一种三塔斜拉桥合理成桥状态智能化快速调索方法与流程

1.本发明涉及一种斜拉桥成桥状态的调索方法，尤其是一种三塔斜拉桥合理成桥状态智能化快速调索方法，属于斜拉桥施工技术领域。


背景技术：

2.大跨径斜拉桥作为交通线路的咽喉，在公路建设过程中起到了越来越重要的作用。斜拉桥是由主梁、索塔和斜拉索组成的组合体系桥梁，它的主要受力特点是：斜拉索将多点吊起主梁，使其恒载和活载传至索塔，再通过索塔传至基础。近年来，随着跨江跨海交通建设的迫切需要、桥梁单孔跨径的增加，常规双塔斜拉桥已不再满足相关受力和桥跨布置要求，在单跨跨径有所限制的前提下，增加斜拉桥的塔数和跨数成为一个有效的解决方法。因此，三塔斜拉桥由于可适应多线通航的建设条件，已经成为斜拉桥的一个新的发展趋势。
3.斜拉桥为高次超静定结构，斜拉索是其主要承重和传力构件，主梁、索塔的受力对索力大小较敏感，因此，斜拉索索力的确定在斜拉桥合理成桥状态的确定中处于核心地位，同时，斜拉索索力的大小对桥梁工程造价也有直接的影响。由于斜拉索索力具有可调性，所以对任何斜拉桥结构体系，在确定的荷载条件下，总是试图找到这样一组索力，使结构体系某种或几种反映结构性能的指标达到最优。对于常见的双塔斜拉桥或单塔斜拉桥的合理成桥状态索力优化方法，国内外相关学者已取得了一定的研究成果。
4.然而，三塔斜拉桥与常规的双塔及单塔斜拉桥相比，除了在外形上有所不同外，力学行为也存在显著差异。对于三塔斜拉桥，当荷载作用于其中一个中跨时，受载跨主梁产生下挠，相邻桥塔偏向受载孔，而相邻中跨上挠，另一侧桥塔产生与受载孔桥塔反向的位移。由于没有边锚索控制中间塔的变位，拉索系统的作用难以充分发挥。当荷载作用于相邻孔时，受载孔将下挠，桥塔则产生与前一情形反向的变形，仍会导致整个结构变形过大，这就意味着结构每一构件都要承受两个相反方向的内力，将导致构件中存在较高的应力幅。因此，现有面向双塔及单塔斜拉桥的合理成桥状态索力调整方法无法很好地应用于三塔斜拉桥的结构体系，经常出现局部索力极其不合理的现象，对塔的弯曲内力更是难以兼顾，如何通过合理成桥状态的索力调整来优化结构受力，并提高结构的整体刚度，是三塔斜拉桥结构设计亟待解决的关键技术难题。


技术实现要素：

5.针对背景技术存在的不足，本发明提供一种三塔斜拉桥合理成桥状态智能化快速调索方法，它能够很好地应用于三塔斜拉桥索力优化的问题，可以在成桥索力调整阶段快速的得到一组优化索力，使结构受力更加合理。
6.为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种三塔斜拉桥合理成桥状态智能化快速调索方法，包括以下步骤：
7.步骤一：根据三塔斜拉桥尺寸结合构造需要，建立空间杆系有限元模型，设成桥状
态下所有拉索索力为：
[0008][0009]
其中，xi为每根拉索对应的索力，i＝1,2,3,
…
,n；
[0010]
步骤二：令所有拉索索力{xi}n×1＝{1}n×1，即xi＝1，此时在第i根拉索单位力为1作用下结构产生的弯矩为轴力为剪力为则所有拉索索力和二期荷载作用下产生的结构的弯矩、轴力及剪力分别为：
[0011][0012][0013][0014]
其中，m
p
为基本体系在二期荷载下产生的弯矩，n
p
为基本体系在二期荷载下产生的轴力，q
p
为为基本体系在二期荷载下产生的剪力，n为拉索数量，
[0015]
此时主梁和索塔所积蓄的能量分别为：
[0016]
主梁
[0017]
索塔
[0018]
其中，e为弹性模量，i为抗弯惯距，a为截面面积，g为剪切模量，k为剪应力不均匀系数；
[0019]
步骤三：建立目标函数：
[0020]
w＝ug φu
t
[0021]
以弯矩为主要控制因素不考虑剪力和轴力，目标函数可简化为：
[0022][0023]
其中，w为结构耗费的总能量费用，φ为索塔与主梁的能量代价之比；
[0024]
步骤四：将结构的弯矩代入目标函数：
[0025]
[0026]
其中，
[0027][0028][0029][0030]
δ
ii
，δ
ij
，δ
ip
为与结构刚度有关的中间变量，xj为第j根拉索对应的索力，j＝1,2,3,
…
,n且j≠i，在第j根拉索单位力为1作用下结构产生的弯矩为
[0031]
步骤五：对内力取驻值：
[0032][0033]
得到驻值方程：
[0034][0035]
步骤六：令所有拉索索力的初拉力均为0，得到索力
[0036][0037]
对主梁和索塔调整刚度使截面抗弯惯性矩i
yy
缩小，然后进行结构静载内力计算，得到索力
[0038][0039]
若索力满足驻值方程，则进行步骤七，若不满足则调整i
yy
缩小的倍数直至索力满足驻值方程；
[0040]
步骤七：根据求解得到的一组满足驻值方程的索力按照索力合理性原则，对负值索力参照临近索力值进行赋值，得到索力
[0041][0042]
步骤八：将索力代入调整刚度前的有限元模型中，并限制成桥阶段主梁与拉索相交位置的竖向位移u的取值范围：
[0043][0044]
限制两侧的索塔与拉索相交位置的水平位移的取值范围为
±
10mm，计算得到一组索力
[0045][0046]
步骤九：根据主梁和索塔弯矩图进行索力微调，除每个索塔最中间的一对拉索以及两侧最边缘的三对拉索允许索力有突变外，使得其余拉索满足从短的拉索到长的拉索索力逐渐递增的原则，得到索力
[0047][0048]
步骤十：检验荷载最不利组合及活载作用下主要截面应力是否合理，如不合理返回步骤九再次微调，直至最终得到成桥阶段合理索力
[0049][0050]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了现有面向双塔斜拉桥与单塔斜拉桥的合理成桥状态索力调整方法无法很好地应用于三塔斜拉桥索力优化的问题，针对三塔斜拉桥复杂结构体系的特殊受力模式，提出了一种合理成桥状态智能化快速调索方法，不需要复杂的函数计算，可以在成桥索力调整阶段快速的得到一组优化索力，使三塔斜拉桥复杂结构的受力更加合理。
附图说明
[0051]
图1是本发明的流程图；
[0052]
图2是实施例中建立的三塔斜拉桥有限元模型；
[0053]
图3是实施例中的索力图，其绘制一半的斜拉索；
[0054]
图4是实施例中的索力图，其绘制一半的斜拉索；
[0055]
图5是实施例中的索力图，其绘制一半的斜拉索；
[0056]
图6是实施例中的索力图，其绘制全部的斜拉索；
[0057]
图7是实施例最终优化索力后的全桥弯矩图。
具体实施方式
[0058]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0059]
如图1所示，一种三塔斜拉桥合理成桥状态智能化快速调索方法，包括以下步骤：
[0060]
步骤一：根据拟定的三塔斜拉桥的尺寸，对应构造需要，建立空间杆系有限元模型，设成桥状态下所有拉索索力为：
[0061][0062]
其中，xi为每根拉索对应的索力，i＝1,2,3,
…
,n；
[0063]
步骤二：令所有拉索索力{xi}n×1＝{1}n×1，即xi＝1，此时在第i根拉索单位力为1作用下结构产生的弯矩为轴力为剪力为则所有拉索索力和二期荷载作用下产生的结构的弯矩、轴力及剪力分别为：
[0064][0065][0066][0067]
其中，m
p
为基本体系在二期荷载下产生的弯矩，n
p
为基本体系在二期荷载下产生的轴力，q
p
为为基本体系在二期荷载下产生的剪力，n为拉索数量，
[0068]
由于斜拉桥属于梁式杆件结构，此时主梁和索塔所积蓄的能量分别为：
[0069]
主梁
[0070]
索塔
[0071]
其中，e为弹性模量，i为抗弯惯距，a为截面面积，g为剪切模量，k为剪应力不均匀系数；
[0072]
步骤三：从结构的经济指标出发，建立目标函数：
[0073]
w＝ug φu
t
[0074]
由于轴力及剪力引起的势能较小可以忽略，以弯矩为主要控制因素不考虑剪力和轴力，目标函数可简化为：
[0075][0076]
其中，w为结构耗费的总能量费用，φ为索塔与主梁的能量代价之比；
[0077]
步骤四：将结构的弯矩代入目标函数：
[0078][0079]
其中，
[0080][0081][0082][0083]
δ
ii
，δ
ij
，δ
ip
为与结构刚度有关的中间变量，xj为第j根拉索对应的索力，j＝1,2,3,
…
,n且j≠i，在第j根拉索单位力为1作用下结构产生的弯矩为
[0084]
步骤五：为了使结构耗费的总能量费用最小，即总造价最少，要选择适当的拉索索力xi，对内力取驻值：
[0085][0086]
可得到驻值方程：
[0087][0088]
步骤六：令所有拉索索力的初拉力均为0，得到索力
[0089][0090]
对主梁和索塔调整刚度使截面抗弯惯性矩i
yy
缩小5
×
10m倍(建议m取值为5～7)，然后进行结构静载内力计算，得到索力
[0091][0092]
若索力满足驻值方程，则进行步骤七，若不满足则调整m的取值直至索力满足驻值方程；
[0093]
步骤七：根据求解得到的一组满足驻值方程的索力按照索力合理性原则，对负值索力参照临近索力值进行赋值，得到索力
[0094][0095]
步骤八：将索力代入调整刚度前的有限元模型中，并限制成桥阶段主梁与拉索相交位置的竖向位移u的取值范围：
[0096][0097]
限制两侧的索塔与拉索相交位置的水平位移的取值范围为
±
10mm，计算得到一组索力
[0098][0099]
步骤九：根据主梁和索塔弯矩图，通过索控制进行索力微调，除每个索塔最中间的一对拉索以及两侧最边缘的三对拉索允许索力有突变外，使得其余拉索满足从短的拉索到长的拉索索力逐渐递增的原则，得到索力
[0100][0101]
步骤十：检验荷载最不利组合及活载作用下主要截面应力是否合理，如不合理返回步骤九再次微调，直至最终得到成桥阶段合理索力
[0102][0103]
实施例
[0104]
本发明提出的一种三塔斜拉桥合理成桥状态智能化快速调索方法，对设计人员快速准确的确定三塔斜拉桥成桥索力提供了极大的便利，下面结合实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述整个流程。本实施例依据南京长江五桥，桥跨布置为80 218 600 600 218 80＝1796m，是采用纵向钻石型索塔中央双索面三塔组合梁斜拉桥。
[0105]
参照图2所示，依据图纸建立了三塔斜拉桥有限元模型，其中主梁和索塔采用梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟，拉索共计120对，拉索编号规则为从边塔的边跨侧斜拉索开始编号，记为a1～a20，中跨侧斜拉索记为b1～b20，中塔上的斜拉索编号记为c1～c20，令所有拉索索力均为0，全桥共建立718个单元，856个节点。
[0106]
经过反复试算，将主梁和索塔相关截面i
yy
缩小5
×
106倍进行求解，得到索力对负值索力参照临近索力值进行赋值，得到索力索力图参照图3所示，根据桥梁结构对称性，此处斜拉索索力图仅绘制一半的斜拉索。
[0107]
将该组索力代入驻值方程
[0108][0109]
计算得到方程组结果为0，满足合理索力要求。
[0110]
在有限元模型中，依据桥长将主梁与拉索相交位置的位移控制在
±
5mm，约束两侧的索塔与拉索相交位置的位移控制在
±
10mm内，得到索力索力图参照图4所示，此处斜拉索索力图同样仅绘制一半的斜拉索。
[0111]
根据原则对索力进行微调，得到索力使索力满足短的拉索索力小，长的拉索索力大，呈递增趋势，但对每个索塔最中间的一对拉索以及两侧最边缘的三对拉索允许索力有突变，最后代入最不利荷载组合验算，得到合理成桥索力索力图参照图5～图6所示，其中图5仅绘制一半的斜拉索，图6为全部的斜拉索，此时全桥弯矩参照图7所示，可以看出，全梁弯矩波动较小，峰值相对较小，索力分布较均匀，索塔塔底的弯矩大小合
适，最终索力为合理成桥索力。
[0112]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0113]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。