CN112989464B - 一种悬索桥整体桥面线形调整与索力调整的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬索桥整体桥面线形调整与索力调整的实现方法；实施步骤如下；步骤1，现场量测识别；步骤2，建立有限元分析模型；步骤3，结构敏感性分析；步骤4，建立关系矩阵；步骤5，确定基础调整目标；步骤6，制定方案；步骤7，制定解法；步骤8，效果模拟验证；步骤9，现场实施；步骤10，成果验证。本发明主要解决悬索桥桥面线形调整与吊索索力调整规划协调、同步进行，将要达到的多目标计划进行规划，一次性将桥面线形和吊索索力同时调整到位，改善现场多次试调、调整结果不理想、调整不能兼顾线形与索力等情况。

Description

一种悬索桥整体桥面线形调整与索力调整的实现方法

技术领域

本发明涉及悬索桥实施相关的技术领域，具体来讲涉及的是一种悬索桥整体桥面线形调整与索力调整的实现方法。

背景技术

为满足西部山区的复杂地形和较大的交通运输需求，中国早期在西部山区修建了一些小跨径悬索桥，受当时建设条件、后期管养、运营环境、超载等系列因素影响，这些桥梁相继出现桥面线形下挠、索力分布不均的情况，为防止这一病害继续发展影响车辆通行，当地管理部门采取了相应的措施对这一问题桥梁进行了整治，本专利就是在这个背景下，结合国道559线波密至墨脱公路整治改建工程达国大桥、西莫河大桥改造实例，发明一种悬索桥改造过程中桥面线形和吊索索力规划调整计算方法。

在的悬索桥新桥建设和旧桥改造施工中，经常会出现已经建设的悬索桥桥面线形差和吊索索力未达到设计要求状态。桥面线形差影响行车舒适，同时，桥面线形差和索力分布不合理即是悬索桥当前状态受力不合理而影响其使用寿命。为解决这一问题，需要通过改变吊索长度的方法对桥面线形和吊索索力进行调整，但悬索桥具有强烈几何非线性的超静定结构，以单一的索力和索长调整通常达不到需要的调整效果。同时，单个的索力和索长变化调整会牵一发而动全身，改变悬索桥其他部位索力与桥面线形，调整过程往往会形成顾此失彼、越调越乱的恶性循环。为解决上述问题，从计算的角度整体规划调整悬索桥桥面线形与吊索索力，一次性确定所有吊索的调整量，目标是达到设计状态，使桥梁线形和索力更合理。

随着科技的进步与发展，计算机得到广泛的应用，数值模拟成为桥梁工程结构分析必不可少的一部分，通过数值模拟可以很方便的计算出单一变量变化对结构内力和线形的影响，也就是通常所指的结构参数敏感性分析。但在现实工程处理中，仅仅通过参数敏感性分析发现规律是远远不够的，还得通过参数敏感性分析数据快速确定调整方法，就如同悬索桥的桥面线形调整和吊索索力调整，单个索力调整和一次性的索长调整能较好实现，但对整个桥面线形进行调整以达到目标状态同时确保索力均匀是很难一次性完成的。传统的数值模拟不能满足工程快速确定方案的需要，这就需要开拓一种新的思路，在精确参数敏感性分析的基础上，对参数影响量进行矩阵分析，运筹计算，以多目标规划求解的方式快速确定吊索调整方案，一次性解决悬索桥桥面线形和索力调整的问题，避免重复操作，以节约工期与成本。

发明内容

因此，为了解决上述不足，本发明在此提供一种悬索桥整体桥面线形调整与索力调整的实现方法。本发明主要解决悬索桥桥面线形调整与吊索索力调整规划协调、同步进行，将要达到的多目标计划进行规划，一次性将桥面线形和吊索索力同时调整到位，改善现场多次试调、调整结果不理想、调整不能兼顾线形与索力等情况。

本发明是这样实现的，构造一种悬索桥整体桥面线形调整与索力调整的实现方法，其特征在于；实施步骤如下；

步骤1，现场量测识别：对悬索桥当前桥面线形、吊索索力、主缆线形、桥塔偏位和索鞍位置、锚跨张力等进行测量测试；

步骤2，建立有限元分析模型：根据设计图纸，建立桥梁有限元分析模型，初步将有限元分析模型调整到设计要求的目标成桥状态；再根据测量时现场情况，增加计算工况，将模型调整到现场实际状态，将测量测试结果与设计目标进行比较，确定当前状态和设计要求的状态的误差，将所有误差进行量化识别，如每根吊索索力误差值、支座和吊点处线形误差值，桥塔偏位和索鞍位置坐标；

步骤3，结构敏感性分析：在当前工况状态模型的基础上，进行结构敏感性分析，依次改变吊索单位长度(假设1cm为吊索改变的单位长度)，计算在当前吊索单位长度改变下，可以计算出其他所有吊索索力变化、所有桥面位置线形变化等；

步骤4，建立关系矩阵：根据结构敏感性分析结果，吊索索力变量和桥面线形变量可以与吊索长度变量形成一套影响关系矩阵，在影响矩阵的基础上建立规划计算模型；

步骤5，确定基础调整目标：对已经建成悬索桥而言，最为关切的问题是行车舒适性和结构受力的合理性，对桥梁结构本身而言即关心是成桥桥面线形与吊索索力的合理与均匀性，对悬索桥缆索结构是受力主要构件，吊索受力合理与均匀能反应整体结构体系受力合理；所以本方案确定悬索桥的两个主要目标是：吊索索力误差20％以内，控制加劲梁总体下挠量，控制桥面上下游高程差在2cm范围内；

步骤6，制定方案：通过调整吊索索长的方式对桥面线形与索力调整，在调整之前，识别当前索力、桥面线形，确定索力应该调整空间、桥面线形应该调整空间，即初步建立调整约束关系；

步骤7，制定解法：用线形规划进行初始规划计算，在线形规划的基础上，以演化规划方式再进行精确求解；

步骤8，效果模拟验证：由于在对悬索桥进行有限元分析时，已经将悬索桥的状态调整到设计要求的状态，而实际测量测试结果是桥梁偏离了设计状态，将目前调整结果反向作用于当前设计要求状态的有限元模型，如果得出得结果和当前测量测试结果一致，说明此调整方案可行，当把调整量正向施加到实际桥梁结构中时，实际结构刚好达到预想的设计状态。

本发明具有如下优点：采用本发明进行桥面线形和吊索索力调整，将原来复杂的桥梁结构关系进行拆分简化，寻找最佳调整方案，同时可以让结构在一次性调整到位，避免出现多次调整、重复调整、来回调整，节约成本与工期，为同类型桥梁改造调整提供参考。同时，通过预先的规划分析，可以明确桥梁能达到的最终目标状态，可以避免因为要达到一个不可能完成的目标而造成资源浪费。

附图说明

图1是本发明对应的工艺流程图；

图2达国大桥改造后桥面线形误差状态示意图；

图3达国大桥吊索长度调整量(正为放长，负为缩短)示意图；

图4达国大桥桥面标高改变量示意图；

图5成桥后达国大桥实测桥面标高误差示意图；

图6成桥后达国大桥实测吊索索力值示意图。

具体实施方式

下面将结合附图1-图6对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明通过改进在此提供一种悬索桥整体桥面线形调整与索力调整的实现方法；本发明理论介绍分为两个部分，本发明主要解决悬索桥桥面线形调整与吊索索力调整规划协调、同步进行，将要达到的多目标计划进行规划，一次性将桥面线形和吊索索力同时调整到位，改善现场多次试调、调整结果不理想、调整不能兼顾线形与索力等情况。

一，悬索桥吊索索力与线性关系(小变化范围内的线性关系)：

悬索桥属于较复杂的桥梁结构，结构几何非线形较强烈，但在一定的小范围调整还是可以遵循线形变化规律，在此基础上，识别单个吊索变化对桥梁的结构内力和线形影响，然后再将所有吊索改变影响进行叠加计算成为可能。对悬索桥结构而言，每个吊索不同的长度形态会对桥梁结构线形、内力产生影响，寻找吊索长度变化和悬索桥桥面线形、索力、主缆线形的关系是关键。

对于已经架设的悬索桥而言，对于每个吊索索长改变会引起自身吊索索力和其他吊索索力改变，同时也会引起桥梁线形的改变，在长度改变相对小的范围内，我可认为这种改变的影响是可以线形叠加的，将所有吊索长度改变进行叠加，得到所有吊索索力改变量，桥梁线形改变量。

将吊索长度改变量设为{△Dn}，每个吊索索力变化为{△Fn}，每个支座及吊点处加劲梁标高变化设为{△Hm}，每个吊点处主缆标高变化为{△Pn}，通过每个吊索单位吊索长度改变可以形成吊索索力、加劲梁标高、主缆标高变化的计算矩阵。

吊索长度与吊索索力关系矩阵如下所示，其中K_ij表示第i个吊索索长变化对第j个吊索索力的单位影响系数。

即[K]{ΔD}＝{ΔF}

吊索长度与桥面线形关系矩阵如下所示，其中A_ij表示第i个吊索索长变化对第j个桥面线形变化的单位影响系数。

即[A]{ΔD}＝{ΔH}

吊索长度与主缆线形关系矩阵如下所示，其中B_ij表示第i个吊索索长变化对第j个主缆线形变化的单位影响系数。

即[B]{ΔD}＝{ΔP}

由于悬索桥结构通常是对称的，以上矩阵计算式可以简化为：

其中

以上是在吊索中需要用到的相关影响分析矩阵，如果在现实调索过程还有其他比较关切的参数，如塔偏，主缆内力，主梁应力等，也可以用类似的影响矩阵的方式表达。

二、多目标规划求解：

运筹学是对数学和其他学科领域的综合研究，利用数理统计、数学模型和数学计算方法等方法，去寻找复杂问题中的最佳或近似最佳答案。运筹学可以根据问题的要求，通过数学上的分析运算，得出不同的结果，最后通过综合性安排，以达到最佳效果。

运筹学的具体内容包括规划论(线形规划、非线形规划、整数规划、动态规划、演化)；库存；图论；可靠性；决策论等，在本方案中主要用到规划论。规划主要研究对象计划管理工作中有关安排和估值的问题，解决的主要问题是在给定条件下，给某一衡量指标来寻找和安排最佳方案，可以表示为求函数在满足约束条件下极大和极小值问题，但现代规划又不同于古典求极值解法，他的目标函数和约束条件都相对复杂，研究精确可靠的算法是规划论的关键。

本案例可以将吊索长度调整量设为目标函数，吊索索力调整范围和主梁标高调整范围设为约束条件，对多目标的规划问题，可以进一步由矩阵表示为：

[K]{ΔD}＝{ΔF}≤f；[A]{ΔD}＝{ΔH}≤h

其中f为吊索索力约束向量(n维)，h为桥面标高约束向量(m维)。

由于约束向量过多不利于规划求解，将多目标规划求解向单目标转化，如果多目标可以转化为一个可供选择的范围，则该多目标就可以转化为单目标，如将本方案的吊索索力约束向量转化为一个单一目标，即所有吊索索力误差在20％以内，表示成单一目标的表示为吊索索力误差的极大值小于20％，具体表达式如下：

max(min)F＝f(△D)；-20％≤f≤20％。

同理可以将所有桥面标高误差控制在2cm范围内，具体表达式如下：

max(min)H＝h(△D)；2cm≤h≤2cm。

在本案例中最终还是会涉及到两个目标，其一是吊索索力目标，其二是桥面线形目标，两个目标应有优先期望，这方便寻找最优解，对优先期望有绝对优先和权重优先之分，绝对优先表现在必须满足第一个的约束条件下寻找第二个约束；权重优先是对两个目标设置期望函数的权重系数和松弛因子以达到多目标求解的效果。

考虑到桥梁结构特性，本方案选择绝对优先的方式，即在满足吊索索力的目标情况下寻找最优桥面线形。在现实操作过程是确保吊索索力目标不变，以逐步降低桥面线形的目标来寻找最优解。

本发明的实施步骤如下：

步骤1，现场量测识别：对悬索桥当前桥面线形、吊索索力、主缆线形、桥塔偏位和索鞍位置、锚跨张力等进行测量测试。

步骤2，建立有限元分析模型：根据设计图纸，建立桥梁有限元分析模型，初步将有限元分析模型调整到设计要求的目标成桥状态。再根据测量时现场情况，增加计算工况，将模型调整到现场实际状态，将测量测试结果与设计目标进行比较，确定当前状态和设计要求的状态的误差，将所有误差进行量化识别，如每根吊索索力误差值、支座和吊点处线形误差值，桥塔偏位和索鞍位置坐标。

步骤3，结构敏感性分析：在当前工况状态模型的基础上，进行结构敏感性分析，依次改变吊索单位长度(假设1cm为吊索改变的单位长度)，计算在当前吊索单位长度改变下，可以计算出其他所有吊索索力变化、所有桥面位置线形变化等。

步骤4，建立关系矩阵：根据结构敏感性分析结果，吊索索力变量和桥面线形变量可以与吊索长度变量形成一套影响关系矩阵，在影响矩阵的基础上建立规划计算模型。

步骤5，确定基础调整目标：对已经建成悬索桥而言，最为关切的问题是行车舒适性和结构受力的合理性，对桥梁结构本身而言即关心是成桥桥面线形与吊索索力的合理与均匀性，对悬索桥缆索结构是受力主要构件，吊索受力合理与均匀能反应整体结构体系受力合理。所以本方案确定悬索桥的两个主要目标是：吊索索力误差20％以内，控制加劲梁总体下挠量，控制桥面上下游高程差在2cm范围内。

步骤6，制定方案：通过调整吊索索长的方式对桥面线形与索力调整，在调整之前，识别当前索力、桥面线形，确定索力应该调整空间、桥面线形应该调整空间，即初步建立调整约束关系。在进行正式调整时，由于事先定的约束目标太高而导致计算不收敛时应适当调整约束目标直到找到合理答案。

步骤7，制定解法：对于桥梁结构复杂的调索而言，一般线形规划较难寻找到最优解，动态规划及演化需要逐步迭代耗时较长。本方案以可以用线形规划进行初始规划计算，在线形规划的基础上，以演化规划方式再进行精确求解。规划求解器可以选用matlab或者excel的规划模块的应用。

步骤8，效果模拟验证：由于悬索桥结构有较强的几何非线性，而我们在进行规划模拟的时候是假的所有吊索索长变化所造成的影响是一个线性叠加关系，通过规划模型确定的调整方案能不能最终满足要求，需要进一步在结构有限元模型中验证。由于在对悬索桥进行有限元分析时，已经将悬索桥的状态调整到设计要求的状态，而实际测量测试结果是桥梁偏离了设计状态，将目前调整结果反向作用于当前设计要求状态的有限元模型，如果得出得结果和当前测量测试结果一致，说明此调整方案可行，当把调整量正向施加到实际桥梁结构中时，实际结构刚好达到预想的设计状态。

步骤9，现场实施：将吊索索长调整方案交予现场实施，吊索索长调整顺序可以从调整量少的索开始，调整前后的实际状态做详细记录，如现场调整发现部分索力过大时应将吊索分批调整到位，所有吊索在调整过程中结构受力应满足要求。

步骤10，成果验证：所有吊索按照要求调整完成后，再重新对桥梁进行全面的测量测试，通过测量测试结果，分析当前实际桥梁状态是否达到预期。

本发明的有益效果为：采用本发明进行桥面线形和吊索索力调整，将原来复杂的桥梁结构关系进行拆分简化，寻找最佳调整方案，同时可以让结构在一次性调整到位，避免出现多次调整、重复调整、来回调整，节约成本与工期，为同类型桥梁改造调整提供参考。同时，通过预先的规划分析，可以明确桥梁能达到的最终目标状态，可以避免因为要达到一个不可能完成的目标而造成资源浪费。

本发明已经成功用在国道559线波密至墨脱公路整治改建工程达国大桥改造实例中。

图2表示达国大桥改造时的线形误差状态，由图中可以看出，桥梁线形呈现明显的下挠，小里程支座位置明显上翘，为满足桥梁线形基本平顺，支座处与引桥能顺利对接，必须对桥梁线形进行调整。

图3表示通过本专利方法确定的达国大桥吊索索长调整量，由图中可以看出，吊索张力调整以张拉中间部位，放松靠近桥塔处吊索长度为主要控制特点，同时，吊索改变都是渐进增加，相邻吊索长度改变没有突变，这会使得吊索索力变化控制在合理范围内。

图4表示通过吊索调整前后，桥面线形变化量，为将线形调整到理想状态，同时也不希望吊索索力相差太大，桥面线形变化应呈现曲线上挠状态，以抵消桥面线形误差。

图5表示通过吊索调整后，桥面线形误差，附图6表示通过吊索调整后，吊索索力误差，为保证吊索索力误差基本不超过20％，最终能调整的桥面线形如附图5所示，最终桥面误差在5cm以内，支座处标高误差在1.5cm以内。

通过对大国大桥的桥面线形调整案例可知，通过系统的规划求解计算方法能高效率的确定调整参数，调整效果较好。同时，此方法能主动明确调整状态，预测可调整空间，为桥梁改造之前构件设计安全系数的考虑提供相应的参考。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种悬索桥整体桥面线形调整与索力调整的实现方法，其特征在于；实施步骤如下；

步骤1，现场量测识别：对悬索桥当前桥面线形、吊索索力、主缆线形、桥塔偏位和索鞍位置、锚跨张力进行测量测试；

步骤2，建立有限元分析模型：根据设计图纸，建立桥梁有限元分析模型，初步将有限元分析模型调整到设计要求的目标成桥状态；再根据测量时现场情况，增加计算工况，将模型调整到现场实际状态，将测量测试结果与设计目标进行比较，确定当前状态和设计要求的状态的误差，将所有误差进行量化识别；

步骤3，结构敏感性分析：在当前工况状态模型的基础上，进行结构敏感性分析，依次改变吊索单位长度，计算在当前吊索单位长度改变下，计算出其他所有吊索索力变化、所有桥面位置线形变化；

步骤4，建立关系矩阵：根据结构敏感性分析结果，吊索索力变量和桥面线形变量与吊索长度变量形成一套影响关系矩阵，在影响矩阵的基础上建立规划计算模型；

步骤5，确定基础调整目标：对已经建成悬索桥而言，最为关切的问题是行车舒适性和结构受力的合理性，对桥梁结构本身而言即关心是成桥桥面线形与吊索索力的合理与均匀性，对悬索桥缆索结构是受力主要构件，吊索受力合理与均匀能反应整体结构体系受力合理；所以本方案确定悬索桥的两个主要目标是：吊索索力误差20％以内，控制加劲梁总体下挠量，控制桥面上下游高程差在2cm范围内；

步骤6，制定方案：通过调整吊索索长的方式对桥面线形与索力调整，在调整之前，识别当前索力、桥面线形，确定索力应该调整空间、桥面线形应该调整空间，即初步建立调整约束关系；

步骤7，制定解法：用线形规划进行初始规划计算，在线形规划的基础上，以演化规划方式再进行精确求解；

步骤8，效果模拟验证：由于在对悬索桥进行有限元分析时，已经将悬索桥的状态调整到设计要求的状态，而实际测量测试结果是桥梁偏离了设计状态，将目前调整结果反向作用于当前设计要求状态的有限元模型，如果得出得结果和当前测量测试结果一致，说明此调整方案可行，当把调整量正向施加到实际桥梁结构中时，实际结构刚好达到预想的设计状态。

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