣索力恒定主拱内力和变形可控的悬臂浇筑成拱控制方法，其特征在于，在优化计算过程中，包括对全施工阶段中的拱肋应力进行约束。

5.根据权利要求1所述的一种扣索力恒定主拱内力和变形可控的悬臂浇筑成拱控制方法，其特征在于，包括对扣塔变位进行约束。

6.根据权利要求1所述的一种扣索力恒定主拱内力和变形可控的悬臂浇筑成拱控制方法，其特征在于，在优化计算过程中，包括对各施工阶段中各索力下限进行约束。

7.根据权利要求1所述的一种扣索力恒定主拱内力和变形可控的悬臂浇筑成拱控制方法，其特征在于，在优化计算过程中，对拆索成拱后拱肋线型与目标线型的偏差进行约束。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种扣索力恒定主拱内力和变形可控的悬臂浇筑成拱控制方法，其特征在于，在所述步骤一中，建立如下优化计算模型：

设计变量：

x＝{x₁，x₂，x₃，...，x_N}^T；

状态变量：

目标函数：

约束条件：

S＞S_min

σ_min＜σ＜σ_max

|Dx|＜Dx_max

|Dz-Dz_t|＜dz_max

式中：x为N个悬臂浇筑阶段对应的扣、锚索初次张拉力，即设计变量；M_n为设计变量对各悬臂阶段各状态变量的影响矩阵，C_n为除扣、锚索初拉力以外在各悬臂阶段恒载对当前状态变量的累计效应；

为悬臂阶段1-N过程中的状态变量，包括各扣锚索索力S、控制点截面应力σ、扣塔控制点水平位移Dx，其中，扣、锚索索力S为在拱肋节段成型并移动挂篮后，初次张拉下一对扣索前所施加的最终索力，亦即步骤一中所要求解的初拉力；

为拆索成拱阶段的状态变量，包括拱肋控制点竖向位移Dz；M_N+1为设计变量对拆索成拱阶段各状态变量的影响矩阵；C_N+1为除扣索初拉力以外在拆索成拱阶段恒载对当前状态变量的累计效应；f为目标函数；dz_max为最大允许的拱肋线型与目标线型Dz_t之差。

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