2022年整理-大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究綜述

1、PAGE PAGE 8大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究綜述1大跨度橋梁結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)理論的開展隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的開展，大跨徑橋梁的建設(shè)在20世紀(jì)末進(jìn)入了一個(gè)高潮。大跨度橋梁形式多樣，有斜拉橋、懸索橋、拱橋、懸臂桁架橋及其它的一些新型的橋式，如全索橋，索托橋，斜拉2懸吊混合體系橋、索桁橋等等。其中，懸索橋和斜拉橋是大跨徑橋梁開展的主流。近20年來開展最快的大跨徑橋梁是斜拉橋，而遙遙領(lǐng)先的是懸索橋。當(dāng)前世界最大跨度的懸索橋是1998年建造的日本明石海峽大橋，其主跨度為1991m；世界最大跨度的斜拉橋是1999年建造的日本多多羅橋，其主跨度為890m；而中國(guó)最大跨徑的懸索橋是江蘇潤(rùn)楊長(zhǎng)江公路大橋，主跨度1490m

2、，在世界懸索橋行列中位居第三；中國(guó)最大跨徑的斜拉橋?yàn)榻K南京長(zhǎng)江第二大橋，主跨度628m，在世界鋼箱梁斜拉橋中位列第三；湖北荊州長(zhǎng)江公路大橋，主跨徑達(dá)500m，在世界預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋中位列第二。目前的橋梁技術(shù)已經(jīng)能較好的解決現(xiàn)存問題，但是隨著橋梁跨度不斷增大，向著更長(zhǎng)、更大和更柔方向開展，為了保證其可靠性、耐久性、行車舒適性、施工簡(jiǎn)易性和美觀性及其統(tǒng)一還有大量的工作要做。橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程也就是如何處理橋梁結(jié)構(gòu)的平安性(可靠性、耐久性)、適用性(滿足功能要求及行車舒適性)、經(jīng)濟(jì)性(包括建設(shè)費(fèi)用和維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用)及美觀性的過程。傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要求設(shè)計(jì)者根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，參考類似的

3、橋梁工程設(shè)計(jì)，通過判斷去構(gòu)思設(shè)計(jì)方案，然后進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、和穩(wěn)定等各方面的計(jì)算。但由于設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)的限制，確定的最終方案往往不是理想的最優(yōu)方案，而僅為有限個(gè)方案中接近最優(yōu)的可行方案。橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論是傳統(tǒng)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的重大開展，也是現(xiàn)代橋梁設(shè)計(jì)的目標(biāo)。它是使所有參與設(shè)計(jì)計(jì)算的量局部以變量出現(xiàn)，在滿足標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定的前提下，形成全部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行方案域，并利用數(shù)學(xué)手段，按預(yù)定的要求尋求最優(yōu)方案。2大跨度橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀盡管早在19世紀(jì)中期就出現(xiàn)了現(xiàn)代意義上的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，但將其應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)研究卻出現(xiàn)較晚。國(guó)外在20世紀(jì)60年代開始有了橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，而我國(guó)直到20

4、世紀(jì)70年代末才開始有這方面的研究。這是因?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量多，活載復(fù)雜難于處理，需要大容量的計(jì)算機(jī)和很長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。開展得最早也開展得最為成熟的是桁架橋的優(yōu)化設(shè)計(jì)。而對(duì)大跨度橋梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究卻是在20世紀(jì)末大跨度橋梁飛速開展后才開展起來的，綜合起來主要集中在以下幾個(gè)方面。2.1局部?jī)?yōu)化局部最優(yōu)雖不能等同于整體最優(yōu)，但卻有益于整體最優(yōu)，并促進(jìn)橋梁結(jié)構(gòu)的開展。因?yàn)閷?duì)局部的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量相對(duì)較少而使研究的難度大大減小，研究的深度因而能更透徹。目前對(duì)大跨度橋梁的局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究已涉及到大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工的各個(gè)方面，主要有：2.1.1加勁梁橫截面的優(yōu)化大跨度橋梁的加勁梁主要有鋼梁、混凝土梁、混

5、合梁和疊合梁。根據(jù)目前全世界己建成的大跨度橋梁統(tǒng)計(jì)，跨度分別排在前12位的斜拉橋和懸索橋，其主跨加勁梁形式大多為鋼梁，而鋼與混凝土結(jié)合梁和混凝土梁較少且跨度相對(duì)較小。這些鋼與混凝土結(jié)合梁橋主要在我國(guó)采用較多，這與我國(guó)經(jīng)濟(jì)有關(guān)。而隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的開展和近年來國(guó)家對(duì)鋼結(jié)構(gòu)開展的大力支持與鼓勵(lì)，以及橋梁跨度的進(jìn)一步開展和鋼結(jié)構(gòu)本身自重輕、強(qiáng)度大，適合大垮度橋梁的特點(diǎn)，估計(jì)未來的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的加勁梁尤其是超大跨度的橋梁會(huì)以鋼結(jié)構(gòu)為主。這就意味著我們對(duì)大跨度橋梁加勁梁的研究也當(dāng)以鋼梁為主。在鋼梁中，鋼箱梁又因其流線外形且抗扭剛度大而空氣動(dòng)力穩(wěn)定性較好，因而應(yīng)用最廣。目前，對(duì)加勁梁橫截面的優(yōu)化研究很少，因

6、其受力和結(jié)構(gòu)都太復(fù)雜，牽涉的方面也太多。事實(shí)上大跨度橋梁主梁耗材最大，其截面形式對(duì)橋的空氣動(dòng)力穩(wěn)定性有很大的影響。怎樣選擇合理的流線形截面，使大跨度橋梁有好的空氣動(dòng)力穩(wěn)定性，又受力合理，節(jié)省材料，還有待我們作進(jìn)一步的研究。2.1.2斜拉索或主纜的動(dòng)力優(yōu)化目前的大跨度橋梁主要有斜拉橋、懸索橋及其它的一些新型的橋式，如全索橋，索托橋，斜拉2懸吊混合體系橋等。這些橋式都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即都由纜索支承，且橋面較柔，屬柔性結(jié)構(gòu)，阻尼低。在外部鼓勵(lì)下，拉索極易發(fā)生意想不到的大幅振動(dòng)。如風(fēng)雨共現(xiàn)時(shí)的風(fēng)雨振現(xiàn)象，主梁和拉索之間耦合振動(dòng)引起的參數(shù)共振、拉索的自激振動(dòng)等。拉索的大幅振動(dòng)容易引起拉索錨固端的疲勞、

7、降低拉索的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至對(duì)橋梁平安構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，大跨度橋梁的動(dòng)力問題顯得尤為重要。10多年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)斜拉索的振動(dòng)控制進(jìn)行了許多研究，提出了許多減震措施，目前常用的減振方法是在拉索上外加被動(dòng)阻尼器(稱為被動(dòng)控制)，如粘性阻尼器、摩擦阻尼器等，但這種阻尼器具有明顯的缺點(diǎn)，不能根據(jù)外部的鼓勵(lì)情況調(diào)節(jié)阻尼力，受環(huán)境溫度影響大，因而難以到達(dá)理想的減振效果。最近，一種智能阻尼裝置磁流變阻尼器被開發(fā)用于振動(dòng)控制。該阻尼器由智能材料磁流變體制造，通過調(diào)節(jié)輸入電壓可以提供可變阻尼。湖南科技大學(xué)的王修勇等采用數(shù)值仿真方法，對(duì)阻尼器優(yōu)化電壓進(jìn)行了研究，進(jìn)一步完善了磁流變智能阻尼器拉索減振技術(shù)。還有

8、一種主動(dòng)控制技術(shù)，即利用外部能源，在結(jié)構(gòu)受鼓勵(lì)過程中，對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制力或改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，從而迅速地減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反響。主動(dòng)控制技術(shù)造價(jià)昂貴，但效果好，適用性廣，能對(duì)結(jié)構(gòu)多個(gè)振形進(jìn)行控制。對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是尋找最優(yōu)控制參數(shù)，使系統(tǒng)到達(dá)較優(yōu)的性能指標(biāo)。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者經(jīng)過多年的研究，已提出多種算法，主要有經(jīng)典線性最優(yōu)控制法、瞬時(shí)最優(yōu)控制法、模態(tài)空間控制法、極點(diǎn)配置法、預(yù)測(cè)控制法及其中的兩種或多種方法組合等。2.1.3索力調(diào)整優(yōu)化大跨度橋梁的收縮徐變、非線性性條件等影響會(huì)隨著跨度的增大越來越顯著，但最終控制主梁應(yīng)力和線形的直接因素還是斜拉索力和施工時(shí)的立模標(biāo)高，因而確定合理的索力對(duì)斜拉橋的材料用量及

9、結(jié)構(gòu)平安性都有十分重要的意義。然而斜拉橋作為一個(gè)高次超靜定結(jié)構(gòu)，施工中又要經(jīng)過體系轉(zhuǎn)換，如何確定合理的成橋索力，同時(shí)又能保證施工中的塔梁受力均勻合理，是目前進(jìn)行斜拉橋施工監(jiān)測(cè)控制的主要目標(biāo)。國(guó)內(nèi)外對(duì)索力調(diào)整優(yōu)化的研究進(jìn)行得較早，開展得也較為成熟。目前，有關(guān)索力調(diào)整的理論主要有4大類：a)指定受力或位移狀態(tài)的索力優(yōu)化，如剛性支承連續(xù)梁法和零位移法。b)無約束的索力優(yōu)化，如彎距平方和最小法和彎曲能量最小法。c)有約束的索力優(yōu)化，如用索量最小法。d)影響矩陣法。影響矩陣法能得到不同目標(biāo)函數(shù)、不同加權(quán)的優(yōu)化結(jié)果，又能計(jì)入預(yù)應(yīng)力、活載、收縮徐變、約束優(yōu)化等影響，既可用于確定索結(jié)構(gòu)合理狀態(tài)，也可用于施工階

10、段和成橋階段的索力調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)調(diào)整與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的統(tǒng)一。影響矩陣法包含了前3種優(yōu)化方法，是目前最為完備的一種斜拉橋索力優(yōu)化理論。2.1.4索塔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化索塔的優(yōu)化主要是塔高和受力合理性的優(yōu)化。塔太高會(huì)給施工帶來困難，增加造價(jià)。而塔太矮會(huì)降低拉索的工作效率，增加主梁和拉索的受力。因此單獨(dú)對(duì)塔高的優(yōu)化不一定是經(jīng)濟(jì)的，而應(yīng)和其它局部結(jié)合起來考慮。塔的受力合理性與塔的結(jié)構(gòu)形式、纜索形式、纜索錨固形式及錨固點(diǎn)分布有關(guān)，也是一個(gè)值得研究的課題。2.1.5斜拉索和吊索錨固的優(yōu)化斜拉索和吊索錨固的形式和錨固點(diǎn)的布置對(duì)索塔和主梁的應(yīng)力集中問題和結(jié)構(gòu)形式有一定的影響，應(yīng)和索塔和主梁結(jié)合起來考慮。2.1.6懸索橋錨錠的優(yōu)化懸索橋的錨錠有自錨式和地錨式。自錨式一般只有在無法使用地錨式時(shí)才采用。地錨的優(yōu)化涉及到地質(zhì)條件問題，目前研究較少。自錨式一般很少采用，研究也很少。2.1.7橋墩及根底優(yōu)化對(duì)于大跨度橋梁橋墩和根底的優(yōu)化，不管數(shù)量、位置、還是結(jié)構(gòu)形式，一般都受地質(zhì)條件的限制，應(yīng)針對(duì)具體橋梁來考慮。因此，大跨度橋梁的橋墩優(yōu)化設(shè)計(jì)一般都是獨(dú)立的，受上部結(jié)構(gòu)影響很小。內(nèi)容總結(jié)1大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)