斜拉橋施工索力張拉控制及優(yōu)化

1、斜拉橋施工索力張拉控制及優(yōu)化研究背景：隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，以及斜拉橋合理的結(jié)構(gòu)形式，我國(guó)修建了大量的斜拉橋。因此該類橋梁的施工控制就顯得尤為重要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者及工程技術(shù)人員對(duì)斜拉橋的施工控制進(jìn)行了許多研究，提出了卡爾曼濾波法、最小二乘誤差控制法、自適應(yīng)控制法、無(wú)應(yīng)力狀態(tài)控制法等許多實(shí)用控制方法。這些方法的實(shí)質(zhì)都是基于對(duì)施工反饋數(shù)據(jù)的誤差分析，通過(guò)計(jì)算和施工手段對(duì)結(jié)構(gòu)的目標(biāo)狀態(tài)和施工的實(shí)施狀態(tài)進(jìn)行控制調(diào)整，達(dá)到對(duì)施工誤差進(jìn)行控制的目的。施工控制的方法必須與各類斜拉橋設(shè)計(jì)、施工的特點(diǎn)相結(jié)合才能在確保結(jié)構(gòu)安全及施工便捷的前提下切實(shí)可靠地實(shí)現(xiàn)控制的目標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)斜拉橋的施工控制都是針對(duì)常規(guī)的混凝

2、土斜拉橋進(jìn)行的，其相應(yīng)的控制方法也是針對(duì)常規(guī)混凝土斜拉橋的施工特點(diǎn)提出來(lái)的，本文著重闡述對(duì)于常規(guī)混凝土斜拉橋的施工控制過(guò)程中的索力張拉控制及優(yōu)化方法。斜拉索施工過(guò)程：斜拉索安裝完畢，即進(jìn)行張拉工作。張拉前對(duì)千斤頂、油泵、油表進(jìn)行編號(hào)、配套 ，張拉設(shè)備定期進(jìn)行標(biāo)定。斜拉索正常狀態(tài)按設(shè)計(jì)指令分2次張拉，第1次張拉按油表讀數(shù)控制，張拉時(shí)4根索嚴(yán)格分級(jí)同步對(duì)稱進(jìn)行；第2次張拉是在監(jiān)控利用頻率法測(cè)完索力后，以斜拉索錨頭拔出量進(jìn)行精確控制。施工監(jiān)控包括對(duì)索力、應(yīng)力、應(yīng)變、線形、溫度、主塔偏位的監(jiān)控。施工監(jiān)控在凌晨氣溫相對(duì)穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行，保證在凌晨5點(diǎn)前完成。索力測(cè)試采用應(yīng)變儀捕捉索自振頻率，當(dāng)測(cè)出索力誤差超過(guò)

3、2時(shí)，應(yīng)對(duì)索力進(jìn)行調(diào)整，直到滿足要求。索力調(diào)整完畢立即對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變、線形、溫度、主塔偏位進(jìn)行測(cè)量?？煞蛛A段地進(jìn)行張拉、調(diào)索。在牽索掛籃懸澆時(shí)，在控制好掛籃底模標(biāo)高后，在節(jié)段砼灌注過(guò)程中，當(dāng)砼灌注至1/4、2/4、3/4，及砼灌注完后，均需進(jìn)行調(diào)整索力及掛籃底模標(biāo)高。當(dāng)主塔施工至與邊跨合攏前、中跨合攏前和合攏后、二期恒載安裝后均需按設(shè)計(jì)要求對(duì)全橋斜拉索進(jìn)行統(tǒng)一檢測(cè)調(diào)整，使全橋線型滿足設(shè)計(jì)要求。并在對(duì)每節(jié)段主梁懸澆進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，對(duì)主梁最前端的56對(duì)拉索的索力進(jìn)行測(cè)定，觀察其變化幅度是否在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。在斜拉索張拉前，應(yīng)將張拉千斤頂進(jìn)行精確標(biāo)定，標(biāo)定出其校正曲線，確保張拉力的準(zhǔn)確，張拉千斤頂將懸掛在用于

4、斜拉索掛設(shè)的滑動(dòng)架上隨支架上下滑動(dòng)，張拉時(shí)，千斤頂支撐在張拉架上，當(dāng)千斤頂將斜拉索按設(shè)計(jì)要求拉長(zhǎng)以后，即將錨頭上錨固螺母內(nèi)擰加以固定，然后放松千斤頂完成一次斜拉索的張拉。在斜拉索張拉調(diào)整過(guò)程中，需將主塔兩方向及上下游方向四根索同時(shí)分步進(jìn)行。值得注意的是，當(dāng)次中跨與邊跨合攏后，邊跨的斜拉索是在已灌注好的主梁上進(jìn)行安裝，但其索力的張拉與調(diào)整仍應(yīng)與相應(yīng)的中跨懸臂段施工時(shí)同步進(jìn)行。在斜拉索的張拉、測(cè)試過(guò)程中，塔索梁的溫度影響很大，需將其進(jìn)行同步測(cè)量并修正測(cè)試結(jié)果，同時(shí)，將在科學(xué)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控之下進(jìn)行。使全橋斜拉索受力均勻，主梁線型優(yōu)美，符合設(shè)計(jì)要求。做到安全、優(yōu)質(zhì)地完成斜拉索的施工任務(wù)。索力計(jì)算：以合理成

5、橋狀態(tài)為目標(biāo)，對(duì)斜拉橋進(jìn)行倒拆-正裝迭代分析，考慮結(jié)構(gòu)非線性的影響，同時(shí)保證施工階段的結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性，計(jì)算出施工階段初張拉索力。基本算法：1)正裝法是初擬施工索力，按正常施工工序進(jìn)行拼裝，在成橋后與合理成橋狀態(tài)對(duì)比，再返回修正，需要比較豐富的經(jīng)驗(yàn)。2)倒拆法是以合理成橋狀態(tài)為初態(tài)進(jìn)行節(jié)段拆除，每個(gè)節(jié)段拆除后的下一節(jié)段的索力值為施工時(shí)安裝該節(jié)段的索力張拉值。倒拆法難以考慮混凝土收縮、徐變的影響，結(jié)構(gòu)變形以及未閉合力的問(wèn)題。3)倒拆正裝法是先用倒拆法算出每個(gè)施工階段的張拉索力，然后再用該索力進(jìn)行正裝計(jì)算，得出考慮上述影響的結(jié)果，然后將影響結(jié)果反饋到倒拆中去，反復(fù)迭代，直到最后結(jié)果與合理成橋狀態(tài)

6、基本吻合。倒拆-正裝迭代計(jì)算法是斜拉橋安裝計(jì)算廣泛采用的一種方法，通過(guò)倒拆、正裝交替計(jì)算，確定各施工階段的安裝參數(shù)，使結(jié)構(gòu)逐步達(dá)到預(yù)定的線形和內(nèi)力狀態(tài)。正裝倒拆順序參見圖1，圖中僅列出懸臂施工至最終狀態(tài)的最后4個(gè)安裝階段。計(jì)算的第一步是二期恒載gs的卸載，計(jì)算索力和跨中彎矩，在第一步計(jì)算后，索力和跨中彎矩變?yōu)椋旱诙绞呛蠑n段的拆除，在計(jì)算2，c步時(shí)，由半橋組成的結(jié)構(gòu)體系在懸臂端施加彎矩，在計(jì)算2，g時(shí)，懸臂端施加合攏段自重荷載（反方向），此時(shí)的索力變化為：這些是在正裝第n，c步后所找到的索力。在初始張拉時(shí)，第n號(hào)索的索力在計(jì)算2，g步后，就等于所需找到的索力第三步是各懸臂段的拆除，在計(jì)算3，c

7、步時(shí)，懸臂體系和第n號(hào)索在其錨點(diǎn)受到力的作用，在3，g階段后，索力變化為：重復(fù)第三步直到整個(gè)結(jié)構(gòu)被“化整為零”，總的原理是：在拉索拆除之前每一計(jì)算步驟完成后，可確定當(dāng)前拉索的初始張拉力，于是結(jié)構(gòu)變?yōu)椴鹦懂?dāng)前拉索并承受相反索力作用的剩余結(jié)構(gòu)。圖1 正裝倒拆順序示意圖由于斜拉索的非線性和混凝土的收縮徐變的影響，倒拆和正裝計(jì)算中，兩者不閉合，即按照按照倒拆的數(shù)據(jù)正裝，結(jié)構(gòu)偏離預(yù)定的成橋狀態(tài)的線形和內(nèi)力狀態(tài)。因此，倒拆法與正裝閉合的關(guān)鍵是混凝土收獲徐變的處理，混凝土的徐變與結(jié)構(gòu)的形成歷程有密切的關(guān)系，原則上倒拆法無(wú)法進(jìn)行徐變計(jì)算。為了解決倒拆和正裝計(jì)算徐變迭代問(wèn)題，第一輪倒拆計(jì)算，不計(jì)混凝土的收縮徐變

8、，然后用上次倒拆的結(jié)果進(jìn)行正裝計(jì)算，逐階段考慮混凝土收縮徐變的影響，并將各施工階段的收縮徐變值存盤。再次進(jìn)行倒拆計(jì)算時(shí)，采用上一輪正裝階段的混凝土收縮和徐變值，如此反復(fù)，直到正裝和倒拆收斂到允許的精度。同時(shí)，文獻(xiàn)23介紹了一種考慮結(jié)構(gòu)幾何非線性影響的倒退分析方法。該方法在倒退分析時(shí)，在每個(gè)倒退的施工步驟中，采用增量迭代法考慮非線性的影響，倒退分析的起點(diǎn)是成橋狀態(tài)，每次增量迭代過(guò)程中力和位移的修正量都是從施工的后一階段向前計(jì)算得到的。索力張拉過(guò)程最優(yōu)控制：張拉過(guò)程的基本問(wèn)題及結(jié)構(gòu)分析：無(wú)論是采用懸臂法施工還是現(xiàn)澆法施工的斜拉橋，在施工過(guò)程中，都需要確定一個(gè)張拉變量序列，使得在該序列經(jīng)歷的一切中間

9、狀態(tài)下滿足結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形及機(jī)具承載力的要求，并在該序列的終點(diǎn)達(dá)到預(yù)先要求的設(shè)計(jì)狀態(tài)?；炯俣ǎ?(1)在張拉過(guò)程中，假定拉索張拉力與伸長(zhǎng)量之間的關(guān)系是線性的。(2)張拉變量的次序是預(yù)先給定的，其量值是給定的或待求的。在結(jié)構(gòu)分析中，引入影響結(jié)構(gòu)的概念，影響結(jié)構(gòu)是由張拉變量序列的子序列定義的。對(duì)于一個(gè)確定的張拉變量子序列x1，x2，xk，實(shí)際結(jié)構(gòu)的一種退化形式被稱為該序列的影響結(jié)構(gòu)，如果能夠滿足：(1)不切斷索，在相應(yīng)于xk的所有拉索處施加單位不變形預(yù)張力。(2)相應(yīng)于xj(jk)的拉索全部替換成具有相同抗拉剛度的二力桿。(3)不承受實(shí)際結(jié)構(gòu)的任何荷載。張拉過(guò)程的最優(yōu)控制：斜拉橋拉索張拉過(guò)程就是為

10、了確定一個(gè)張拉變量序列，使得在該序列經(jīng)歷的一切中間狀態(tài)下滿足內(nèi)力、位移、機(jī)具承載力約束，在該序列的終點(diǎn)達(dá)到預(yù)先要求的設(shè)計(jì)狀態(tài)，即目標(biāo)狀態(tài)。下面將通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)說(shuō)明張拉過(guò)程及優(yōu)化模型的建立。斜拉橋施工步驟見圖4。該模型共有5對(duì)索，每次張拉對(duì)稱的一組索同時(shí)張拉。為了說(shuō)明問(wèn)題，對(duì)索力張拉的要求是在每個(gè)階段只張拉最前端一組索，并且成橋后不調(diào)整索力，目標(biāo)是成橋后的索力達(dá)到設(shè)計(jì)要求(即合理成橋狀態(tài)索力)，約束取每個(gè)施工段中點(diǎn)的應(yīng)力作為控制條件。在實(shí)際中，可以根據(jù)需要加入其它約束。第一階段分析(見圖2(a)：索兩端同時(shí)施加單位不變形預(yù)張力，求出對(duì)索的影響值，記為a-11;同時(shí)可以求出施加單位不變形預(yù)張

11、力對(duì)關(guān)心截面1上下緣應(yīng)力的影響值b11，b21;同時(shí)計(jì)算該塊件自重對(duì)關(guān)心截面1上下緣應(yīng)力的影響值d11，d21。第二階段分析(見圖2(b)：索兩端同時(shí)施加單位不變形預(yù)張力，求出對(duì)索的影響值a-12，對(duì)索的影響值a-22;同時(shí)可以求出對(duì)索施加單位不變形預(yù)張力對(duì)關(guān)心截面2上下緣應(yīng)力的影響值b32，b42;同時(shí)計(jì)算新增塊件自重對(duì)索的影響力大小，對(duì)索力的影響記為c12，對(duì)關(guān)心截面1，2上下緣應(yīng)力的影響值為d12，d22，d32，d42。依次類推，直到施工完畢。根據(jù)施工步驟求出所需要的影響矩陣A，B，C， D。圖2 斜拉橋施工圖q=q1，q2，q3，q4，q5T，x=x1，x2，x3，x4，x5T其中A

12、為對(duì)每根索施加單位不變形預(yù)張力對(duì)各根索的影響值，B為對(duì)每根索施加單位不變形預(yù)張力對(duì)關(guān)心截面內(nèi)力影響值，C為新增塊件自重對(duì)索力的影響值，D為新增塊件自重對(duì)關(guān)心截面內(nèi)力影響值，x為待求的張拉序列，q為新增塊件自重向量。設(shè)索力要達(dá)到的目標(biāo)為X*，約束條件為在施工過(guò)程中截面應(yīng)力不超過(guò)規(guī)定值，即-，索力不超過(guò)張拉機(jī)具的額定承載能力Ne。則建立多目標(biāo)的規(guī)劃問(wèn)題：求x1，x2，x5使min Cq + Ax -x*至此，張拉過(guò)程的優(yōu)化模型已經(jīng)建立，然后利用綜合參數(shù)法求解多目標(biāo)、多約束的優(yōu)化問(wèn)題。結(jié)論：斜拉橋以其優(yōu)美的結(jié)構(gòu)形式、經(jīng)濟(jì)的造價(jià)，在近30年得到了飛速發(fā)展。不但進(jìn)入了一直被懸索橋所統(tǒng)治的大跨徑領(lǐng)域，在中

13、小跨徑也開始與其他橋型展開競(jìng)爭(zhēng)。隨著結(jié)構(gòu)的大型化及結(jié)構(gòu)的多樣化、復(fù)雜化，單純依靠經(jīng)驗(yàn)、反復(fù)調(diào)整拉索使之達(dá)到理想的成橋狀態(tài)已不能滿足實(shí)際需要。本文通過(guò)介紹張拉過(guò)程的最優(yōu)控制數(shù)學(xué)模型，將索力張拉過(guò)程歸結(jié)為多目標(biāo)、多約束的優(yōu)化問(wèn)題，并采用綜合參數(shù)法進(jìn)行求解，該方法不但能夠達(dá)到預(yù)先給定的設(shè)計(jì)狀態(tài)，而且能夠滿足施工過(guò)程中張拉工具的承載能力、內(nèi)力和位移約束條件，克服了已有計(jì)算方法的不足，并且可以將該方法應(yīng)用于懸索橋、拱橋的施工控制中，對(duì)同類問(wèn)題有很重要的參考價(jià)值。參考文獻(xiàn)：1 嚴(yán)國(guó)敏.再論部分斜拉橋論部分斜拉橋，兼論多塔斜拉橋A.第十三屆全國(guó)橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集C.上海，19982 陳亨錦，王凱，李承根.淺談部分斜拉橋.橋梁建設(shè)，2002(1)3 劉士林，王似舜.斜拉橋設(shè)計(jì).人民交通出版社，20064 郭偉. 用正裝迭代法計(jì)算斜拉橋的施工索力J， 華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，20125 杜彭娟，張哲等. 斜