基于系桿拱橋成橋吊桿索力優(yōu)化方法

李廣群

(興化市金橋工程有限公司，江蘇 興化 225700)

基于系桿拱橋成橋吊桿索力優(yōu)化方法

李廣群

(興化市金橋工程有限公司，江蘇 興化 225700)

一般來說，在系桿拱橋施工進程當中，針對成橋吊桿索力進行確定并完成有效優(yōu)化可謂是其關鍵工作內(nèi)容，其重要性不容忽視。在此，本文將針對基于系桿拱橋成橋吊桿索力優(yōu)化方式進行簡要探討。

系桿拱橋 成橋吊桿 索力 優(yōu)化

通常而言，系桿拱橋內(nèi)部結構為高次超靜定結構，外部結構則是不存在有推力的靜定結構，整個橋的全部結構受力會受到來自于任何吊桿內(nèi)力變化的直接影響，基于此，為實現(xiàn)對全橋結構受力狀態(tài)的優(yōu)化調整可使用改變吊桿內(nèi)力的方式，使得系梁的線形或者是內(nèi)力得以跟理想狀態(tài)較為接近。

1.系桿拱橋成橋吊桿索力優(yōu)化方法和施工步驟

1.1 系桿拱橋成橋吊桿索力優(yōu)化方法

剛性支承連續(xù)梁法：通過合理運用該種方式，能夠將吊桿提供給系梁的彈性豎向支承看作是剛性豎向支承，基于恒載作用，系梁彎矩呈現(xiàn)出剛性支承梁狀態(tài)，并將此當作相應的優(yōu)化目標，同時完成各個支點反力的合理計算，在此需注意的是支點反力主要指的是存在于斜吊桿索力或者是豎直吊桿索力的豎向分力。內(nèi)力平衡法：此類型方法研究對象是系桿拱橋的拱肋及系梁，對應的控制目標量選取的是拱肋控制截面內(nèi)力以及系梁控制截面內(nèi)力。與此同時，針對來自于混凝土收縮以及預應力、徐變等因素影響實施綜合考慮，目的在于在恒載及吊桿索力的共同作用之下，系桿拱橋控制截面內(nèi)力可實現(xiàn)預期目標，獲取相關值。零位移法：此方法應用原理類似于剛性支承連續(xù)梁法，在合理選擇吊桿索力的同時基于成橋狀態(tài)之下，伴隨著吊桿索力和恒載的共同作用，系梁吊點位置處的位移可為零，由此可知，零位移法主要是將位移作為控制目標的。剛性吊桿法：其要求在吊桿上端和下端兩點位置之間所形成的相對位移為零，實質性內(nèi)容是系梁和拱肋彎曲應變能與拉壓應變能二者之和可達最小值。通過有限元軟件的合理運用進行計算，可將足夠大的值賦予吊桿面積，進而使之軸向剛度較大，如此一來，吊桿梁端位置之間的相對位移是零。基于此求得的吊桿內(nèi)力是吊桿索力。在計算過程中假設吊桿剛性完全，因此此類方法名稱是剛性吊桿法。彎曲能量最小法：其目標在于使得系梁或者是拱肋結構彎曲應變能力可達最小值，基于有限元計算，若系桿拱橋可完成一次落架，則拱肋及系梁截面抗彎剛度值可達最小，系梁以及拱肋、吊桿軸向剛度能夠被賦予最大值。在恒載作用之下可求得結構內(nèi)力狀態(tài)，結構自身彎曲應變能是最小的。彎矩最小法：應用此法的主要目的為使結構控制截面彎矩平方和為最小，同樣是運用有限元軟件精細化計算，系桿拱橋實現(xiàn)一次落架，系梁抗彎剛度以及拱肋抗彎剛度值均為1，并將足夠大的值賦予結構軸向剛度，由于恒載作用，求的結構內(nèi)力實際狀態(tài)，對應的控制截面彎矩和處于最小范圍之內(nèi)。

1.2 系桿拱橋主橋施工步驟

系桿拱橋成橋施工過程中，先對基礎進行施工，并且在工廠內(nèi)制作鋼拱肋，然后對橋臺進行施工作業(yè)；在施工過程中，還要進行臨時鋼管樁和支架施工操作，然后對主梁、拱肋鋼之間的混結合段進行混凝土澆筑，尤其是張拉處縱橫向預力應力鋼絞線一定要落實到位。對拱肋豎轉鉸進行施工安裝，并且在系桿拱橋主梁之上拼裝兩側分別三分之一拱肋，在臨時系桿張拉過程中，將扒桿系統(tǒng)架設好；此后的施工步驟就是拱肋提升到預定處、在主梁上拼裝中部三分之一拱肋，然后對臨時系桿進行張拉操作，并將其提升到預設位置。完成以上施工任務后，選擇合適的時間對拱肋進行合攏施工作業(yè)，之后將扒桿系統(tǒng)拆除掉。吊桿安裝完成后，對其進行逐步張拉，而且還要對縱向預應力進行張拉；支架拆除后，完成體系的有效轉換，張拉剩余橫向預應力鋼絞線。上述工序完成后，再對人行道板進行施工操作，做好橋面鋪裝、欄桿以及橋梁附屬設施的施工作業(yè)，然后對索力進行優(yōu)化調整，以確保其滿足施工質量要求。

2.實例優(yōu)化分析

2.1 橋梁情況概述

圖1 主橋施工布置

選擇某主橋為計算實例，使用上述各類型系桿拱橋吊桿索力優(yōu)化方法展開合理計算，實現(xiàn)吊桿索力的計算結果及其相應的成橋狀態(tài)內(nèi)力分布（拱肋和系梁彎矩分布）的合理獲取。實例橋是（65+65）米兩跨簡支系桿拱橋，拱梁固結，拱肋為等截面鋼箱雙肋平行拱，拱肋中距為27.25米，未進行風撐設置。拱軸線為二次拋物線，計算跨徑為62.5米，拱腳至拱頂高15.625米，矢跨比四分之一。系梁、橫梁和橋面板均為預應力混凝土結構,吊桿采用平行鋼絲吊索，單座拱橋設置十一對吊桿,吊桿縱向間距為5米。

2.2 優(yōu)化方式對比分析

分析可知，在優(yōu)化擁有剛性拱以及剛性系梁的系桿拱橋吊桿索力過程中，零位移法跟剛性支承連續(xù)法的適用性相對較差，因為剛性吊桿方式跟內(nèi)力平衡方式在優(yōu)化吊桿索力方面相對較為相似，所以在此工程實例中其二者同樣不適用。然而在此需要注意的是內(nèi)力平衡法未針對某種成橋狀態(tài)進行特別指定，所以此法應用的難點在于如何正確制定合理成橋狀態(tài)。

圖2 處于成橋狀態(tài)之下的拱肋彎矩分布圖

由上圖可以知道，經(jīng)過約束系梁彎矩，可達到系梁降低最大彎矩，實現(xiàn)更為均勻分布系梁彎矩的預期目的。對比而言，基于進行約束的彎曲能量法所獲取的拱肋截面最大彎矩比沒有約束的彎曲能量法之下獲取的拱肋彎矩下降一些，在增加端部截面彎矩的同時增加中部位置截面彎矩值，造成部分截面彎矩值呈現(xiàn)下降趨勢，總體來說，拱肋彎矩分布均勻程度逐漸變差，應需要注意的是此類結果可以預期。無論是何種彎曲能量法均是將結構的彎曲應變能作為是相應的優(yōu)化目標的。彎矩最小法及彎曲能量最小法這兩種方法對應的計算過程比較簡單，計算求得的吊桿優(yōu)化索力值分布均勻程度高，拱肋端部位置和系梁最大彎矩很小，同樣可實現(xiàn)均勻分布，仍需實施進一步改進，在系桿拱橋初設階段針對吊桿索力優(yōu)化實施確定的時候可選用此種方法。其中，不是認為指定這兩種方式之下的成橋狀態(tài)，其相關目標函數(shù)取極值時的結構狀態(tài)為二者成橋狀態(tài)。這兩種方法擁有一致的理論本性，均可運用影響矩陣工具，優(yōu)勢在于用戶可結合構件重要性及其特征調整結構剛度矩陣，人為給出構件優(yōu)化加權量，可實現(xiàn)靈活應用。

針對吊桿索力以及構件內(nèi)力、節(jié)點位移等因素進行相關約束條件的合理制定可謂為使用有約束彎曲能量最小法的難點所在，優(yōu)化結果會受到不同約束條件的直接影響，為實現(xiàn)理想優(yōu)化結果的有效獲取必須進行在實際工程開展中進行約束條件的合理設置。基于有約束彎曲能量最小法應用可獲最好的成橋狀態(tài)及最優(yōu)索力優(yōu)化結果。所以在工程實例拱橋施工圖紙設計和施工監(jiān)控中可用此法。

3.結語

綜上可以知道，基于合理思路，選擇適用性較強的方式可實現(xiàn)基于系桿拱橋成橋吊桿索力的有效優(yōu)化，旨在獲取良好的成橋狀態(tài)，保障工程高質完成。

[1] 張國泉,徐雷.無支架施工的系桿拱橋吊桿索力優(yōu)化[J].上海公路. 2005(04).

[2] 王學明,李平.矮塔斜拉橋拉索初張力優(yōu)化[J].鐵道工程學報. 2005(04)

G322

B

1007-6344（2015）05-0293-01