斜拉桥索力优化
支架现浇斜拉桥索力优化及施工阶段索力确定的开题报告
支架现浇斜拉桥索力优化及施工阶段索力确定的开题报告
一、研究背景和意义
现浇斜拉桥是桥梁工程中常见的结构形式之一，在桥梁建设、交通运输等方面起着重要作用。
在斜拉桥的设计和施工中，支架作为施工要素之一，需要确定合理的索力，以保证斜拉桥的安全性和可靠性。
目前，支架的索力确定和优化方面仍存在一定问题，主要表现在以下几个方面：
1.支架索力确定仍存在模糊性和不确定性；
2.支架索力优化方法有限，无法满足复杂结构的要求；
3.施工阶段支架索力难以准确测量。
因此，本研究旨在探索支架现浇斜拉桥索力优化及施工阶段索力确定的方法，为现浇斜拉桥的设计和施工提供理论依据。
二、研究内容和方法
本研究将从支架索力优化和施工阶段索力确定两个方面入手，具体内容如下：
1.支架索力优化
通过分析现有支架索力优化方法，探索新的支架索力优化方法，并进行比较和分析。
具体方法包括：有限元分析法、遗传算法、神经网络等。
比较分析各个方法的适用性和精度，并以一个实际现浇斜拉桥为例进行验证和优化。
2.施工阶段索力确定
通过实测和数值模拟，确定施工过程中支架的索力变化规律，建立支架索力与桥面荷载、支架初始参数之间的关系模型。
并以一座正在施工中的现浇斜拉桥为例，验证模型的准确性和可靠性。
三、预期成果和应用价值
通过本研究，预期可以得到以下成果：
1.开发出适用于不同类型现浇斜拉桥的支架索力优化方法，提高支架索力的精度和可靠性；
2.建立支架索力与桥面荷载、支架初始参数之间的关系模型，为施工阶段支架索力的准确测量提供理论支持；
3.推广应用本研究成果，可以提高现浇斜拉桥的设计和施工效率，将为工程安全和经济效益做出贡献。
独塔单索面斜拉桥索力优化研究的开题报告
独塔单索面斜拉桥索力优化研究的开题报告摘要：本文主要研究独塔单索面斜拉桥的索力优化问题，分析了斜拉桥的结构特点，确定了影响索力大小的关键因素，并建立了索力优化模型。
在此基础上，运用Matlab软件进行数据处理和计算，并利用灵敏度分析法对模型进行了验证和优化。
最后，通过对独塔单索面斜拉桥的索力进行优化，得出了合理的索力大小。
关键词：独塔单索面斜拉桥；索力优化；灵敏度分析一、研究背景与意义独塔单索面斜拉桥是一种常见的大跨度桥梁结构，具有结构简单、经济实用、美观等特点，广泛应用于高速公路、城市道路等建设项目中。
在斜拉桥的设计和施工中，索力是一个极其关键的问题，索力大小的合理确定不仅影响桥梁的安全性能，还直接决定了斜拉桥的经济效益和使用寿命。
因此，本文旨在通过对独塔单索面斜拉桥的索力进行优化，研究索力大小对桥梁结构的影响，提高斜拉桥的安全性能和经济效益。
二、研究内容与方法本文主要研究独塔单索面斜拉桥的索力优化问题，具体内容包括：1. 独塔单索面斜拉桥的结构特点和索力大小的影响因素分析。
2. 建立索力优化模型，确定最优索力大小。
3. 运用Matlab软件进行数据处理和计算，并利用灵敏度分析法对模型进行验证和优化。
4. 对独塔单索面斜拉桥的索力进行优化，得出合理的索力大小。
研究方法：理论分析、数学建模、计算机仿真等。
三、论文结构本文的组织结构如下：第一章：引言主要介绍研究背景和意义、研究内容和方法。
第二章：独塔单索面斜拉桥的结构特点和索力大小的影响因素分析主要分析斜拉桥的结构特点和索力大小的影响因素，并对斜拉桥的索力优化问题做出分析和探讨。
第三章：独塔单索面斜拉桥的索力优化模型建立主要建立斜拉桥的索力优化模型，包括目标函数和约束条件的确定，并介绍模型的求解方法。
第四章：独塔单索面斜拉桥索力优化模型的计算和结果分析主要介绍运用Matlab软件进行数据处理和计算的方法，利用灵敏度分析法对模型进行了验证和优化，并得出了合理的索力大小。
斜拉桥的索力优化
斜拉桥的索力优化斜拉桥索力优化简介一、斜拉桥得概况斜拉桥又称斜张桥,其上部结构由主梁、拉索与索塔三种构件组成。
它就是一种桥面系以加劲梁受弯或受压为主,支承体系以斜拉索受拉与主塔受压为主得桥梁。
斜拉索作为主梁与索塔得联系构件,将主梁荷载通过拉索得拉力传递到索塔上,同时还可以通过拉索得张拉对主梁施加体外预应力,拉索与主梁得结点可以视为主梁跨度内得若干弹性支承点,从而使主梁弯矩明显减小,主梁尺寸以及主梁重量也相应减小,大大改善了主梁得受力性能,显著提高了桥梁得跨越能力。
根据主梁所用建筑材料得不同,可将现代斜拉桥分为钢斜拉桥、混凝土斜拉桥、结合梁斜拉桥以及混合式斜拉桥等。
早期斜拉桥得主梁均为钢结构,其形式主要为双箱或单箱配以正交异性板。
随着技术进步,19世纪中期出现了第一座现代意义得混凝土斜拉桥,从此,混凝土斜拉桥进入了人们得视野。
混凝土斜拉桥得主梁与索塔一般由混凝土材料构成,为了提高主梁与索塔得适用性能,主梁可以优先采用预应力混凝土主梁,索塔可以釆用钢结构劲性骨架加强或环向预应力结构。
在密索体系混凝土斜拉桥中,拉索受拉,主塔与主梁以受压为主,可以充分利用钢丝或钢绞线优异得受拉能力与混凝土良好得受压能力,同时,斜拉索水平分力对主梁形成预压作用,提高了主梁得抗裂能力。
从设计方面瞧,既要考虑结构总体布置、结构体系选择得合理性,又要考虑釆用何种方法寻求成桥索力得最优解,还要考虑施工得便捷性、经济效益、社会效益以及美学功能等多种因素;从施工方面讲,既要确定合理得施工流程,设法寻求合理得施工初拉力,还要做好施工过程中施工参数得动态控制与调整等方面工作。
另外,在整个过程中,还要考虑设计参数变化、温度、徐变、几何与材料非线性以及施工方法等因素对设计与施工得影响。
二、斜拉桥索力优化方法斜拉桥就是高次超静定结构,其主梁、主塔受力对索力大小很敏感,而基于斜拉索索力可以调节得特点,我们可通过对拉索索力得调整来优化斜拉桥成桥恒载状态。
千米级斜拉桥空间非线性两阶段索力优化
千米级斜拉桥空间非线性两阶段索力优化我国桥梁建设历经十多年的快速发展，取得了世人瞩目的成就，正在由桥梁大国迈向桥梁强国，面对桥梁建设新的使命和机遇，自主创新和实施超越成为突出主题。
时下斜拉桥可谓最为流行，故而面临的挑战与机遇也就更多。
斜拉桥是主梁通过斜拉索支承在索塔上的现代桥型，其跨越能力强、结构刚度大、经济性好、适应性广。
上世纪50年代，这种桥型首先在西方国家出现。
70年代中期才传人我国。
斜拉桥跨径的不断突破始终是其发展的主题，也是工程技术难度的集中体现。
到2O世纪末，世界上最大跨径斜拉桥为主跨890米的日本多多罗大桥，我国最大跨径斜拉桥为主跨628米的南京长江二桥。
随着交通建设适应经济快速发展的需要，国内外跨越江河海湾、连接岛屿及大陆的长大桥梁陆续修建，而复杂恶劣的建设条件和较高的通航标准对斜拉桥突破千米跨径提出了迫切需求。
在此且只详细论述千米级斜拉桥空间非线性两阶段索力优化。
由于斜拉桥结构的受力特点,跨度大于500 m的斜拉桥通常采用钢主梁形式。
目前世界上已建成的斜拉桥主跨跨度排名前3 位的日本多多罗大桥(主跨890 m) 、法国诺曼底大桥(主跨856 m) 、中国南京长江二桥(主跨628 m) 的主梁结构均采用钢箱梁形式。
中国正在规划修建的苏通长江公路大桥(主跨1 088 m) ,其主梁结构亦采用封闭式流线型扁平钢箱梁,全焊连接。
对于超过千米的斜拉桥,目前还没有成功经验可以借鉴,随着斜拉桥跨度的增加,其结构刚度急剧下降,可能会出现一系列新的特殊力学问题,其中,超长跨度的斜拉桥在施工状态和成桥状态下的索力优化就是一个十分关键的问题。
倒拆法和正装迭代法是确定斜拉桥在施工状态下的合理索力的两种主要方法。
倒拆法在拆除合龙段时,常有不平衡杆端力的影响;由于结构的非线性效应,当施工步骤比较复杂时,几乎难以求得较为精确的解。
正装迭代法采用大循环的顺装分析来确定桥梁的合理施工线形 ,该方法克服了倒拆法的弊端,但由于没有对施工中的一些不利因素(如应力、变形) 进行约束,当设计变量较多或假定的初始值不合理时,会出现迭代不收敛的现象。
基于APDL参数化语言的斜拉桥的索力优化
果表 明该方法 简单、 有效。 关键词 ： ＮＳ ； Ａ ＹＳ斜拉桥 ； 索力优化
斜拉桥的索力优化
（、 １ 武汉绕城 高速公路 管理 处， 湖北 武汉 ４ ０ １ ２ 烟 台科信房地产开发 有限公 司， ３４ ５ 、 山东 烟 台 ２ ４０ ） ６ ０ ０
要： 化设计及结合其编程语言 Ａ Ｄ Ｐ Ｌ对一座独塔单索面部 分斜拉桥 进行 了索力优化设计 ， 计算结
33优化结果及分析斜拉索总索力的大小反映拉索所需截面的大小间接反映了索的用量从表可看出在优化模式优化后总的恒载索力增大约850拉索的用量增加并不会很大说明以主梁弯曲应变能最小为目标函数的索力优化可以在基本不增加索用量的情况下改善主梁的受力
科
市政 与路 桥 ｆ ｉＩ ｌ
基于 Ａ Ｄ Ｐ Ｌ参数化
斜拉桥成桥恒载内力 的分布及其Ｘ４ 是衡 面来拟和解空问，然后对该函 ＇ 量设计优劣的重要标志之』 。 斜拉桥设计自由度 数对陂值，这是—种普适的优 很大 ， 可以通过调整索力来改变结构的受力状态 ， 化方法， 不容易陷入局部极值 优化结构的受力。因此 ， 一旦斜拉桥结构体系确 点， 但优化精度不是很高 ， 因此 定， 总能找出一组索力 ， 它能使结构在确定性荷载 多用来做粗略优化的手段。 一 阶方法是将真实的有限元结果 图 １某独塔单 索面部分斜拉桥全桥布置图 作用下， 某种反映受力性能的指标达到最优。 这组 Ｃ ＡＲ 索力对应的成桥状态就是该 目 标下的成桥合理状 最小化， 而不是对逼近数值进行操作 ， 但容易陷入 ， ＬＥ 态， 求解这组最优索力 ， 并加以实施 ， 也就实现了 局部寻优， ＦＬ ＭＥ Ｑ ａ ！文件名 因此更力适合于精确的优化分析。 日 除此 ／ＩＮＡ ， ｉｏ 第二步， 定义参数化设计变量 Ｄ Ｖ 斜拉桥的恒载受力优化， 因此， 斜拉桥恒载状态的 之外 ， 用户还可以通过调用 Ｕ Ｅ Ｏ 子程序来执 ＳＲ Ｐ Ｌ ： ＯＤ １３ Ｏ 优化也就转化为斜拉桥索力优化问题。 行 自己开发的优化方法和工具。 Ｌ＝ ０ ０ １ ２３ ０ 以各索的初始索力为设计变量， 给定一 １索力优化的常用方法 ３应 用实例 目 前索力优化的常用方法可归结为三类 ： 指 ３１桥梁概况 ． 大于 ０的初值 定受力状态的索力优化，无约束的索力优化和有 研究对象为一独塔单索面部分斜拉桥， 跨径 第三步 ， 进入前处理器 ， 利用参数化创建有 约束的索力优化日 。 布置为 ３ ｍ ８ ｍ ８ ｍ ４ ３ ｍ 其 中主桥为 ８ ｍ ２ ＋０ ＋０ ＋Ｘ ２ ， ０＋ 略） 指定受力状态优化方法的代表是 刚性支承 ８ ｍ 桥面总宽为 ２ｍ， ０。 ７ 按双向四车道布置， 全桥布 限元模型（ 第四步， 进入求解器 ， 施加荷载 ， 执行参数化 连续梁法和零位移法。 置如图 １ 所示。主塔为 ２ ｘ ５ Ｉ 形实心钢筋混 ｍ３ｎ Ｈ 略） 索力无约束优化法的典型例子是弯 曲能量 凝土截面， 桥面以上高 ３ ２ｍ 斜拉索为竖琴式单 的分析求解（ ￣５ ， 第五步 ， 进入后处理器 ， 后处理并创建状态 最小 弯矩最小法 排索单索面 ， 位于中央分隔带上 ， 塔上索距 １ ４ ．～ ５ Ｖ与目 标变量 Ｏ ｊｃｖ（ ｂ ｔｅ ｅ ｉ 略） 索力的有约束优化的典型例子有： 用索量最 １ ７ 梁上索距 ４ ｍ， ５ ｍ， ． 采用 １６ Ｐ 环 氧全涂 变量 ｓ ０ ８０Ｍ ａ 小法 最大偏差最小法目 、 。 刚绞 线 ，共 ２ 根 ，１ ｓ 、ｌ ｓ＇ 为 ５ Ｏ ｓ ＿５Ｓ＇ ｓ － ￣束 － ５根 其中， 四步中， 第 用降温法来模拟索力 ：＝ Ｎ ￣ ｘ Ｔ 式中 ０ Ｅ ． ／ 为拉索材料的热膨胀系数 ， 为 Ｅ 根据斜拉桥的受力托 ， 选用以弯曲能量最 ￣１． ，６ Ｓ ０Ｓ １ 束为 ４ ５ ４￥ － １、 Ｓ 晦 ２ ３根 ‘１． ， Ｐ ５ ４ 斜 ｏ Ａ Ａ ， Ｊ２ Ａ △ 为降低温度。 第五步 小为优化 目 ， 标 利用大型有限元分析软件 Ａ Ｓ Ｓ 拉索在塔顶连续通过索鞍， ＮＹ 两侧对称锚固于梁体 弹 漠量， 为拉索面积， Ｔ 标函数的提取借助于参数化语言 Ａ Ｄ 进 ＰＬ 的优化设ｉ及结合其编程语言 Ａ Ｄ 来实现。 ｔ ＰＬ 上。 主梁采用单箱三窒大悬臂截面， 中支点处梁高 中，目 ２优化设计基本要素 ３ ｍ 边支点处梁高 ２ ｍ 梁高按二次抛物线变 行数值积分来实现 ， ． ， ８ ． ， ４ 其中数值积分采用采用复化 计算公式为： ２ 在 Ａ ＳＳ ． １ Ｎ Ｙ 的优化模块中， ３ 有 大变量 ： 化。箱梁顶宽 ２ ｍ 翼板悬臂长 ４ ｍ 箱梁底宽 辛普生公式 ， ７， ． ， ５ 设计变量 、 状态变量 、 目标 函数， 它们统称为优化 １． ～ ７ ｍ， ６ ４ １． 中室净宽 １ ｍ， ２ ０ ． 斜拉索锚固在 中室。 ８ 桥面铺装层为 ｌｃ Ｏ ｍ厚的 Ｃ ０ ４ 防水混凝土。其中 变量。 设计变量 为设计过程中需要不断调整赋值 主梁、 桥塔材料为 Ｃ ０ 弹性模量为 ３ ｅ０ ａ ５， ． ｌＰ ， ５ 斜拉 式 中： －＿ ＿ 为计算时所取的步长 ｈ ｂ ａ － － 同 样主梁 的参数， 是设计的自变量， 优化结果的取得就是通 索标准强度为 １６ Ｐ ， ８０Ｍ ａ 公称直径 １． ｍ ， ５ ４ ｍ 计 ２ 过改变设计变量的数值来实现的。每个设计变量 算 弹性模量 １ ５ ｌＰ ， ９ ｅ １ ａ主梁预应力刚绞线 ， 准 的最大位移、 标 最大应力 ， 都利用参数化语言 Ａ Ｄ ＰＬ 都有上下限， 用于规定设汁变量的 取值范围。在 强度为 １６ ａ公称直径 １． ｍｍ， ８ ０ＭＰ ， ５４ ２ 弹性模量 来求出。 斜拉桥的索力优化中，采用斜拉索索力为设计变 １ ５ｌ Ｐ ， ９ ｅ １ａ 张拉控制应力为 １９ Ｍ ａ ３ ５ Ｐ（ １ ． ￣图 １ 。 ３ ２创建优化 ． ２ 控制文件 ＱａＯ ｔ ａ ｉ ｐ ｎｃ ｏ ａ 量。 ３ ２索力优化分析过程。 ． ａ 设计变量。 本桥索 第一步， 执行第一次参数化分析 状态变量是设计要求满足的约束条件变量 力优化计算 中， 设计变量取为每根拉索的初始索 Ｆ ＮＩ Ｈ ｌ Ｓ 参数 ， 用来体现优化的边界条件 ， 它们相 当于“ 因 力 Ｌ共有 ２ 个设讨，量。叫犬 ， ０ Ｉ 变 态变量。由于斜拉 ｆ Ｐ Ｚ Ｑａ． ｃ ｌ Ｕ Ｎ ｉ － ｏ ｍａ 变量”是设计变量的函数。用来体现结构设计应 ， 平位移能直观反映全桥 第二步， 执行优化分析过程 该满足功能上或性能上 的要求 以及其他一些要 的设计是否合理， 为使成桥线型达到理想状态 ， 一 幻 求。状态变量可有上下限， 或只有单方面的限制。 般限定结构的部分位移。 在优化 － 过程中， 状态 Ｏ Ａ Ｌ Ｑａ－ ｅ ＰＮ ｉ ． ． ｏ ｍａ ！ 指定分析文件 在本问题中， 可以取主粱、 主塔控制截面的应力或 变量取主梁的最大位移 ＤＭＡ Ｘ和主梁最大应力 名 索力均匀性约束、 边墩和辅助墩支座反力约束等 Ｓ Ｘ ａ 标函 。 ＭＡ 。 目 数 优化分析中采用二种不同的 第三步 ， 声明优化变量 作为状态变量。 目 标函数对拉索的张拉力进行优化， 然后比较几 Ｏ Ｖ Ｒ ，Ｖ ， ０ Ｐ Ａ 工１ ， ０ ０ Ｄ ０ ８ １ 指定索力为设计 目 标函数就是设计中极小化的变量参数 ， 它 组索力， 从中选出最理想的索力。 各个 目 标函数的 变量 必须是设计变量的函数，即改变设计变量的数值 具体构成如下 ： 优化模式①以主梁弯曲应变能最 将改变目 函数的数值 ， 标 而且在每次优化过程中 ， 小作为 函数； 优化模式②以主梁及主塔弯曲 ＯＰ ＶＡＲ， ＤＭＡ Ｓ Ｘ，Ｖ－ ！ 主梁最大位移为 只能设定一个 目 标函数。目 函 标 数的选取对于优 应变能最小作为目 标函数 ； 弯曲应变能为 （ ） ｏ 状态变量 化结果的优劣是至关重要的。 在本问题中， 取 ∑ ｆ 可以 ＶＡＲ ＭＡＸ，Ｖ Ｓ Ｓ ！ 主梁最大应力为 。 ｄ， ｓ 其中ｎ 主 为 梁和主 弯曲 能 ０Ｐ 塔 应变
(完整版)斜拉桥施工索力张拉控制及优化
斜拉桥施工索力张拉控制及优化研究背景：随着经济和技术的发展，以及斜拉桥合理的结构形式，我国修建了大量的斜拉桥。
因此该类桥梁的施工控制就显得尤为重要。
国内外学者及工程技术人员对斜拉桥的施工控制进行了许多研究，提出了卡尔曼滤波法、最小二乘误差控制法、自适应控制法、无应力状态控制法等许多实用控制方法。
这些方法的实质都是基于对施工反馈数据的误差分析，通过计算和施工手段对结构的目标状态和施工的实施状态进行控制调整，达到对施工误差进行控制的目的。
施工控制的方法必须与各类斜拉桥设计、施工的特点相结合才能在确保结构安全及施工便捷的前提下切实可靠地实现控制的目标。
目前国内大多数斜拉桥的施工控制都是针对常规的混凝土斜拉桥进行的，其相应的控制方法也是针对常规混凝土斜拉桥的施工特点提出来的，本文着重阐述对于常规混凝土斜拉桥的施工控制过程中的索力张拉控制及优化方法。
斜拉索施工过程：斜拉索安装完毕，即进行张拉工作。
张拉前对千斤顶、油泵、油表进行编号、配套，张拉设备定期进行标定。
斜拉索正常状态按设计指令分2次张拉，第1次张拉按油表读数控制，张拉时4根索严格分级同步对称进行；第2次张拉是在监控利用频率法测完索力后，以斜拉索锚头拔出量进行精确控制。
施工监控包括对索力、应力、应变、线形、温度、主塔偏位的监控。
施工监控在凌晨气温相对稳定时进行，保证在凌晨5点前完成。
索力测试采用应变仪捕捉索自振频率，当测出索力误差超过2时，应对索力进行调整，直到满足要求。
索力调整完毕立即对应力、应变、线形、温度、主塔偏位进行测量。
可分阶段地进行张拉、调索。
在牵索挂篮悬浇时，在控制好挂篮底模标高后，在节段砼灌注过程中，当砼灌注至1/4、2/4、3/4，及砼灌注完后，均需进行调整索力及挂篮底模标高。
当主塔施工至与边跨合拢前、中跨合拢前和合拢后、二期恒载安装后均需按设计要求对全桥斜拉索进行统一检测调整，使全桥线型满足设计要求。
并在对每节段主梁悬浇进行监控时，对主梁最前端的5～6对拉索的索力进行测定，观察其变化幅度是否在设计范围内。
斜拉桥索力优化
斜拉桥索力优化斜拉桥索力优化斜拉桥成桥内力分布好坏是衡量设计优劣的重要标准之一，理想的成桥状态当属塔、梁在恒载作用下无弯矩或只有局部有弯矩，这种状态既可以减少收缩徐变影响、方便设计，又可以充分发挥各种材料的性能。
由于受到设计、施工中各种条件的限制，要求每座桥都满足零弯矩状态是不可能也不现实的，但无论怎样的斜拉桥，总能找到一组斜拉索力，它能使结构体系在恒载作用下，某种反应受力性能或用材指标的目标达到最优，求解这组索力就是斜拉桥成桥的索力优化问题。
1 斜拉桥索力优化实用方法目前资料中可查到的索力优化方法可归结为：指定受力状态的索力优化；无约束的索力优化和有约束的索力优化三大类。
1.1 指定受力状态的索力优化刚性支撑连续梁法是指成桥时斜拉桥主梁的恒载弯曲内力和刚性支撑连续梁的内力一致。
因此，可较容易的用连续梁支撑反力来确定斜拉桥索力。
零位移法是通过索力调整使成桥状态结构在恒载作用下，索梁交点位移为零。
对于满足支架上一次落架的斜拉桥体系，其结果和刚性支撑连续梁几乎一致（当轴向刚度→∞时）这两种方法用以确定主边跨对称的斜拉桥索力是有效的，但对于主、边跨不对称时，必将在塔中引起很大的不合理弯曲内力，失去了索力优化的意义。
1.2 索力无约束优化弯曲能量最小法是用结构的的弯曲余能作为目标函数。
弯矩最小法是以弯矩平方和作为目标函数。
这两种方法不能计入预应力索力影响，且只适用于恒载索力优化，计算时要改变结构的计算模式，比较麻烦。
1.3 有约束的索力优化用索量最小法是以斜拉桥索的用量(张拉力乘索长)作为目标函数，用关心截面内力、位移期望值范围作为约束条件。
运用这种方法，必须确定合理的约束方程，否则容易引出错误结果。
最大偏差最小法将可行域中的参量与期望值的偏差作为目标函数，使最大偏差达到最小。
这是一个隐约束优化问题，最后可变化为一个线性规划问题，这种方法既适用于成桥索力优化，也适用于施工中的索力调整优化。
1衡量斜拉桥受力性能的好坏一般并不能用单一的目标函数来表示，因此，才出现了以上各种索力优化法，他们都具有局限性。
浅谈桥梁工程中无背索斜拉桥索力优化
浅谈桥梁工程中无背索斜拉桥索力优化摘要：本文作者结合自己多年的实际工作经验，结合某桥主桥工程实例，介绍了无背索斜拉桥主塔混凝土浇筑及斜拉索张拉方案的一种优化方法，并就相关问题提出了自己的看法和意见，仅供参考。
关键词：桥梁；斜拉桥；索力；优化Abstract: in this paper the author, based on his years of practical experience, the combined with a main bridge engineering examples, this paper describes the main tower is cable stayed back concrete pouring and stay-cables zhang pulled a scheme optimization method, and the related problems with it views and opinions, is only for reference.Keywords: bridge; Cable-stayed bridge; Cable force; optimization斜拉桥又称斜张桥，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。
常规的斜拉桥在桥塔两侧均有斜拉索，恒载作用下塔两侧斜拉索水平力可保持平衡，主塔仅在活载及附加荷载作用下承受一定的水平力及矩弯，而与常规斜拉桥不同，无背索斜拉桥仅有单侧索，桥塔的受力表现为在斜拉索索力及自身重力的作用下的悬索梁。
无背索斜拉桥是对常规斜拉桥造型的突破，无背索后倾的塔身形状表现出对相对纤细的桥面强大稳固支撑的力量感，给人醒目深刻的感受。
为了确保主塔处于良好的受力状态，无背索斜拉桥的塔身一般都设计成倾斜的，依靠塔身的自身重力矩来平衡斜拉索的倾覆力矩，因此组成了梁塔结构的平衡体系。
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调索软件
• ANSYS • 约束最优化问题求解
• 斜拉桥 • 苏通大桥：索力优化设计
• 拱桥扣索索力优化问题 • 白沙沟：混凝土拱圈（悬臂浇筑，斜拉扣挂）
调索软件
1
Y
ELEMENTS
ZX
Ansys （1）Apdl目标索力的搜索 （2）拉索的模拟Link单元 （3）钢箱梁
Y ZX
调索软件
• Ansys • （1）一阶最优化计算方法 • （2）施工索力和主梁预转折角 • （3）钢箱梁
• 主梁设计是PC斜拉桥索力优化难点和关键。
悬链线索单元
• 主要优点 ・精确计入垂度影响，能模拟各种极端情况； ・分析模型的自由度个数少； ・通过仅仅给定无应力长度和端点坐标即可确定 整根索的几何状态和内力状态； ・简化索结构的找型分析； ・无应力长度确定后，任意取一个初始构形即可 方便地找出结构的恒载状态、施工状态和使用状 态下的构形，而固定不变的无应力长度又保持了 结构的连续性和计算精度。
成桥索力计算的几个典型方法
• 最小能量法 把斜拉索，主梁，塔墩的抗拉压刚度全部改为无 穷大（差不多高个原来的4个数量级），抗弯刚度 不变。加上自重和二期恒载进行线形计算，得到 的索力就是最小能量法的索力。
• 影响矩阵法实现了对多种目标函数的统一, 克服了 单一目标函数优化的缺点, 可以用较小的计算量得 到较为理想的结果。
拉索的分析（杆单元Ernst折减，悬链线索单元）， P_delta效应，大位移 混凝土时变效应
合理的成桥状态
• 斜拉桥的合理成桥状态要满足： “ 索力分布，均匀、主塔弯矩不能太大、主梁应 力要控制在其“可行域”范围内、边墩的支座反 力在恒载下要有足够的压力储备, 其中, 主梁的应 力最为关键。”
• 索力优化目标： “塔直梁平，拉索索力均匀，施 工过程应力安全性，主梁线形，成桥后主梁设计 验算的宽容度”
无应力状态控制法确定施工索力
• 用单位力引起的无应力长度变化量把无应 力长度增量换算为张拉力的增量。
• 若斜拉索的用拔出量来调整，施工过程温 度与临时荷载影响可过滤。
无应力状态控制法确定施工索力
• 1计算设计指定的成桥目标状态各斜拉索的无应力长度； • 2根据斜拉桥的实际施工过程，对结构进行分阶段的正装
• 斜拉桥内力状态可由斜拉索力（支座力）唯一确 定的体系，只要保证其成桥索力与优化索力一致， 则相应内为状态就是成桥状态合理受力状态。
• 如果是一次调索法，应该先确定成桥索力， 再用倒退分析法或迭代前进分析法确定初 张力，当然还要以施工中结构的安全作为 约束条件；
• 如果桥梁合拢后进行调索，则初张力的作 用大为降低，保证施工中结构的安全就可 以了，一般可以取其竖直分力等于对应块 件的重量。
4 3 2 1
3# 2#
1#
11 8 9 10 7 6
5
9# 8# 7# 6#
5#
600cm
4#
10# 11# 12#
270cm
合拢前的索力优化
• 1、目标函数
• 在拱桥施工阶段中，拱圈的最大拉应力往往成为拱圈截面
设计的关键因素。选用了各施工阶段最大拉应力的平方和
为目标函数
f
2 i,max
• 优化后的施工索力必须满足两方面的要求: 一是施 工过程中结构的受力安全, 即要保证施工过程中应 力不超过规范规定; 二是成桥后能满足合理成桥状 态的要求。”
• 成桥状态索力优化结果非唯一性，简单的某种方 法均有一定的局限性，不是任何时候都能取得较 理想的结果。
• 成桥状态（恒载，边界）一次落架的优化结果未 必是合理的结果，有必要考虑施工过程的配合， 应该考虑活载等效应。
• 结构设计流程：成桥索力与施工索力（经验类比 法，分步算法）
以合理成桥状态为目的的施工索力优化
• “初拉力的确定是斜拉桥设计中比较繁复的一项计 算工作, 要通过多次试算、调整才能取得较满意的 成果。希望主梁及索塔在各个受力阶段中能满足 设计要求, 并有较小的弯矩。对拉索索力的均匀性, 一方面是拉索索力在各受力阶段的应力变化幅度 不要过大, 再一方面是对拉索规格的调整, 使规格 减少。”
• 其它数值优化方法：最小二乘法，梯度优化法， 数学规划法
一些技巧
• 1一次落架：将合拢段只计入重量，不计入刚度 • 2将单元的面积调整到10000倍，将辅助墩的刚度
调整到一个小值 • 3将拉索附近梁段重量作为拉索的竖向力分量 • 3切线安装：悬臂单元一次激活，重量分次施加 • 4经验性的索力规律 • 5正装迭代（施工索力调整向量～成桥目标状态差
控制目标与参数
施工索力的张拉范围
牵索式挂篮前支点斜拉索索力范围的确定---李传习.pdf
施工索力的正装迭代法
• 张拉的拉索总次数n • 控制参数m • 索力影响矩阵 • 最小二乘法求解索力 • 通过迭代逼近
• 肖汝诚 • 正装迭代法 • 将ANSYS的一阶分析法引入斜拉桥索力优化问题，
确保施工阶段受力和线形受控，成桥后索力达到 目标状态。 （非线性优化范畴）
力.pdf
• 江安：影响矩阵法（Excel表格）
调索软件
• MIDAS • 影响矩阵法(未知荷载系数),未闭合配合力 • Unknown load factor未知荷载系数法.pdf • 斜拉桥正装分析-未闭合力.pdf
• 南宁桥：三维钢拱肋斜拉扣挂施工
调索软件
• 索单元与非线性问题 • 等效桁架单元（弹性模量折减） • 悬链线索单元 • Midas软件的非线性功能：索的分析（杆单
6 优化前
5
优化后
4
3
2
1
0
2
4
5
7
9 11 13 16 18 21 24
施工阶段
调索软件
• MATLAB优化工具箱 • 数值分析软件
• 有约束的二次规划问题
• 与有限元数据的结合程 度
Midas未知荷载系数法
• 技术资料 • 斜拉桥成桥阶段和正装分析.pdf • 未知荷载系数法.pdf • 斜拉桥正装分析-未闭合力.pdf
/
n,
i
1, 2
n
• 2、设计变量 • 将扣索初始索力和索力调整量转化为等效温度荷载
x Ti i 1,2,m
合拢前的索力优化
• 3状态变量
• 选取扣索在施工过程中的索力为状态变量，以保证扣索索 力有满足施工要求的安全系数，且不能受压。
最大拉应力（MPa）
0 Fij [F j ]
• 算例 • 7.51-成桥未知荷载系数(零位移法).mcb • 7.51-成桥未知荷载系数(最小弯曲能量法).mcb • 7.53-未知索力求吊装钢桁拱_01.mcb • 7.53-未知索力求吊装钢桁拱BB(闭合1).mcb • 7.53-未知索力求吊装钢桁拱BB(闭合2).mcb • 7.54未闭合配合力\成桥分析.mcb • 7.54未闭合配合力\正装分析.mcb
元，悬链线索单元），Pdelta效应，大位移
调索软件
• 桥梁博士 • V30以上版本调索工具
• 宜宾桥： • 双塔PC箱梁桥，索力普调
桥博软件建议的索力思路
• 索力的主要作用是解决主梁的荷载弯矩 悬臂施工时主梁的重量，成桥的二期铺装，活载
• 调索步骤： • 悬臂施工时拉索主要平衡节段重量，在结构体系合 理且富裕的情况下还可预考虑部分二期铺装，以便 减少成桥索力调整施工工作量 • 成桥后做部分索力调整，解决铺装产生的弯矩 • 配置局部预应力，解决弯矩较大的局部区域应力 • 配置整体施工预应力，解决主梁施工安全性 • 计算应力包络图、成桥应力图 • 根据应力包络图和成桥应力图的特征，适当调整拉 索张拉力，使上下缘在长期状态下和极端条件下应 力分布更为均匀合理 • 观察塔顶位移
斜拉桥索力优化
学习笔记 2009.11
索力优化问题的分类
• 索力是斜拉桥受力的核心因素
• 索力优化问题的分类 • 1设计阶段成桥索力 • 2施工索力（到拆法，正装-到拆法，无应
力状态法，结合影响矩阵的正装迭代法） • 3运营阶段恒载索力
一些话题
• 钢箱梁，PC梁，结合梁 • 对称与不对称，压重，辅助墩，合拢方式 • 索力一次到位，多次到位(索力普调)， • 施工过程应力安全性，主梁线形可控性 • 主梁设计的宽容度（可行，合理，最优） • 非线性因素
ANSYS优化设计
• 合理的设计是指满 足所有给定的约束 条件(设计变量的约 束和状态变量的约 束) 的设计。
• 而最优设计是既满 足所有的约束条件 又能得到最小目标 函数值的设计。Biblioteka min f (x) X En
S.t. gi (x) 0 i 1, 2, , m
g j (x) 0 j 1, 2, , p
• 该方法克服了倒拆法的弊端，在应用中增加少量 取自施工阶段受力状态的控制参数，则更为合理， 能加速综合确定施工工序、斜拉索施工各次张拉 力和预拱度。
设计工作的分步考虑
成桥索力计算思路
成桥索力计算思路
成桥索力计算思路
合理成桥状态
• 设计步骤 • 分步算法
• 成桥目标优化状态 • 目标参数值的调控
100 100
300
8 11 12
22 16
88
33 16
2088
1088 16
33 16
南通
300
100 100
88
22 16
11 12 8
苏州
白沙沟大桥
半跨上部构造
15620/2
5X1420
1
2
3
4
板式橡胶支座
1420/2 5
270
3000
270
25
跨
20
中
30
30
线