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限制及優(yōu)化研究背景：隨著經(jīng)濟和技術的開展,以及斜拉橋合理的結構形式,我國修建了大量的斜拉橋.因此該類橋梁的施工限制就顯得尤為重要.國內(nèi)外學者及工程技術人員對斜拉橋的施工限制進行了許多研究, 提出了卡爾曼濾波法、最小二乘誤差限制法、自適應限制法、無應力狀態(tài)限制法等許多實用限制方法.這些方法的實質都是基于對施工反應數(shù)據(jù)的誤差分析, 通過計算和施工手段對結構的目標狀態(tài)和施工的實施狀態(tài)進行限制調整,到達對施工誤差進行限制的目的.施工限制的方法必須與各類斜拉橋設計、施工的特點相結合才能在保證結構平安及施工便捷的前提下切實可靠地實現(xiàn)限制的目標.目前國內(nèi)大多數(shù)斜拉橋的施工限制都是針對常規(guī)的

2、混凝土斜拉橋進行的,其相應的限制方法也是針對常規(guī)混凝土斜拉橋的施工特點提出來的,本文著重闡述對于常規(guī)混凝土斜拉橋的施工限制過程中的索力張拉限制及優(yōu)化 方法.斜拉索施工過程： 斜拉索安裝完畢,即進行張拉工作.張拉前對千斤頂、油泵、油表進行編號、配套 ,張拉設備定期進行標定.斜拉索正常狀態(tài)按設計指令分2次張拉,第1次張拉按油表讀數(shù)限制, 張拉時4根索嚴格分級同步對稱進行；第2次張拉是在監(jiān)控利用頻率法測完索力后,以斜拉索錨頭拔出量進行精確限制.施工監(jiān)控包括對索力、應力、應變、 線形、溫度、主塔偏位的監(jiān)控.施工監(jiān)控在凌晨氣溫相對穩(wěn)定時進行,保證在凌晨5點前完成.索力測試采用應變儀捕捉索自振頻率,當測出

3、索力誤差超過2時,應對索力進行調整,直到滿足要求.索力調整完畢立即對應力、應變、線形、溫度、主塔偏位進行測量.可分階 段地進行張拉、調索.在牽索掛籃懸澆時,在限制好掛籃底模標高后,在節(jié)段碎灌注過程中,當碎灌注至1/4、2/4、3/4,及碎灌注完后,均需進行調整索力及掛籃底模標高.當主塔施 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計要求對全橋斜拉索進 行統(tǒng)一檢測調整,使全橋線型滿足設計要求. 并在對每節(jié)段主梁懸澆進行監(jiān)控時,對主梁最前端的56對拉索的索力進行測定, 觀察其變化幅度是否在設計范圍內(nèi).在斜拉索張拉前,應將張拉千斤頂進行精確標定,標定出其校正曲線, 保證張拉力的準確

4、, 張拉千斤頂將懸掛在用于斜拉索掛設的滑動架上隨支架上下滑動,張拉時,千斤頂支撐在張拉架上, 當千斤頂將斜拉索按設計要求拉長以后,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.在斜拉索張拉調整過程中, 需將主塔兩方向及上下游方向四根索同時分步進行.值得注意的是,當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行安裝,但其索力在斜拉索的張拉、測試過程中,塔的張拉與調整仍應與相應的中跨懸臂段施工時同步進行.索梁的溫度影響很大, 需將其進行同步測量并修正測試結果,同時,將在科學的監(jiān)測監(jiān)控之下進行.使全橋斜拉索受力均勻,主梁線型優(yōu)美,符合設計要求.做到平安、優(yōu)質地完成斜拉

5、索的施工任務.索力計算：以合理成橋狀態(tài)為目標,對斜拉橋進行倒拆-正裝迭代分析,考慮結構非線性的影響,同時保證施工階段的結構平安性和穩(wěn)定性,計算出施工階段初張拉索力. 根本算法:1正裝法是初擬施工索力,按正常施工工序進行拼裝,在成橋后與合理成橋狀態(tài)比照,再返回修正,需要比擬豐富的經(jīng)驗.2倒拆法是以合理成橋狀態(tài)為初態(tài)進行節(jié)段撤除,每個節(jié)段撤除后的下一節(jié)段的索力值為施工時安裝該節(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,結構變形以及未閉合力的問題.3倒拆正裝法是先用倒拆法算出每個施工階段的張拉索力,然后再用該索力進行正裝計算, 得出考慮上述影響的結果,然后將影響結 果反應到倒拆中去,反復

6、迭代,直到最后結果與合理成橋狀態(tài)根本吻合.倒拆-正裝迭代計算法是斜拉橋安裝計算廣泛采用的一種方法,通過倒拆、正裝交替計算,確定各施工階段的安裝參數(shù),使結構逐步到達預定的線形和內(nèi)力狀態(tài).正裝一倒拆順序參見圖 1,圖中僅列出懸臂施工至最終狀態(tài)的最后4個安裝階段.計算的第一步是二期恒載 gs的卸載,計算索力和跨中彎矩,在第一步計算后,索力和跨中彎矩變?yōu)椋?1,T2,1, M n 1,1Ti,i,T2,oT2,i, ,Mni,o Mni,i第二步是合攏段的撤除,在計算2,c步時,由半橋組成的結構體系在懸臂端施加彎矩M n 1,0 M n 1,1 ,在計算 2,g時,懸臂端施加合攏段自重荷載反方向,此時

7、的索力變化為:,2,T2,2,Tn,2,1,2工丁2,2,Tn,1Tn,2這些是在正裝第n, c步后所找到的索力.在初始張拉時,第 n號索的索力在計算 2, gY T , T .步后,就等于所需找到的索力1n/,1'n,2第三步是各懸臂段的撤除,在計算3, c步時,懸臂體系和第 n號索在其錨點受到力一YT T1nTn,2的作用,在3, g階段后,索力變化為:,3工,3,Tn,3Ti,2不工？ 丁仲工？ J重復第三步直到整個結構被“化整為零 ,總的原理是：在拉索撤除之前每一計算步驟 完成后,可確定當前拉索的初始張拉力, 于是結構變?yōu)椴鹦懂斍袄鞑⒊惺芟喾此髁ψ饔玫?剩余結構.由于斜拉索的

8、非線性和混凝土的收縮徐變的影響,倒拆和正裝計算中,兩者不閉合,即根據(jù)根據(jù)倒拆的數(shù)據(jù)正裝,結構偏離預定的成橋狀態(tài)的線形和內(nèi)力狀態(tài).因此,倒拆法與正裝閉合的關鍵是混凝土收獲徐變的處理,混凝土的徐變與結構的形成歷程有密切的關系,原那么上倒拆法無法進行徐變計算.為了解決倒拆和正裝計算徐變迭代問題,第一輪倒拆計算, 不計混凝土的收縮徐變,然后用上次倒拆的結果進行正裝計算,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.再次進行倒拆計算時, 采用上一輪正裝階段的混凝土收縮和徐變值,如此反復,直到正裝和倒拆收斂到允許的精度.同時,文獻23介紹了一種考慮結構幾何非線性影響的倒退分析方法.該方法

9、在倒退分析時,在每個倒退的施工步驟中,采用增量迭代法考慮非線性的影響,倒退分析的起點是成橋狀態(tài),每次增量迭代過程中力和位移的修正量都是從施工的后一階段向前計算得到的.索力張拉過程最優(yōu)限制：張拉過程的根本問題及結構分析：無論是采用懸臂法施工還是現(xiàn)澆法施工的斜拉橋,在施工過程中,都需要確定一個張拉變量序列,使得在該序列經(jīng)歷的一切中間狀態(tài)下滿足結構內(nèi)力、變形及機具承載力的要求,并在該序列的終點到達預先要求的設計狀態(tài).根本假定：1在張拉過程中,假定拉索張拉力與伸長量之間的關系是線性的.2張拉變量的次序是預先給定的,其量值是給定的或待求的.在結構分析中,引入影響結構的概念,影響結構是由 張拉變量序列的子

10、序列定義的.對于一個確定的張拉變量子序列x1 , x2, A, xk,實際結構的一種退化形式被稱為該序列的影響結構,如果能夠滿足：1不切斷索,在相應于 xk的所有拉索處施加單位不變形預張力.2相應于xjj<k的拉索全部替換成具有相同抗拉剛度的二力桿.3不承受實際結構的任何荷載.張拉過程的最優(yōu)限制：斜拉橋拉索張拉過程就是為了確定一個張拉變量序列,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、機具承載力約束,在該序列的終點到達預先要求的設計狀態(tài),即目標狀態(tài).下面將通過一個簡單的例子來說明張拉過程及優(yōu)化模型的建立.斜拉橋施工步驟見圖 4.該模型共有5對索,每次張拉對稱的一組索同時張拉.為了說

11、明問題,對索力張拉的要求是在每個階段只張拉最前端一組索,并且成橋后不調整索力, 目標是成橋后的索力到達設計要求即合理成橋狀態(tài)索力,約束取每個施工段中點的應力作為 限制條件.在實際中,可以根據(jù)需要參加其它約束.第一階段分析見圖2a:索兩端同時施加單位不變形預張力,求出對索的影響值,記為a-11;同時可以求出施加單位不變形預張力對關心截面1上下緣應力的影響值 b11, b21;同時計算該塊件自重對關心截面1上下緣應力的影響值 d11,d21.第二階段分析見圖2b:索兩端同時施加單位不變形預張力,求出對索的影響值a-12,對索的影響值 a-22;同時可以求出對索施加單位不變形預張力對關心截面2上下緣

12、應力的影響值 b32, b42;同時計算新增塊件自重對索的影響力大小,對索力的影響記為c12,對關心截面1, 2上下緣應力的影響值為 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, x5)T其中A為對每根索施加單位不變形預張力對各根索的影響值,B為對每根索施加單位不變形預張力對關心截面內(nèi)力影響值,C為新增塊件自重對索力的影響值, D為新增塊件自重對關心截面內(nèi)力影響值,x為待求的張拉序列,q為新增塊件自重向量. 設索

13、力要達 到的目標為X*,約束條件為在施工過程中截面應力不超過規(guī)定值,即 bWbW l, 索力不超過張拉機具的額定承載水平 Ne.那么建立多目標的規(guī)劃問題：求x1 , x2, A, x5使 min Cq + Ax -x*至此,張拉過程的優(yōu)化模型已經(jīng)建立,然后利用綜合參數(shù)法求解多目標、多約束的優(yōu)化問題.結論：斜拉橋以其優(yōu)美的結構形式、經(jīng)濟的造價,在近 30年得到了飛速開展.不但進入 了一直被懸索橋所統(tǒng)治的大跨徑領域,在中小跨徑也開始與其他橋型展開競爭.隨著結構的大型化及結構的多樣化、復雜化,單純依靠經(jīng)驗、反復調整拉索使之到達理想的成橋狀態(tài)已 不能滿足實際需要.本文通過介紹張拉過程的最優(yōu)限制數(shù)學模型,將索力張拉過程歸結為多目標、多約束的優(yōu)化問題,并采用綜合參數(shù)法進行求解,該方法不但能夠到達預先給定的設 計狀態(tài),而且能夠滿足施工過程中張拉工具的承載水平、內(nèi)力和位移約束條件,克服了已有計算方法的缺乏,并且可以將該方法應用于懸索橋、拱橋的施工限制中,對同類問題有很重要的參考價值.參考文獻：1嚴國敏.再論局部斜拉橋論局部斜拉橋,兼論多塔斜拉橋A.第十三屆全國橋梁學術會議論文集C.上海,19982陳亨錦,王凱,李承根.淺談局部斜拉橋.橋梁建設,2002(1)3劉士林,王似舜.斜拉橋設計.人民交通出版社,20064郭偉.用正裝迭代法計算斜拉橋的施工索力J,華