大跨度斜拉橋施工過(guò)程中的索力優(yōu)化與線形控制.pdf

1、摘要摘 要斜拉橋的施工全過(guò)程分析和控制技術(shù)是一項(xiàng)涉及斜拉橋質(zhì)量和安全的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。木文主要研究大跨度鋼箱梁斜拉橋和預(yù)應(yīng)力混凝土剎拉橋在施飛 _ 過(guò)程中的索力優(yōu)化和線形控制理論。以正在施工中的世界最大跨徑的鋼箱梁斜拉橋一一蘇通長(zhǎng)江公路大橋( 主跨 1 0 8 8 m ) 、國(guó)內(nèi)最寬的預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋一一五河口大橋 〔 主梁寬度 3 8 . F p m ) 的科研項(xiàng) 目為工程背景，提出了一套新的斜拉橋施工索力優(yōu)化和線形控制計(jì)算方法，并

2、編制了相應(yīng)的計(jì)算程序。主要內(nèi)容如下:1 . 確定預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋和鋼箱梁斜拉橋施工控制的標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)分析對(duì)比己有的索力優(yōu)化理論，并結(jié)合作者己有的 一 些科研成果，研究了適合五河日大橋和蘇通長(zhǎng)江公路大橋索力優(yōu)化的理論和方法。2 . 系統(tǒng)地整理了混凝土收縮徐變的研究現(xiàn)狀，論述了混凝土?xí)r效分析的基本理論和方法。采用橋規(guī)推薦的徐變系數(shù)，結(jié)合有限元步進(jìn)法和按齡期調(diào)整的有效模量法，編制了相應(yīng)的計(jì)算程序。針對(duì)當(dāng)前正在施工中的兩座大跨度斜拉橋一一設(shè)計(jì)和

3、施工監(jiān)控的需要，根據(jù)實(shí)際劃分的時(shí)段( 工況) ，計(jì)算橋梁每一施工時(shí)段由于混凝土收縮徐變引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形的變化。3 . 建立一個(gè)以斜拉橋主塔和主梁的彎曲應(yīng)變能為目 標(biāo)函數(shù)，以可由設(shè)計(jì)師任意指定的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、截面彎矩及索力上下限為約束條件的斜拉橋索力調(diào)整非線性規(guī)劃模型， 采用一階分析法進(jìn)行求解， 用以確定成橋合理狀態(tài)的索力。 在計(jì)算中，考慮大跨度斜拉橋各種幾何非線性因素的影響，并列出了優(yōu)化模型的具體表達(dá)式及優(yōu)化過(guò)程中的關(guān)鍵求解策略。4 .

4、 將最優(yōu)化計(jì)算理論引入到斜拉橋主梁懸臂拼裝或澆筑計(jì)算中，采用一階分析法來(lái)確定斜拉橋的合理施工狀態(tài)。以成橋內(nèi)力和線形為日 標(biāo)，將斜拉索索力、節(jié)段的預(yù)轉(zhuǎn)折角同施工過(guò)程中的梁塔受力結(jié)合起來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。利用施工優(yōu)化的原理，直接建立施工期結(jié)構(gòu)狀態(tài)可測(cè)變量與成橋狀態(tài)目 標(biāo)函數(shù)之間的關(guān)系，通過(guò)對(duì)狀態(tài) 目 標(biāo)的最優(yōu)化處理，求出各施工階段的斜拉索索力和主梁的預(yù)轉(zhuǎn)折角。確保斜拉橋在施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形始終處在合理范圍內(nèi)，成橋后的主梁線形符合設(shè)計(jì)期望

5、，合攏后結(jié)構(gòu)的受力處于最優(yōu)狀態(tài)。5 . 利用 A N S Y S 程序的二次開(kāi)發(fā)功能，編制了鋼箱梁斜拉橋和預(yù)應(yīng)力混凝土斜A B S T R A C TABS TRACTB e c a u s e o f t h e i n c r e a s i n g s p a n o f c a b l e - s t a y e d b r i d g e , t h e c o n s t r u c t i o n s

6、i m u l a t i o nr e c e n t l y b e c o m e s m o r e f o c u s i n g b o t h o n t h e d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n . T h i s p a p e r i sc o n c e n t r a t e d o n t h e c a b l e f o r

7、c e o p t i m u m a n d l i n e - c o n t r o l t h e o r y i n c o n s t r u c t i o n s t a t e o fl o n g s p a n c a b l e - s t a y e d b r i d g e s . O n t h e b a c k g r o u n d o f t h e s c i e

8、 n t i f i c r e s e a r c h i t e m s a b o u tl o n g s p a n c a b l e - s t a y e d b r i d g e s : t h e S u t o n g Y a n g t z e R i v e r B r i d g e ( a 1 0 8 8 m s p a n , w i l l b et h e l o n

9、 g e s t s p a n f l a t s t e e l b o x - s h a p e d g i r d e r c a b l e - s t a y e d b r i d g e i n t h e w o r l d ) a n d t h eW u h e k o u B r i d g e ( a 3 7 0 m s p a n a n d 3 8 . 6 m g i

10、 r d e r w i d t h , w i l l b e t h e w i d e s t g i r d e rp r e s t r e s s e d c o n c r e t e c a b l e - s t a y e d b r i d g e i n C h i n a ) w h i c h a r e s t i l l u n d e r c o n s t r u c

11、t i o n , an e w a n a l y s i s t h e o r y a n d c a l c u l a t i o n m e t h o d f o r c a b l e - s t a y e d b r i d g e s w h i c h i n c l u d e s t h ec a b l e f o r c e o p t i m u m a n d l i

12、n e - c o n t r o l i n c o n s t r u c t i o n s t a t e a r e p r e s e n t e d . T h e m a i ns u b j e c t s a r e s u m m a r i z e d a s f o l l o w :1 . I n t h i s p a p e r , t h e c o n s t r u c

13、 t i o n c o n t r o l c r i t e r i o n s o f s t e e l b o x - s h a p e d g i r d e rc a b l e - s t a y e d b r i d g e a n d p r e s t r e s s e d c o n c r e t e g i r d e r c a b l e - s t a y e d b r

14、 i d g e c o m e i n t oq u e s t i o n . B y c o n t r a s t i n g s o m e e x i s t e n t c o n s t r u c t i o n c a b l e f o r c e o p t i m u m t h e o r i e s ,a u t h o r s u m m a r i z e s a s u i

15、 t o f t h e o r y a n d m e t h o d w h i c h i s f i t f o r t h e W u h e k o u B r i d g e a n dt h e S u t o n g Y a n g t z e R i v e r B r i d g e .2 . T h e s h r i n k a g e a n d c r e e p

16、c h a r a c t e r i s t i c o f c o n c r e t e i s i n v e s t i g a t e d . A c c o r d i n g t ot h e s t e p b y s t e p f i n i t e e l e m e n t m e t h o d a n d t h e a g e a d j u s t e d e f f

17、e c t i v e m o d u l u s m e t h o d , ac o m p u t i n g p r o g r a m i s p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r . B e i n g a i m e d a t d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o nn e e d s o f t w o

18、 l o n g - s p a n c a b l e - s t a y e d b r i d g e s , b a s i n g o n a c t u a l d i v i d i n g c o n s t r u c t e ds t a g e s , t h e i n t e r n a l f o r c e a n d d e f o r m a t i o n o f t h

19、 e a r c h b r i d g e a t a n y p e r i o d o f t i m e d u r i n gt h e w h o l e c o n s t r u c t i o n c o u r s e a r e a n a l y z e d3 . I n t h i s p a p e r , a m o d e l f o r n o n l i n e

20、 a r o p t i m i z a t i o n p r o g r a m m i n g t o o b t a i n t h ep r e s t r e s s i n g f o r c e o f c a b l e s i n c a b l e - s t a y e d b r i d g e i s e s t a b l i s h e d , i n w h i c h

21、t h e b e n d i n gs t r a i n e n e r g y o f t h e b e a m s a n d t h e c a b l e t o w e r o f t h e b r i d g e i s t h e o b j e c t i v e f u n c t i o n ,a n d t h e c a b l e f o r c e s a r

22、e d e s i g n v a r i a b l e , t h e s t r e s s o f s t r u c t u r e o r t h e c a b l e f o r c e i s t h ec o n s t r a i n t c o n d i t i o n . I n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e p r e s

23、t r e s s i n g f o r c e o f t h e c a b l e s , t h e f i r s to r d e r o p t i m i z a t i o n m e t h o d i s u s e d t o s o l v e t h e p r o g r a m. A t t h e s a m e t i m e , t h e i n f l