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1、斜拉橋索力優(yōu)化簡介一、斜拉橋的概況斜拉橋又稱斜張橋,其上部結構由主梁、拉索和索塔三種構件組成。它是一種橋面系以加勁梁受彎或受壓為主,支承體系以斜拉索受拉和主塔受壓為主的橋梁。斜拉索作為主梁和索塔的聯(lián)系構件,將主梁荷載通過拉索的拉力傳遞到索塔上,同時還可以通過拉索的張拉對主梁施加體外預應力,拉索與主梁的結點可以視為主梁跨度內(nèi)的若干彈性支承點,從而使主梁彎矩明顯減小,主梁尺寸以及主梁重量也相應減小,大大改善了主梁的受力性能,顯著提高了橋梁的跨越能力。根據(jù)主梁所用建筑材料的不同,可將現(xiàn)代斜拉橋分為鋼斜拉橋、混凝土斜拉橋、結合梁斜拉橋以及混合式斜拉橋等。早
2、期斜拉橋的主梁均為鋼結構,其形式主要為雙箱或單箱配以正交異性板。隨著技術進步,19世紀中期出現(xiàn)了第一座現(xiàn)代意義的混凝土斜拉橋,從此,混凝土斜拉橋進入了人們的視野?；炷列崩瓨虻闹髁汉退魉话阌苫炷敛牧蠘嫵?為了提高主梁和索塔的適用性能,主梁可以優(yōu)先采用預應力混凝土主梁,索塔可以釆用鋼結構勁性骨架加強或環(huán)向預應力結構。在密索體系混凝土斜拉橋中,拉索受拉,主塔和主梁以受壓為主,可以充分利用鋼絲或鋼絞線優(yōu)異的受拉能力和混凝土良好的受壓能力,同時,斜拉索水平分力對主梁形成預壓作用,提高了主梁的抗裂能力。從設計方面看,既要考慮結構總體布置、結構體系選擇的合
3、理性,又要考慮釆用何種方法尋求成橋索力的最優(yōu)解,還要考慮施工的便捷性、經(jīng)濟效益、社會效益以及美學功能等多種因素;從施工方面講,既要確定合理的施工流程,設法尋求合理的施工初拉力,還要做好施工過程中施工參數(shù)的動態(tài)控制和調(diào)整等方面工作。另外,在整個過程中,還要考慮設計參數(shù)變化、溫度、徐變、幾何和材料非線性以及施工方法等因素對設計和施工的影響。二、斜拉橋索力優(yōu)化方法斜拉橋是高次超靜定結構,其主梁、主塔受力對索力大小很敏感,而基于斜拉索索力可以調(diào)節(jié)的特點,我們可通過對拉索索力的調(diào)整來優(yōu)化斜拉橋成橋恒載狀態(tài)。針對如何才能確定合理的成橋狀態(tài),國內(nèi)外許多學者都做了
4、大量的研究并提出多種調(diào)整方法,可以將這些方法歸為三類:(l)指定受力狀態(tài)的索力優(yōu)化,包括剛性支承連續(xù)梁法、零位移法、內(nèi)力平衡法、指定應力法、零彎矩法等;(2)無約束的索力優(yōu)化,包括彎曲能量最小法、彎矩最小法等;(3)有約束的索力優(yōu)化,包括用索量最小法、應力平衡法等。而由于斜拉橋的最合理的成橋狀態(tài)本來也沒有一個統(tǒng)一的標準,所以很難說哪一種方法一定優(yōu)于另外的方法。下面將各種方法的原理介紹如下:①剛性支承連續(xù)梁法這種方法是使用最早的方法之一,它將斜拉橋主梁在恒載作用下彎矩呈剛性支承連續(xù)梁狀態(tài)作為優(yōu)化目標。將主梁、索梁交點處設以剛性支承進行分析,計算出各支
5、點反力。利用斜拉索力的豎向分力與剛性支點反力相等的條件確定最優(yōu)索力。這種方法的優(yōu)點是使恒載內(nèi)力最小,力學概念明確、計算簡單,且成橋索力接近“穩(wěn)定張拉力”,有利于減小徐變對成橋內(nèi)力的影響。但是,通過施工來實施這種內(nèi)力狀態(tài)是困難的。因為跨中段的彎矩與一次張拉力無關。成橋后必須設法消除由中間合攏段及二期恒載引起的正彎矩效應。這就要通過反復調(diào)索來實現(xiàn),對密索體系較難控制。此外,剛性支承連續(xù)梁法只顧及了梁的受力狀況,而忽略了塔的受力狀況,布置不當,就會在塔內(nèi)引起較大的恒載彎矩。②零位移法該法是通過合理選擇索力,使成橋狀態(tài)在恒載作用下索梁交點處位移為零。這種方
6、法由于受力原理和剛性支承連續(xù)梁法類似,因此,結果也很一致。缺點也是塔的受力難以照顧到,并且和剛性支承連續(xù)梁法一樣,由于會導致比較大的塔根彎矩,在對于主跨和邊垮的不對稱度較大的斜拉橋幾乎失去了作用。③內(nèi)力平衡法該法是以控制截面內(nèi)力為目標,通過選擇合理索力,來實現(xiàn)這一目標。控制截面可包括主梁和塔。因此,主梁和塔的內(nèi)力都可照顧到,效果會比剛性支承連續(xù)梁法和零位移法好。該方法從思路上來看比較清楚簡單,但是對于多次超靜定結構,要使多個截面的應力符合設計要求,并且索力均勻合理,這是不容易達到的。④指定應力法該法是以控制截面的應力為目標,方法和效果與內(nèi)力平衡法類
7、似。⑤零彎矩法零彎矩法的思想是:每一拼裝梁段的重量由此梁段中的斜拉索來平衡。因而正在施工安裝的梁段對已拼裝的梁段不傳遞彎矩和剪力,而只傳遞軸向力。并指出了在施工誤差影響下怎樣進行轉角微調(diào),但結果表明最終線形是折線形,并不平順。而用零彎矩法計算的斜拉索初始張拉力不是最優(yōu)的初始張拉力,因此結構內(nèi)力也不是最合理的。此外,零彎矩法不是一個完整的施工控制系統(tǒng),而且零彎矩施工控制方法只適用于對稱結構懸拼法施工,也使其應用受到一定的限制。⑥彎曲能量最小法該法是以結構彎曲應變能作為目標函數(shù),如果不加任何約束,則該法在應用時,可轉變?yōu)樽饕淮谓Y構分析的問題。其中將梁、
8、塔、索的軸向剛度取大數(shù),梁、塔的彎曲剛度不變,把全部恒載加在結構上,所得的內(nèi)力狀態(tài)即為所求。這樣求出的結果一般彎矩比較小,
