斜拉橋施工索力張拉控制及優(yōu)化

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。國內(nèi)外學(xué)者及工程技術(shù)人員對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、無應(yīng)力狀態(tài)控制法等許多實用控制方法。這些方法的實質(zhì)都是基于對施工反饋數(shù)據(jù)的誤差分析，通過計算和施工手段對結(jié)構(gòu)的目標(biāo)狀態(tài)和施工的實施狀態(tài)進(jìn)行控制調(diào)整，達(dá)到對施工誤差進(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、施工的特點相結(jié)合才能在確保結(jié)構(gòu)安全及施工便捷的前提下切實可靠地實現(xiàn)控制的目標(biāo)。目前國內(nèi)大多數(shù)斜拉橋的施工控制都是針對常規(guī)的混凝土斜拉橋進(jìn)行的，其相應(yīng)的控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控制過程中的索力張拉控制及優(yōu)化方法。斜拉索施工過程程：斜拉索安安裝完畢，即即進(jìn)行張拉工工作。張拉前前對千斤頂、油油泵、油表進(jìn)進(jìn)行編號、配配套，張拉設(shè)備備定期進(jìn)行標(biāo)標(biāo)定。斜拉索索正常狀態(tài)按按設(shè)計指令分分2次張拉，第1次張拉按油油表讀數(shù)控制制，張拉時4根索嚴(yán)格分分級同步對稱稱進(jìn)行；第2次張拉是在在監(jiān)控利用頻頻率法測完索索力后，以斜斜拉索錨頭拔拔出量進(jìn)行精精確控制。施施工監(jiān)控包括括對索力、應(yīng)應(yīng)力、應(yīng)變、線線形、溫度、主主塔偏位的監(jiān)監(jiān)控。施工監(jiān)監(jiān)控在凌晨氣氣溫相對穩(wěn)定定時進(jìn)行，保保證在凌晨5點前完成。索索力測試采用用應(yīng)變儀捕捉捉索自振頻率率，當(dāng)測出索索力誤差超過過2時，應(yīng)對索索力進(jìn)行調(diào)整整，直到滿足足要求。索力力調(diào)整完畢立立即對應(yīng)力、應(yīng)應(yīng)變、線形、溫溫度、主塔偏偏位進(jìn)行測量量。可分階段段地進(jìn)行張拉拉、調(diào)索。在在牽索掛籃懸懸澆時，在控控制好掛籃底底模標(biāo)高后，在在節(jié)段砼灌注注過程中，當(dāng)當(dāng)砼灌注至1/4、2/4、3/4，及砼灌注注完后，均需需進(jìn)行調(diào)整索索力及掛籃底底模標(biāo)高。當(dāng)當(dāng)主塔施工至至與邊跨合攏攏前、中跨合合攏前和合攏攏后、二期恒恒載安裝后均均需按設(shè)計要要求對全橋斜斜拉索進(jìn)行統(tǒng)統(tǒng)一檢測調(diào)整整，使全橋線線型滿足設(shè)計計要求。并在在對每節(jié)段主主梁懸澆進(jìn)行行監(jiān)控時，對對主梁最前端端的5～6對拉索的索索力進(jìn)行測定定，觀察其變變化幅度是否否在設(shè)計范圍圍內(nèi)。在斜拉拉索張拉前，應(yīng)應(yīng)將張拉千斤斤頂進(jìn)行精確確標(biāo)定，標(biāo)定定出其校正曲曲線，確保張張拉力的準(zhǔn)確確，張拉千斤斤頂將懸掛在在用于斜拉索索掛設(shè)的滑動動架上隨支架架上下滑動，張張拉時，千斤斤頂支撐在張張拉架上，當(dāng)當(dāng)千斤頂將斜斜拉索按設(shè)計計要求拉長以以后，即將錨錨頭上錨固螺螺母內(nèi)擰加以以固定，然后后放松千斤頂頂完成一次斜斜拉索的張拉拉。在斜拉索張拉調(diào)調(diào)整過程中，需需將主塔兩方方向及上下游游方向四根索索同時分步進(jìn)進(jìn)行。值得注注意的是，當(dāng)當(dāng)次中跨與邊邊跨合攏后，邊邊跨的斜拉索索是在已灌注注好的主梁上上進(jìn)行安裝，但但其索力的張張拉與調(diào)整仍仍應(yīng)與相應(yīng)的的中跨懸臂段段施工時同步步進(jìn)行。在斜斜拉索的張拉拉、測試過程程中，塔索梁梁的溫度影響響很大，需將將其進(jìn)行同步步測量并修正正測試結(jié)果，同同時，將在科科學(xué)的監(jiān)測監(jiān)監(jiān)控之下進(jìn)行行。使全橋斜斜拉索受力均均勻，主梁線線型優(yōu)美，符符合設(shè)計要求求。做到安全全、優(yōu)質(zhì)地完完成斜拉索的的施工任務(wù)。索力計算：以合合理成橋狀態(tài)態(tài)為目標(biāo)，對對斜拉橋進(jìn)行行倒拆-正裝迭代分分析，考慮結(jié)結(jié)構(gòu)非線性的的影響，同時時保證施工階階段的結(jié)構(gòu)安安全性和穩(wěn)定定性，計算出出施工階段初初張拉索力。基基本算法：1)正裝法是初初擬施工索力力，按正常施施工工序進(jìn)行行拼裝，在成成橋后與合理理成橋狀態(tài)對對比，再返回回修正，需要要比較豐富的的經(jīng)驗。2)倒拆法是以以合理成橋狀狀態(tài)為初態(tài)進(jìn)進(jìn)行節(jié)段拆除除，每個節(jié)段段拆除后的下下一節(jié)段的索索力值為施工工時安裝該節(jié)節(jié)段的索力張張拉值。倒拆拆法難以考慮慮混凝土收縮縮、徐變的影影響，結(jié)構(gòu)變變形以及未閉閉合力的問題題。3)倒拆正裝法法是先用倒拆拆法算出每個個施工階段的的張拉索力，然然后再用該索索力進(jìn)行正裝裝計算，得出出考慮上述影影響的結(jié)果，然然后將影響結(jié)結(jié)果反饋到倒倒拆中去，反反復(fù)迭代，直直到最后結(jié)果果與合理成橋橋狀態(tài)基本吻吻合。倒拆-正裝迭代計計算法是斜拉拉橋安裝計算算廣泛采用的的一種方法，通通過倒拆、正正裝交替計算算，確定各施施工階段的安安裝參數(shù)，使使結(jié)構(gòu)逐步達(dá)達(dá)到預(yù)定的線線形和內(nèi)力狀狀態(tài)。正裝—倒拆順序序參見圖1，圖中僅列列出懸臂施工工至最終狀態(tài)態(tài)的最后4個安裝階段段。計算的第一步是是二期恒載gs的卸載，計計算索力和跨跨中彎矩，在在第一步計算算后，索力和和跨中彎矩變變?yōu)椋旱诙绞呛蠑n段段的拆除，在在計算2，c步時，由半半橋組成的結(jié)結(jié)構(gòu)體系在懸懸臂端施加彎彎矩—，在計算2，g時，懸臂端端施加合攏段段自重荷載（反反方向），此此時的索力變變化為：這些是在正裝第第n，c步后所找到到的索力。在在初始張拉時時，第n號索的索力力在計算2，g步后，就等等于所需找到到的索力第三步是各懸臂臂段的拆除，在在計算3，c步時，懸臂臂體系和第n號索在其錨錨點受到力—的作用，在3，g階段后，索索力變化為：：重復(fù)第三步直到到整個結(jié)構(gòu)被被“化整為零”，總的原理理是：在拉索索拆除之前每每一計算步驟驟完成后，可可確定當(dāng)前拉拉索的初始張張拉力，于是是結(jié)構(gòu)變?yōu)椴鸩鹦懂?dāng)前拉索索并承受相反反索力作用的的剩余結(jié)構(gòu)。圖1正裝—倒倒拆順序示意意圖由于斜拉索的非非線性和混凝凝土的收縮徐徐變的影響，倒倒拆和正裝計計算中，兩者者不閉合，即即按照按照倒倒拆的數(shù)據(jù)正正裝，結(jié)構(gòu)偏偏離預(yù)定的成成橋狀態(tài)的線線形和內(nèi)力狀狀態(tài)。因此，倒倒拆法與正裝裝閉合的關(guān)鍵鍵是混凝土收收獲徐變的處處理，混凝土土的徐變與結(jié)結(jié)構(gòu)的形成歷歷程有密切的的關(guān)系，原則則上倒拆法無無法進(jìn)行徐變變計算。為了了解決倒拆和和正裝計算徐徐變迭代問題題，第一輪倒倒拆計算，不不計混凝土的的收縮徐變，然然后用上次倒倒拆的結(jié)果進(jìn)進(jìn)行正裝計算算，逐階段考考慮混凝土收收縮徐變的影影響，并將各各施工階段的的收縮徐變值值存盤。再次次進(jìn)行倒拆計計算時，采用用上一輪正裝裝階段的混凝凝土收縮和徐徐變值，如此此反復(fù)，直到到正裝和倒拆拆收斂到允許許的精度。同同時，文獻(xiàn)[[23]介紹了一種種考慮結(jié)構(gòu)幾幾何非線性影影響的倒退分分析方法。該該方法在倒退退分析時，在在每個倒退的的施工步驟中中，采用增量量迭代法考慮慮非線性的影影響，倒退分分析的起點是是成橋狀態(tài)，每每次增量迭代代過程中力和和位移的修正正量都是從施施工的后一階階段向前計算算得到的。索力張拉過程最最優(yōu)控制：張拉過程的基本本問題及結(jié)構(gòu)構(gòu)分析：無論論是采用懸臂臂法施工還是是現(xiàn)澆法施工工的斜拉橋，在在施工過程中中，都需要確確定一個張拉拉變量序列，使使得在該序列列經(jīng)歷的一切切中間狀態(tài)下下滿足結(jié)構(gòu)內(nèi)內(nèi)力、變形及及機(jī)具承載力力的要求，并并在該序列的的終點達(dá)到預(yù)預(yù)先要求的設(shè)設(shè)計狀態(tài)?；炯俣ǎ?1)在張拉過程程中，假定拉拉索張拉力與與伸長量之間間的關(guān)系是線線性的。(2)張拉變量的的次序是預(yù)先先給定的，其其量值是給定定的或待求的的。在結(jié)構(gòu)分分析中，引入入影響結(jié)構(gòu)的的概念，影響響結(jié)構(gòu)是由張張拉變量序列列的子序列定定義的。對于于一個確定的的張拉變量子子序列{x1，x2，Λ，xk}，實際結(jié)構(gòu)構(gòu)的一種退化化形式被稱為為該序列的影影響結(jié)構(gòu)，如如果能夠滿足足：(1)不切斷索，在在相應(yīng)于xk的所有拉索索處施加單位位不變形預(yù)張張力。(2)相應(yīng)于xj(j<<k)的拉索全部部替換成具有有相同抗拉剛剛度的二力桿桿。(3)不承受實際際結(jié)構(gòu)的任何何荷載。張拉過程的最優(yōu)優(yōu)控制：斜拉拉橋拉索張拉拉過程就是為為了確定一個個張拉變量序序列，使得在在該序列經(jīng)歷歷的一切中間間狀態(tài)下滿足足內(nèi)力、位移移、機(jī)具承載載力約束，在在該序列的終終點達(dá)到預(yù)先先要求的設(shè)計計狀態(tài)，即目目標(biāo)狀態(tài)。下下面將通過一一個簡單的例例子來說明張張拉過程及優(yōu)優(yōu)化模型的建建立。斜拉橋施工步驟驟見圖4。該模型共共有5對索，每次次張拉對稱的的一組索同時時張拉。為了了說明問題，對對索力張拉的的要求是在每每個階段只張張拉最前端一一組索，并且且成橋后不調(diào)調(diào)整索力，目目標(biāo)是成橋后后的索力達(dá)到到設(shè)計要求(即合理成橋橋狀態(tài)索力)，約束取每每個施工段中中點的應(yīng)力作作為控制條件件。在實際中中，可以根據(jù)據(jù)需要加入其其它約束。第一階段分析((見圖2(a))：索①兩端同時施施加單位不變變形預(yù)張力，求求出對索①的影響值，記記為a-11;同時可以求求出施加單位位不變形預(yù)張張力對關(guān)心截截面1上下緣應(yīng)力力的影響值b11，b21;同時計算該該塊件自重對對關(guān)心截面1上下緣應(yīng)力力的影響值d11，d21。第二階段段分析(見圖2(b))：索②兩端同時施施加單位不變變形預(yù)張力，求求出對索①的影響值a-12，對索②的影響值a-22;同時可以求求出對索②施加單位不不變形預(yù)張力力對關(guān)心截面面2上下緣應(yīng)力力的影響值b32，b42;同時計算新新增塊件自重重對索的影響響力大小，對對索力的影響響記為c12，對關(guān)心截截面1，2上下緣應(yīng)力力的影響值為為d12，d22，d32，d42。依次類推推，直到施工工完畢。根據(jù)據(jù)施工步驟求求出所需要的的影響矩陣[A]，[B]，[C]，[D]。圖2斜拉橋施施工圖{q}={q11，q2，q3，q4，q5}T，{x}={{x1，x2，x3，x4，x5}T其中[A]為對對每根索施加加單位不變形形預(yù)張力對各各根索的影響響值，[B]為對每根索索施加單位不不變形預(yù)張力力對關(guān)心截面面內(nèi)力影響值值，[C]為新增塊件件自重對索力力的影響值，[D]為新增塊件件自重對關(guān)心心截面內(nèi)力影影響值，{x}為待求的張張拉序列，{q}為新增塊件件自重向量。設(shè)設(shè)索力要達(dá)到到的目標(biāo)為[X*]，約束條件件為在施工過過程中截面應(yīng)應(yīng)力不超過規(guī)規(guī)定值，即[σ]≤[σ]≤[σ-]，索力不超超過張拉機(jī)具具的額定承載載能力[Ne]。則建立多多目標(biāo)的規(guī)劃劃問題：求{x1，x22，Λ，x5}使min[CC]{q}+[A]]{x}--{x*}至此，張拉過程程的優(yōu)化模型型已經(jīng)建立，然然后利用綜合合參數(shù)法求解解多目標(biāo)、多多約束的優(yōu)化化問題。結(jié)論：斜拉橋以以其優(yōu)美的結(jié)結(jié)構(gòu)形式、經(jīng)經(jīng)濟(jì)的造價，在在近30年得到了飛飛速發(fā)展。不不但進(jìn)入了一一直被懸索橋橋所統(tǒng)治的大大跨徑領(lǐng)域，在在中小跨徑也也開始與其他他橋型展開競競爭。隨著結(jié)結(jié)構(gòu)的大型化化及結(jié)構(gòu)的多多樣化、復(fù)雜雜化，單純依依靠經(jīng)驗、反反復(fù)調(diào)整拉索索使之達(dá)到理理想的成橋狀狀態(tài)已不能滿滿足實際需要要。本文通過過介紹張拉過過程的最優(yōu)控控制數(shù)學(xué)模型型，將索力張張拉過程歸結(jié)結(jié)為多目標(biāo)、多多約束的優(yōu)化化問題，并采采用綜合參數(shù)數(shù)法進(jìn)行求解解，該方法不不但能夠達(dá)到到預(yù)先給定的的設(shè)計狀態(tài)，而而且能夠滿足足施工過程中中張拉工具的的承載能力、內(nèi)內(nèi)力和位移約約束條件，克克服了已有計計算方法的不不足，并且可可以將該方法法應(yīng)用于懸索索橋、拱橋的的施工控制中中，對同類問問題有很重要要的參考價值值。參考文獻(xiàn)：[1]嚴(yán)國敏敏.再論部分斜斜拉橋論部分分斜拉橋，兼兼論多塔斜拉拉橋[A].第十三屆全全國橋梁學(xué)術(shù)術(shù)會議論文集集[C].上海，1998[2]陳亨錦錦，王凱，李李承根.淺談部分斜斜拉橋.橋梁建設(shè)，2002(