淺析斜拉橋的索力優(yōu)化策略
2018-04-23
近幾年來(lái)，隨著社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的不斷進(jìn)步，我國(guó)的現(xiàn)代橋梁工程建設(shè)也取得了很大的進(jìn)步，斜拉橋以其結(jié)構(gòu)新穎和跨越能力大等優(yōu)勢(shì)逐漸成為現(xiàn)代橋梁工程建設(shè)當(dāng)中最具有競(jìng)爭(zhēng)力、發(fā)展最為迅速的一種新型橋梁，從設(shè)計(jì)的角度來(lái)進(jìn)行分析，可以得知成橋恒載內(nèi)力的分布如何是橋梁結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中保證其質(zhì)量的關(guān)鍵部分所在，成橋的狀態(tài)合理指的就是斜拉橋的索、梁、塔等構(gòu)件在活載、恒載作用下做能承受的最小的受力狀態(tài)。
1 關(guān)于索力優(yōu)化的方法分析
根據(jù)研究對(duì)象所處的不同狀態(tài)又可以將成橋的索力優(yōu)化分為設(shè)計(jì)階段的索力優(yōu)化以及設(shè)計(jì)好但是還未參與施工的成橋索力優(yōu)化和已經(jīng)參與運(yùn)營(yíng)的成橋索力優(yōu)化幾種不同的類型，同樣的，施工索力優(yōu)化又可以分為糾正施工誤差的索力優(yōu)化和為了達(dá)到成橋索力的合理性而進(jìn)行的索力優(yōu)化。針對(duì)設(shè)計(jì)階段的斜拉橋的索力優(yōu)化，到目前為止，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入的研究，具體可以分為以下幾種類型。
1、剛性支承連續(xù)梁法。所謂的剛性支承連續(xù)梁法，是被指定的受力狀態(tài)的優(yōu)化方法中的重要代表，這種方法主要是將處于斜拉橋恒載作用下的斜拉橋主梁的呈剛性支承連續(xù)梁狀態(tài)作為優(yōu)化的目標(biāo)，利用斜拉索力中的豎向分力和剛性支點(diǎn)的相等反力條件來(lái)確定最優(yōu)索力，并且對(duì)減小對(duì)成橋內(nèi)力造成的影響具有一定的作用。
2、索力無(wú)約束優(yōu)化法。索力無(wú)約束優(yōu)化法有內(nèi)力平衡法和彎曲能量最小法兩種主要方式，所謂的彎曲能量最小法指的就是將結(jié)構(gòu)的彎曲能力作為一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，將結(jié)構(gòu)作為內(nèi)力平衡法的主要研究對(duì)象，并按照內(nèi)力平衡的原則得到一個(gè)較為合理的斜拉索索力。
索量最小法。索量最小法就是索力的約束優(yōu)化法，這一方法主要是講斜拉橋索的用量作為研究的目標(biāo)函數(shù)，用位移期望值和關(guān)心截面內(nèi)力的范圍作為一定的約束條件并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化處理。
2 關(guān)于成橋索力的計(jì)算
成橋索力的計(jì)算主要是采用剛性支承的連續(xù)梁法、彎曲能量最小法、零位移法來(lái)計(jì)算成橋索力，其主梁和索力的計(jì)算結(jié)果如下圖所示：
采用彎曲能量最小法、零位移法以及剛性支承連續(xù)梁法，所得出的索力均呈中索小、邊索大，彎矩主梁的最大值都在塔根部，由于主塔和斜拉索為索鞍的方式連接，因此主塔的彎矩基本為靈。由剛性支承連續(xù)梁法計(jì)算所得出的索力在各處的值都偏大，并且邊索的索力有較大的跳躍性，其他的索力較為均勻，主梁的彎矩在中塔和邊塔出都有一定的跳躍性，其他的索力比較均勻，主梁中的彎矩在中塔和邊塔處很大，由于主梁和橋塔中存在一定的軸力，就會(huì)使塔發(fā)生彎曲變形，利用該計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算不可避免會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，使斜拉橋的主梁未能處于剛性支承的理想連續(xù)狀態(tài)。采用零位移法所計(jì)算出的索力在邊索處往往過(guò)大，而其余的索力則會(huì)處于比較合理的狀態(tài)，主梁的彎矩只有個(gè)別點(diǎn)比較小，其他均處于合理狀態(tài)，這種方法將索的水平分力影響計(jì)算在內(nèi)，較為合理，但也只是考慮了梁的受力，而忽略了主塔的受力。采用彎曲能量的最小法計(jì)算出索力，在均勻度和數(shù)值的大小計(jì)算上較以上幾種算法都顯得更為合理，但也存在著一定的弊端，即計(jì)算得出的索力兩端不夠均勻，在塔處的主梁彎矩也較大，將此作為索力的局部進(jìn)行調(diào)整，很容易會(huì)把受力狀態(tài)調(diào)亂，也不會(huì)得到主梁與索同時(shí)受力的滿意效果。
3 關(guān)于斜拉橋索力優(yōu)化策略的思考
1、成橋合理狀態(tài)下的索力必然是在滿足成橋狀態(tài)下力的平衡的索力，在使用方法當(dāng)中。應(yīng)當(dāng)取用設(shè)計(jì)成橋的坐標(biāo)作為節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，并相應(yīng)的作出幾何線性計(jì)算，如果需要做幾何的非線性計(jì)算，就可以確定其平衡是在并行后所取得的，在變形前不能夠使結(jié)構(gòu)獲得平衡，這樣的算法反而不對(duì)。通過(guò)改變構(gòu)件自身的剛度來(lái)重新對(duì)相應(yīng)的內(nèi)力進(jìn)行分配，可以實(shí)現(xiàn)多種優(yōu)化的設(shè)計(jì)目標(biāo)共同受設(shè)計(jì)者選比，需要注意的是，其剛度不能去無(wú)限度的最小值，否則就會(huì)造成計(jì)算值得不穩(wěn)定性。
2、通過(guò)改變構(gòu)件自身的剛度來(lái)減小主梁彎矩的峰值效果，可以通過(guò)局部的微調(diào)索力來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)整墩頂?shù)膹澗刂髁簛?lái)調(diào)整支承的剛度。做一次落架計(jì)算時(shí)施加的荷載應(yīng)當(dāng)是成橋后在結(jié)構(gòu)上所施加的作用的所有外荷載，主要包括壓重和結(jié)構(gòu)自重，如果是將活載等其他的一些等代荷載對(duì)結(jié)構(gòu)共同施加作用，就必須要考慮到活載等影響下的斜拉橋的索力優(yōu)化效果，對(duì)于那些上下是對(duì)稱的截面，則可以將彎矩活載包絡(luò)圖上的平分線作為等代的活載彎矩，這樣就可以使結(jié)構(gòu)在常規(guī)活載和恒載的作用下基本上處于一個(gè)中心受壓的狀態(tài)，如果在索力優(yōu)化的同時(shí)需要制定特定的截面內(nèi)力，就可以通過(guò)解除相應(yīng)的約束，在相應(yīng)的截面施加一定的內(nèi)力，然后對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理，我們通常所用的索力優(yōu)化方法多數(shù)是一種利用索力優(yōu)化法來(lái)影響矩陣法的簡(jiǎn)便方法，利用這種方法可以借助于常規(guī)的桿系結(jié)構(gòu)分析的程序來(lái)使得斜拉橋的索力優(yōu)化取得成功，在設(shè)計(jì)的初級(jí)階段使用這種方法更為合理，同時(shí)也體現(xiàn)了常規(guī)結(jié)構(gòu)與斜拉橋結(jié)構(gòu)的不同設(shè)計(jì)思想。與影響矩陣的方法相比，我們所提出這只能夠方法也具有一定的缺陷，一方面，它不能進(jìn)行施工階段的索力優(yōu)化，不能進(jìn)行不等變量的優(yōu)化和有約束性的優(yōu)化，另外，它也不能進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)值的計(jì)算。
3、利用綜合法進(jìn)行數(shù)據(jù)的模擬，可以有效地彌補(bǔ)剛性支承連續(xù)梁法、彎曲能量最小法、零位移法中的很多不足，并且使得索力計(jì)算更加完善合理，一些相似類型的橋索力優(yōu)化的計(jì)算就可以借鑒這樣的方法，在全橋的施工過(guò)程當(dāng)中，邊索索力的變化較大，而中索索力的變化就相對(duì)較小，這樣就需要重點(diǎn)對(duì)邊索索力的變化進(jìn)行檢測(cè)，斜拉索是斜拉橋當(dāng)中比較靈活的一個(gè)構(gòu)件，其索力的大小如何可以進(jìn)行人為的調(diào)整，以此來(lái)改變整個(gè)斜拉橋的內(nèi)力狀態(tài)，隨著新材料的應(yīng)用、施工方法的不斷改進(jìn)以及設(shè)計(jì)理論的逐漸完善，斜拉橋的發(fā)展也逐漸開始進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代，雖然目前斜拉橋優(yōu)化的研究還存在著一定的缺陷，但只要研究者堅(jiān)持不懈，就一定能找出并推廣索力優(yōu)化的實(shí)用方法。
4 結(jié)語(yǔ)
斜拉橋的跨度較大，并且其結(jié)構(gòu)的受力能力較好，近幾年來(lái)，在橋梁建設(shè)領(lǐng)域獲得了很好的發(fā)展，斜拉橋結(jié)構(gòu)在發(fā)展的過(guò)程中也逐漸開始呈現(xiàn)出多樣性的特點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)成橋施工階段的索力優(yōu)化研究對(duì)于增強(qiáng)斜拉橋結(jié)構(gòu)的合理性具有重要的意義，要想獲得理想的成橋狀態(tài)，其方法具有很多種，如上文我們所說(shuō)的內(nèi)力平衡法、最小彎曲的能力法、零位移法、剛性支承連續(xù)梁法等，這些方法尤其自身的優(yōu)越性，但也分別存在一定的缺陷，只有加強(qiáng)對(duì)它們的綜合使用和比較，并加以分析研究，才能對(duì)施工作出正確合理的指導(dǎo)，獲得滿意的效果。
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