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(jì)和技術(shù)的開(kāi)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限制就顯得尤為重要.國(guó)內(nèi)外學(xué)者及工程技術(shù)人員對(duì)斜拉橋的施工限制進(jìn)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(yīng)限制法、無(wú)應(yīng)力狀態(tài)限制法等許多實(shí)用限制方法.這些方法的實(shí)質(zhì)都是基于對(duì)施工反應(yīng)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)行限制調(diào)整,到達(dá)對(duì)施工誤差進(jìn)行限制的目的.施工限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)合才能在保證結(jié)構(gòu)平安及施工便捷的前提下切實(shí)可靠地實(shí)現(xiàn)限制的目標(biāo).目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)斜拉橋的施工限制都是針對(duì)常規(guī)的

2、混凝土斜拉橋進(jìn)行的,其相應(yīng)的限制方法也是針對(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限制過(guò)程中的索力張拉限制及優(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)限制, 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)行精確限制.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

3、索力誤差超過(guò)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.可分階 段地進(jìn)行張拉、調(diào)索.在牽索掛籃懸澆時(shí),在限制好掛籃底模標(biāo)高后,在節(jié)段碎灌注過(guò)程中,當(dāng)碎灌注至1/4、2/4、3/4,及碎灌注完后,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, 保證張拉力的準(zhǔn)確

4、, 張拉千斤頂將懸掛在用于斜拉索掛設(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,但其索力在斜拉索的張拉、測(cè)試過(guò)程中,塔的張拉與調(diào)整仍應(yīng)與相應(yīng)的中跨懸臂段施工時(shí)同步進(jìn)行.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.做到平安、優(yōu)質(zhì)地完成斜拉

5、索的施工任務(wù).索力計(jì)算：以合理成橋狀態(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)平安性和穩(wěn)定性,計(jì)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(jìn)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(yàn).2倒拆法是以合理成橋狀態(tài)為初態(tài)進(jìn)行節(jié)段撤除,每個(gè)節(jié)段撤除后的下一節(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) 果反應(yīng)到倒拆中去,反復(fù)

6、迭代,直到最后結(jié)果與合理成橋狀態(tài)根本吻合.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)逐步到達(dá)預(yù)定的線形和內(nèi)力狀態(tài).正裝一倒拆順序參見(jiàn)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?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(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M n 1,0 M n 1,1 ,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)

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(shí),第 n號(hào)索的索力在計(jì)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(jì)算3, c步時(shí),懸臂體系和第 n號(hào)索在其錨點(diǎn)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(fù)第三步直到整個(gè)結(jié)構(gòu)被“化整為零 ,總的原理是：在拉索撤除之前每一計(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).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(jì)算中,兩者不閉合,即根據(jù)根據(jù)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,原那么上倒拆法無(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,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

9、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)限制：張拉過(guò)程的根本問(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)到達(dá)預(yù)先要求的設(shè)計(jì)狀態(tài).根本假定：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

10、序列定義的.對(duì)于一個(gè)確定的張拉變量子序列x1 , x2, A, 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(shí)際結(jié)構(gòu)的任何荷載.張拉過(guò)程的最優(yōu)限制：斜拉橋拉索張拉過(guò)程就是為了確定一個(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)到達(dá)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(jiàn)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)

11、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)是成橋后的索力到達(dá)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 限制條件.在實(shí)際中,可以根據(jù)需要參加其它約束.第一階段分析見(jiàn)圖2a: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(jiàn)圖2b: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

12、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, x5)T其中A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

13、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 bWbW l, 索力不超過(guò)張拉機(jī)具的額定承載水平 Ne.那么建立多目標(biāo)的規(guī)劃問(wèn)題：求x1 , x2, A, 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年得到了飛速開(kāi)展.不但進(jìn)入 了一直被懸索橋所統(tǒng)治的大跨徑領(lǐng)域,在中小跨徑也開(kāi)始與其他橋型展開(kāi)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)整拉索使之到達(dá)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)限制數(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,該方法不但能夠到達(dá)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水平、內(nèi)力和位移約束條件,克服了已有計(jì)算方法的缺乏,并且可以將該方法應(yīng)用于懸索橋、拱橋的施工限制中,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(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.淺談局部斜拉橋.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