淺析斜拉橋合理成橋索力確定的方法

1、第 4卷 第八期 中 國 水 運理 論 版Vol.4 No.8 2006年 8月 China Water TransportTheory EditionAugust 2006 收稿日期 2006-7-4 作者簡介徐 靖 男1978 北京海威工程建設(shè)有限責(zé)任公司 助工100000淺析斜拉橋合理成橋索力確定的方法徐 靖摘要斜拉橋作為高次超靜定結(jié)構(gòu)其斜拉索力對梁的應(yīng)力和變形起著決定性作用因此如何合理地確定索力使斜拉橋處于合理的受力狀態(tài)下已成為斜拉橋設(shè)計中的關(guān)鍵問題本文綜合介紹了索力優(yōu)化的概念分析目前各種索力優(yōu)化方法的優(yōu)缺點同時還提出了合理索力確定的原則關(guān)鍵詞 斜拉橋 索力優(yōu)化 合理索力 中圖分類號

2、U448.27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號1006-7973200608-0067-02一引言斜拉橋是一種經(jīng)濟(jì)合理美觀的橋型能使材料充分發(fā)揮各自的特性 這一特點使斜拉橋成為大跨度橋梁中最具有競爭力的橋型之一在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中被廣泛地應(yīng)用近年來斜拉橋又朝著結(jié)構(gòu)輕型化組合斜拉橋復(fù)合斜拉橋及自錨相結(jié)合斜拉橋和懸索橋協(xié)作體系的方向發(fā)展能夠讓 斜拉橋在大跨度橋梁里面有如此強(qiáng)盛生命力的原因是因為作用在橋梁的斜拉索起到了類似于彈性支承的作用 在斜拉橋的結(jié)構(gòu)布置等其它條件都確定的情況下 斜拉橋的受力狀態(tài)主要由索的張拉力決定 因此確定斜拉橋各索的初始索力成為斜拉橋設(shè)計的一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)在諸多可能的恒載初始索力設(shè)計方

3、案中 總歸存在一些能夠比較符合設(shè)計者要求的選擇這也就是索力優(yōu)化設(shè)計的問題優(yōu)化設(shè)計的目的總是為了能夠讓橋梁結(jié)構(gòu)處于一種符合設(shè)計者構(gòu)思的狀態(tài) 這些狀態(tài)通常也能夠使橋梁結(jié)構(gòu)處于一種比較優(yōu)良的受力狀態(tài)以取得比較優(yōu)良的力學(xué)和經(jīng)濟(jì)效果所以圍繞不同的斜拉橋橋型國內(nèi)外橋梁專家學(xué)者們提出了不少建設(shè)性的索力優(yōu)化方法 并在工程實踐中取得了較良好的收益二索力優(yōu)化的基本概念 計算斜拉橋最優(yōu)索力的概念 可以用圖 1所示的簡單結(jié)構(gòu)來說明 索梁組成的一次超靜定體系 贅余力用拉索的張圖 1 索梁組合一次超靜定結(jié)構(gòu)x N x lx q M 2(212=lx 1如果按變形協(xié)調(diào)條件計算贅余力 易得EAEI l EI ql N +=4

4、8534 2為方便討論 取 13lEI 192=h EA 式 2變成84qlN =相應(yīng)的梁的彎矩如圖 2a 所示 這一狀態(tài)對應(yīng)于斜拉橋一 次落架時的恒載內(nèi)力狀態(tài)為了優(yōu)化梁的受力可以根據(jù)需要擬定一個目標(biāo)函數(shù)現(xiàn)以梁上彎矩平方和為例來加以說明目標(biāo)函數(shù)為 dxx M f (12=3將式 3-2. 1代入式 3-2.3使目標(biāo)函數(shù) f 最小的贅余力為85qlN =4對應(yīng)的彎矩圖 2b 所示 這一狀況相當(dāng)于優(yōu)化后的斜 拉橋恒載狀態(tài)a優(yōu)化前梁的彎矩圖 68中 國 水 運 理 論 版 第 4卷 圖 2 優(yōu)化前后梁彎矩圖 這時的內(nèi)力狀態(tài)是通過索的張拉來實現(xiàn)的 相應(yīng)的索力 不能使結(jié)構(gòu)滿足變形協(xié)調(diào) 但正是這一張拉力改

5、善了梁的 受力狀況這必然在建設(shè)中節(jié)約斜拉橋的材料用量從而使 得斜拉橋能夠有很大的跨徑 三斜拉橋索力優(yōu)化方法的發(fā)展現(xiàn)狀 國內(nèi)外有許多學(xué)者對斜拉橋的恒載初始索力優(yōu)化問題進(jìn)行了研究其按照優(yōu)化目標(biāo)歸結(jié)起來可分為三大類指定受力狀態(tài)的索力優(yōu)化 無約束的索力優(yōu)化和有約束的索力優(yōu)化 1指定受力狀態(tài)的索力 這類方法主要有剛性支承連續(xù)梁法和零位移法剛性連續(xù)梁法1是使用最早的方法之一 它是指成橋時 斜拉橋主梁的恒載彎曲內(nèi)力和剛性支承連續(xù)梁的內(nèi)力大體相 近因此可以較容易地用連續(xù)支承反力來確定斜拉索力 這種方法確定的索力可能導(dǎo)致索力跳躍很大 不均勻但主 梁彎矩很小對于不對稱的結(jié)構(gòu)必然在塔中引起很大的不 合理彎曲內(nèi)力 所

6、得到的結(jié)果難以應(yīng)用零位移法 1 是通過 索力調(diào)整使成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)在恒載作用下 索梁交點位移為 零對于在滿足支架上一次落架的斜拉橋體系 其結(jié)果與剛 性連續(xù)梁法幾乎一致 當(dāng)軸向剛度時此法同樣有對于 不對稱結(jié)構(gòu) 塔的彎矩難以照顧的問題 2索力的無約束優(yōu)化 這類方法的典型例子是彎曲能量最小法和彎矩最小法 彎曲能量最小法是以結(jié)構(gòu)包括梁塔墩 彎曲應(yīng)變 能作為目標(biāo)函數(shù) 可轉(zhuǎn)變?yōu)橐淮谓Y(jié)構(gòu)分析的問題其中只要 讓梁塔索的軸向剛度取大數(shù)梁和塔的彎曲剛度不變 把全部恒載加在結(jié)構(gòu)上所得到的內(nèi)力狀態(tài)即為所求彎矩 最小法是以該結(jié)構(gòu) 包括梁塔墩彎矩平方和作為目標(biāo) 函數(shù)其結(jié)果與彎曲能量最小法接近 這兩種方法只適用于 恒載索力優(yōu)

7、化無法計入預(yù)應(yīng)力索影響計算時要改變結(jié)構(gòu) 的計算模式增加計算麻煩 3索力的有約束優(yōu)化這類方法較為典型的例子是用索量最小法和最大偏差最 小法用索量最小法是用斜拉橋索的用量 張拉力乘以索長 作為目標(biāo)函數(shù)用關(guān)心截面內(nèi)力位移期望值范圍作為約束 條件運用這種方法必須確定合理的約束方程否則容易出最大偏差最小法4是將可行域中參量與期望使最大偏差達(dá)到最小這是一個 最后可變化為一個線性規(guī)劃問題這種方也適用于施工中的索力調(diào)整但是索力的有約束優(yōu)化所求恒載索力與所選約束條并且往往難以得到合理的結(jié)果四成橋合理索力確定原則的探討1索力分布索力要分布均勻但又有較大的靈活性 通常短索的索力小長索的索力大呈遞增趨勢但局部地方應(yīng)允

8、許索力有突變?nèi)?0號索當(dāng)全為漂浮體系的橋型 和 1號索的索 力通常用較大的值尾索由于起錨固作用其索力通常取值較大 從而索的剛度較大 對活載受力有利 在所有的索中 不宜有太大或太小索力的索2主梁彎矩主梁彎矩通常是斜拉橋設(shè)計計算中的難點和重點 在成橋狀態(tài)下主梁的恒載彎矩要控制在可行域范圍內(nèi)3主塔彎矩在恒載狀態(tài)下 主塔彎矩不能太大 并且也要適當(dāng)考慮活載的影響 通常在活載作用下塔往江側(cè)的彎曲程度比岸側(cè)大因此在恒載狀態(tài)下塔宜向岸側(cè)有一定的預(yù)偏4邊墩和輔助墩支承反力邊墩和輔助墩支座反力在恒載下要有足夠的壓力儲備最好在活載作用下不出現(xiàn)負(fù)反力 但這種受力要求通常由配重或設(shè)置拉力支座來滿足五 結(jié)論合理成橋索力的計算實質(zhì)是斜拉橋恒載受力狀態(tài)的優(yōu)化計算 要想得到理想的結(jié)果 不但取決于計算方法計算過 程結(jié)構(gòu)設(shè)計本身也要合理即結(jié)構(gòu)的尺寸形狀材料特 性等參數(shù)必須滿足一定的條件 同時希望的成橋目標(biāo)不同確定斜拉橋成橋狀態(tài)下合理索力的方法會有所不同 單一使 用某種方法確定斜拉橋的成橋狀態(tài)下的合理索力 不可避免地存在缺點和不足有些方法還會因為無法合理地選取控制條件而得不出最終的合理結(jié)果參考文獻(xiàn)1 范立礎(chǔ)主編 . 橋梁工程 下 . 人民交通出版社 . 1987.2 杜國華姜林 . 斜拉橋的合理索力及其施工張拉力 . 橋梁建設(shè) . 1989.3.3 張堅 . 斜拉橋恒載下自動調(diào)索計算方法