钢箱梁斜拉桥合理成桥状态与合理施工状态优化方法研究

第一章绪论 (1)

1.1钢箱梁斜拉桥的应用与发展概况 (1)

1.1.1钢箱梁斜拉桥的结构特点 (1)

1.1.2国外钢箱梁斜拉桥的应用与发展概况 (1)

1.1.3中国钢箱梁斜拉桥的应用与发展概况 (5)

1.2问题的提出及国内外研究现状 (8)

1.2.1斜拉桥合理成桥状态优化方法 (8)

1.2.2斜拉桥合理施工状态优化方法 (11)

1.2.3斜拉桥结构体系与总体布置参数 (13)

1.2.4斜拉桥几何非线性分析 (14)

1.2.5斜拉桥施工控制与误差调整 (16)

1.3研究中存在的问题 (17)

1.4课题背景与主要研究内容 (18)

第二章乘子路经跟踪优化算法确定钢箱梁斜拉桥的合理成桥状态 (20)

2.1概述 (20)

2.2钢箱梁斜拉桥合理成桥状态的确定原则 (20)

2.3钢箱梁斜拉桥合理成桥状态优化模型的建立 (20)

2.3.1设计变量的选取 (20)

2.3.2优化目标的选取 (21)

2.3.3约束条件的选取 (22)

2.3.4优化模型的建立 (24)

2.4乘子路径跟踪优化算法的原理及求解步骤 (25)

2.4.1基本原理 (25)

2.4.2求解步骤 (28)

2.5钢箱梁斜拉桥合理成桥状态优化过程 (29)

2.6乘子路径跟踪优化算法在钢箱梁斜拉桥合理成桥状态优化中的应用 (30)

2.6.1独塔钢箱梁斜拉桥合理成桥状态优化 (30)

2.6.2双塔钢箱梁斜拉桥合理成桥状态优化 (38)

2.7约束条件范围的变化对钢箱梁斜拉桥成桥状态优化结果的影响 (45)

2.7.1约束条件范围的变化对独塔钢箱梁斜拉桥成桥状态优化结果的影响 (45)

2.7.2约束条件范围的变化对双塔钢箱梁斜拉桥成桥状态优化结果的影响 (50)

2.8小结 (55)

第三章结构体系与总体布置参数对钢箱梁斜拉桥成桥状态的影响 (57)

3.1概述 (57)

3.2斜拉桥的结构体系与总体布置参数 (57)

3.3.1塔梁支承形式 (57)

3.3.2主梁边主跨比 (58)

3.3.3塔高与主跨跨径比 (58)

3.3.4辅助墩布置 (59)

3.3结构体系与总体布置参数对独塔钢箱梁斜拉桥成桥状态的影响 (59)

3.3.1塔梁支承形式的影响 (59)

3.3.2主梁边主跨比的影响 (63)

3.3.3塔高与主跨跨径比的影响 (68)

3.3.4辅助墩布置数量的影响 (73)

3.3.5辅助墩布置位置的影响 (78)

3.4结构体系与总体布置参数对双塔钢箱梁斜拉桥成桥状态的影响 (83)

3.4.1塔梁支承形式的影响 (84)

3.4.2主梁边主跨比的影响 (88)

3.4.3塔高与主跨跨径比的影响 (92)

3.4.4辅助墩布置数量的影响 (97)

3.4.5辅助墩布置位置的影响 (101)

3.5小结 (105)

第四章多目标优化算法确定钢箱梁斜拉桥的合理施工状态 (107)

4.1概述 (107)

4.2钢箱梁斜拉桥的施工方法及其特点 (107)

4.3钢箱梁斜拉桥合理施工状态的确定原则 (108)

4.4钢箱梁斜拉桥施工状态优化的多目标规划模型 (108)

4.4.1设计变量的选取 (108)

4.4.2优化目标的选取 (108)

4.4.3优化模型的建立 (109)

4.5平方和加权法将多目标规划模型转化为单目标二次规划模型 (110)

4.6求解单目标二次规划模型的阻尼Newton法 (111)

4.6.1基本原理 (111)

4.6.2求解步骤 (111)

4.7钢箱梁斜拉桥合理施工状态优化过程 (112)

4.8多目标优化算在钢箱梁斜拉桥合理施工状态优化中的应用 (113)

4.8.1主梁顶推法施工的钢箱梁斜拉桥合理施工状态优化 (113)

4.8.2悬臂拼装法施工的钢箱梁斜拉桥合理施工状态优化 (126)

4.6小结 (139)

第五章几何非线性效应对钢箱梁斜拉桥施工状态的影响 (140)

5.1概述 (140)

5.2斜拉桥的几何非线性效应及其分析理论 (140)

5.3几何非线性效应对400m级独塔钢箱梁斜拉桥施工状态的影响 (141)

5.3.1斜拉索Z(B)8张拉后几何非线性效应影响分析 (141)

5.3.2斜拉索Z(B)15张拉后几何非线性效应影响分析 (144)

5.3.3斜拉索Z(B)22张拉后几何非线性效应影响分析 (147)

5.3.4二期恒载状态几何非线性效应影响分析 (149)

5.4几何非线性效应对700m级双塔钢箱梁斜拉桥施工状态的影响 (153)

5.4.1最大双悬臂状态几何非线性效应影响分析 (153)

5.4.2最大单悬臂状态几何非线性效应影响分析 (156)

5.4.3体系转换后几何非线性效应影响分析 (158)

5.4.4二期恒载状态几何非线性效应影响分析 (161)

5.5小结 (165)

第六章几何控制法进行钢箱梁斜拉桥施工过程控制 (166)

6.1概述 (166)

6.2钢箱梁斜拉桥施工控制特点及原则 (166)

6.2.1钢箱梁斜拉桥施工控制特点 (166)

6.2.2钢箱梁斜拉桥施工控制原则 (166)

6.3几何控制法的基本原理与特点 (167)

6.3.1几何控制法的基本原理 (167)

6.3.2几何控制法的特点 (167)

6.4几何控制法的监控内容及流程 (167)

6.4.1前期施工监控结构分析 (167)

6.4.2预制构件阶段的施工控制 (169)

6.4.3现场安装阶段的施工控制 (170)

6.5几何控制法监控目标的精度要求 (174)

6.6钢箱梁斜拉桥施工误差调整的改进加权最小二乘法 (175)

6.6.1钢箱梁斜拉桥施工误差调整优化模型的建立 (175)

6.6.2改进加权最小二乘法的基本原理 (176)

6.6.3改进加权最小二乘法的求解步骤 (176)

6.7钢箱梁斜拉桥施工控制实例 (177)

6.7.1独塔钢箱梁斜拉桥施工控制 (177)

6.7.2双塔钢箱梁斜拉桥施工控制 (186)

6.8小结 (197)

结论与展望 (198)

主要研究结论 (198)

主要创新点 (199)

展望 (200)

参考文献 (201)

攻读博士学位期间取得的研究成果 (212)

攻读博士学位期间参与的主要科研项目 (213)

致谢 (214)

VII

第一章绪论

1.1钢箱梁斜拉桥的应用与发展概况

1.1.1钢箱梁斜拉桥的结构特点

斜拉桥是由塔、梁、索3种基本构件组成的高次超静定组合结构体系，它以加劲梁受弯压、斜拉索受拉以及桥塔受压弯为主。斜拉索的多点弹性支承作用使主梁的受力类似于多跨连续梁，从而减小了主梁弯矩和梁体尺寸，减轻了梁体重量，使其具有很强的跨越能力，与悬索桥相比，斜拉桥的抗风性能优越，且不需要庞大的锚固装置。由于调整斜拉索的张拉力可调整主梁的内力，使其分布更加均匀合理，且斜拉桥的索、塔、梁，尤其是索和塔，可以组合出多种形式以满足景观需求，因而斜拉桥已成为现代桥梁工程中发展最快、最具竞争力的桥型之一[1-6]。近几十年来，随着交通量的剧增，桥面宽度及跨径均呈上升趋势，为满足使用要求，大跨径钢箱梁斜拉桥也随之应运而生了，其主梁形状也由矩形逐步发展为倒梯形、三角形以及扁平流线形。目前，除了需要布置成上下双层桥面的少数斜拉桥采用钢桁架主梁外，一般均采用扁平流线形钢箱主梁[7-9]。可见，钢箱梁斜拉桥越来越受到国内外建设单位和桥梁工程师的青睐。钢箱梁斜拉桥秉承了斜拉桥家族固有的品质，除此之外，它还具有如下特点[10]：

1）钢箱梁的抗扭刚度和横向抗弯刚度大、整体性强、材质均匀、强度高，因此，其跨越能力大，可适应更宽的桥面；

2）钢箱梁自重轻，外形纤细、美观，有利于桥梁设计的轻型化，可有效减少用钢量；在同等条件下，与钢桁架梁斜拉桥相比，钢箱梁斜拉桥主梁的用钢量可节省15%~25%。

3）钢箱梁工厂化生产的制作精度高，质量可靠，且其生产制作可与下部结构及桥塔并行施工，可加快施工速度。

4）与混凝土斜拉桥相比，钢箱梁斜拉桥的柔度大，耗能效果好，抗震性能优越。

1.1.2国外钢箱梁斜拉桥的应用与发展概况

现代钢箱梁斜拉桥起源于德国，1959年，德国在Düsseldorf建成跨越莱茵河的Theeodor Heuss桥，如图1.1所示。该桥为双塔双索面钢箱梁斜拉桥，跨径布置为108+260+180m；桥塔采用H形钢塔，桥面以上塔高41m，主梁采用钢箱梁，梁高3.12m，