斜拉桥的索力优化
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。
斜拉桥缆索拉力的优化研究的开题报告
斜拉桥缆索拉力的优化研究的开题报告【题目】斜拉桥缆索拉力的优化研究【研究背景和意义】随着交通发展以及城市需求的不断增加，斜拉桥逐渐成为大型桥梁的主要设计方案之一。
然而，斜拉桥中缆索是负责桥梁承重的重要部件，其索力的大小对桥梁的生命安全和经济性均有着至关重要的影响。
因此，斜拉桥缆索的索力优化研究一直是桥梁设计领域中的重要研究内容。
同时，随着现代计算机技术和数字化模拟技术的发展，对缆索索力的优化研究也有了更多的技术手段和分析方法。
因此，通过对斜拉桥缆索力优化的研究，可以有效提高斜拉桥的经济性和安全性，同时也有助于推动桥梁设计技术的进步和发展。
【研究内容】本研究旨在探讨斜拉桥缆索拉力的优化问题，主要研究内容如下：1. 分析斜拉桥缆索的受力特点，建立缆索索力的数学模型，并探讨索力受各种因素的影响，如风荷载、自重、温度影响等。
2. 基于数学模型，采用最优化算法优化缆索索力，设计并实现相关优化算法，以实现最小化缆索索力的优化目标，提高桥梁经济性和安全性。
3. 对比研究不同优化算法的优缺点，并结合具体案例分析各算法的适用性，为实际设计提供参考。
【研究方法】本研究将采用以下研究方法：1. 理论分析法：针对斜拉桥缆索受力特点进行分析，建立数学模型，探讨各种影响因素对缆索索力的影响。
2. 数值模拟法：通过计算机软件对理论模型进行数值模拟，从而得到实际斜拉桥缆索情况的数学解。
3. 最优化算法：基于数学模型和数值模拟结果，实现有关问题的最优化算法，以解决缆索索力的优化问题。
4. 实例分析法：结合实际斜拉桥设计实例，进行案例分析和对比研究，验证优化算法的可行性和效果。
【预期成果】1. 建立斜拉桥缆索的数学模型，深入探讨缆索受力的特点和影响因素。
2. 实现缆索索力的最优化算法，并通过数值模拟和实例分析方法，验证算法的有效性和可行性。
3. 提出针对斜拉桥缆索索力优化的设计方法和指导意见，为实际设计提供科学、合理的参考。
【研究进度安排】第一阶段：文献综述，了解国内外斜拉桥缆索索力优化的研究现状，并初步确定本研究的研究问题和方法。
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。
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。
斜拉桥索力优化方法综述
斜拉桥索力优化方法综述摘要：本文首先介绍斜拉桥索力优化的概念。
然后将斜拉桥索力优化基本方法按有约束和无约束两种范畴进行分类。
进而从数学、力学及工程应用角度分阐述斜拉桥索力优化方法的基本原理。
最后经过综合分析，找出各种索力优化基本方法之间的联系，为斜拉桥在具体数值分析及建造过程中提供指导和借鉴。
关键词：斜拉桥索力优化影响矩阵1 引言斜拉桥成桥状态恒载内力分布的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、活载作用下弯曲应力小且均匀的受力状态。
无论怎样的斜拉桥结构体系，总能找出一组斜拉索力，它能使结构在确定性荷载作用下，某种反映结构受力性能的目标达到最优。
求解这组最优索力，就是斜拉桥的索力优化。
2索力优化基本方法及原理斜拉桥是高次超静定结构，斜拉索索力具有可调性，故斜拉桥的设计中存在一个通过优化成桥索力来优化成桥内力的合理成桥受力状态确定问题，即选择一组最优的索力是斜拉桥设计的关键。
在给定目标下，已有的寻求最优索力状态分析方法归结起来可分为两大类：无约束索力优化法和有约束索力优化法。
2.1无约束索力优化法无约束索力优化法是设定某一目标，寻求一组索力来满足已设定的目标，此法仅关心反映受力性能的目标达到最优，而不关心索力的大小及分布。
无约束索力优化法主要包括：简支梁法、刚性支承连续梁法、零位移法、内力（或应力）平衡法、弯曲能量最小法及弯矩最小法。
（1）简支梁法简支梁法是选择一组合适的斜拉索初始张拉力，使主梁结构的恒载内力与主梁以斜拉索的锚固点为简支支承的简支梁内力一致。
这种方法简单易算，但与实际情况相差太远，一般不宜采用。
（2）刚性支承连续梁法刚性支承连续梁法以斜拉桥主梁在恒载作用下的弯曲内力呈刚性支承连续梁状态为优化目标，将主梁、索梁交点处模拟刚性支承进行结构分析，计算出各刚性支点反力，利用斜拉索索力的竖向分力与刚性支点反力相等的条件来确定最优索力。
（3）零位移法零位移法是以结构在恒载作用下主梁和斜拉索交点的节点位移为零作为优化目标。
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斜拉桥索力优化简介一、斜拉桥的概况斜拉桥又称斜张桥, 其上部结构由主梁、拉索和索塔三种构件组成。
它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和主塔受压为主的桥梁。
斜拉索作为主梁和索塔的联系构件, 将主梁荷载通过拉索的拉力传递到索塔上, 同时还可以通过拉索的张拉对主梁施加体外预应力, 拉索与主梁的结点可以视为主梁跨度内的若干弹性支承点, 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,大大改善了主梁的受力性能, 显著提高了桥梁的跨越能力。
根据主梁所用建筑材料的不同, 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。
早期斜拉桥的主梁均为钢结构,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的混凝土斜拉桥, 从此,混凝土斜拉桥进入了人们的视野。
混凝土斜拉桥的主梁和索塔一般由混凝土材料构成, 为了提高主梁和索塔的适用性能, 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,主塔和主梁以受压为主, 可以充分利用钢丝或钢绞线优异的受拉能力和混凝土良好的受压能力, 同时, 斜拉索水平分力对主梁形成预压作用, 提高了主梁的抗裂能力。
从设计方面看, 既要考虑结构总体布置、结构体系选择的合理性, 又要考虑釆用何种方法寻求成桥索力的最优解, 还要考虑施工的便捷性、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, 既要确定合理的施工流程, 设法寻求合理的施工初拉力, 还要做好施工过程中施工参数的动态控制和调整等方面工作。
另外,在整个过程中, 还要考虑设计参数变化、温度、徐变、几何和材料非线性以及施工方法等因素对设计和施工的影响。
二、斜拉桥索力优化方法斜拉桥是高次超静定结构, 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的特点, 我们可通过对拉索索力的调整来优化斜拉桥成桥恒载状态。
针对如何才能确定合理的成桥状态, 国内外许多学者都做了大量的研究并提出多种调整方法, 可以将这些方法归为三类:(l) 指定受力状态的索力优化, 包括刚性支承连续梁法、零位移法、内力平衡法、指定应力法、零弯矩法等;(2) 无约束的索力优化, 包括弯曲能量最小法、弯矩最小法等;(3) 有约束的索力优化, 包括用索量最小法、应力平衡法等。
而由于斜拉桥的最合理的成桥状态本来也没有一个统一的标准, 所以很难说哪一种方法一定优于另外的方法。
下面将各种方法的原理介绍如下:①刚性支承连续梁法这种方法是使用最早的方法之一, 它将斜拉桥主梁在恒载作用下弯矩呈刚性支承连续梁状态作为优化目标。
将主梁、索梁交点处设以刚性支承进行分析, 计算出各支点反力。
利用斜拉索力的竖向分力与刚性支点反力相等的条件确定最优索力。
这种方法的优点是使恒载内力最小, 力学概念明确、计算简单,且成桥索力接近“稳定张拉力” , 有利于减小徐变对成桥内力的影响。
但是, 通过施工来实施这种内力状态是困难的。
因为跨中段的弯矩与一次张拉力无关。
成桥后必须设法消除由中间合拢段及二期恒载引起的正弯矩效应。
这就要通过反复调索来实现,对密索体系较难控制。
此外,刚性支承连续梁法只顾及了梁的受力状况,而忽略了塔的受力状况,布置不当,就会在塔内引起较大的恒载弯矩。
②零位移法该法是通过合理选择索力, 使成桥状态在恒载作用下索梁交点处位移为零。
这种方法由于受力原理和刚性支承连续梁法类似, 因此,结果也很一致。
缺点也是塔的受力难以照顾到, 并且和刚性支承连续梁法一样, 由于会导致比较大的塔根弯矩, 在对于主跨和边垮的不对称度较大的斜拉桥几乎失去了作用。
③内力平衡法该法是以控制截面内力为目标,通过选择合理索力, 来实现这一目标。
控制截面可包括主梁和塔。
因此, 主梁和塔的内力都可照顾到, 效果会比刚性支承连续梁法和零位移法好。
该方法从思路上来看比较清楚简单, 但是对于多次超静定结构,要使多个截面的应力符合设计要求,并且索力均匀合理, 这是不容易达到的。
④指定应力法该法是以控制截面的应力为目标, 方法和效果与内力平衡法类似。
⑤零弯矩法零弯矩法的思想是: 每一拼装梁段的重量由此梁段中的斜拉索来平衡。
因而正在施工安装的梁段对已拼装的梁段不传递弯矩和剪力, 而只传递轴向力。
并指出了在施工误差影响下怎样进行转角微调, 但结果表明最终线形是折线形, 并不平顺。
而用零弯矩法计算的斜拉索初始张拉力不是最优的初始张拉力, 因此结构内力也不是最合理的。
此外, 零弯矩法不是一个完整的施工控制系统, 而且零弯矩施工控制方法只适用于对称结构悬拼法施工, 也使其应用受到一定的限制。
⑥弯曲能量最小法该法是以结构弯曲应变能作为目标函数, 如果不加任何约束, 则该法在应用时, 可转变为作一次结构分析的问题。
其中将梁、塔、索的轴向刚度取大数,梁、塔的弯曲刚度不变, 把全部恒载加在结构上, 所得的内力状态即为所求。
这样求出的结果一般弯矩比较小, 但塔根处和边索索力不均匀,需要通过人为调整。
另外, 由于该方法没有考虑活载的影响, 这样确定出来的索力还需要根据活载加以调整。
虽然该方法有这些缺点, 但是计算出来的索力可以作为参考。
⑦弯矩最小法该法是以结构（包括梁、塔、墩）弯矩平方和作为目标函数, 其结果与弯曲能量最小法接近。
⑧用索量最小法该方法以斜拉索用童（索力乘以索长）作为目标函数, 为了使目标函数最小, 即是求最小, 再增加一些约束条件, 如索力均匀性约束、控制截面内力约束等。
则约束条件是控制截面内力或节点位移在期望范围内。
这里对期望值可规定一个可以接受的范围, 而不是一个定值, 这样应用线性规划最优化方法便可得出满足约束条件的最优解。
但是需要注意的是,在使用这种方法的时候,必须合理确定约束方程, 否则容易引起错误结果。
⑨应力平衡法所谓应力平衡法不仅是恒载内力计算的问题, 也是选择拉索初张力的一种方法。
其基本原则是设计合适的斜拉索的初张力, 使结构各控制截面在恒载和活载的共同作用下, 上其缘的最大应力和材料允许应力之比等于下翼缘的最大应力和材料允许应力之比。
也就是说, 使控制截面能承担的内力与恒载、活载、徐变、温度变化及其他影响所产生的内力相平衡。
该方法的基本思路为: 根据主梁截面上下缘的拉压应力控制条件来确定其合理的预加力数量以及恒载弯矩的合理域。
合理预加力数量可作为预应力布置的依据。
实际布置的预加力通常比斜拉桥整体的合理预加力数量多, 根据实际预加力数量确定主梁恒载弯矩可行域, 该可行域即可作为确定合理成桥状态时的主梁恒载弯矩控制范围。
由于主梁只是斜拉桥整体结构中的一部分, 斜拉桥的合理成桥状态必须综合考虑主梁、塔、索和墩的受力,因此, 主梁恒载弯矩可行域必须具有一定的宽度。
⑩遗传算法用遗传算法分析斜拉桥恒载初始索力, 这是一种新尝试。
遗传算法是模拟自然界生物进化过程与机制求解极值问题的一类自组织、自适应人工智能技术。
它模拟达尔文的自然进化论与孟德尔的遗传变异理论,具有坚实的生物学基础; 它提供从智能生成过程观点对生物智能的模拟,具有鲜明的认知学意义; 它适合于无表达或有表达的任何类函数,具有可实现的并行计算行为;它能解决任何类实际问题, 具有广泛的应用价值。
而对于在斜拉桥索力优化中应用遗传算法时, 关键的问题是确定一个目标函数，这个目标函数以P.C.斜拉索的初始张拉力为参数, 其对应的极值解就是所要确定的P.C 斜拉桥恒载初始索力。
对于满足最小徐变准则对应的初始索力, 以往使用的方法其实都不能求解, 因为此时的初始状态并不明确, 而在应用遗传算法确定P.C 斜拉桥恒载初始索力的时候, 需要得到一个以斜拉索的成桥初始张拉力为参数的目标函数。
这个函数即使没有明确的数学表达式也仍然可以, 只是在确定了一组斜拉索的成桥初始张拉力时, 应当能知道此时对应的函数值。
最后函数对应于极值时所对应的参数值, 即为所要确定的恒载初始索力值。
应用遗传算法确定斜拉桥成桥恒载初始索力的优点是不需要明确地指定一个恒载初始状态, 而只须给出一个以初始张拉索力值为参数的目标函数, 因此可以应用于求解满足例如最小徐变准则等对应的初始索力, 并且对于多约束条件的情况有其优越性。
不过有一点是可以肯定的, 就是遗传算法在开始的时候往往上下两代的优良个体的变化非常剧烈, 表现在适应度上往往会有非常大的改变但是在遗传算法执行的后期, 上下两代优良个体的变化将会变得缓和这就是说采用遗传算法求解斜拉桥成桥恒载初始索力的时候, 其前期收敛速度很快, 而后期收敛速度则相对较慢。
从以上各种方法的介绍来看, 各种方法都有着自身的优点和缺点然而无论哪种方法, 都应当遵循以下基本的三、斜拉桥索力优化的原则l) 索力分布索力要分布均匀, 但又有较大的灵活性。
通常短索的索力小, 长索的索力大,呈递增趋势, 但局部地方应允许有突变。
尾索由于起锚固作用,其索力通常取较大的值,从而索的刚度较大, 对活载受力有利。
在所有的索中, 不宜出现较大或较小索力的索。
2) 主梁弯矩主梁弯矩通常是混凝土斜拉桥设计计算中的重点和难点, 在成桥状态下, 主梁弯矩要落在可行域内。
3) 主塔弯矩在恒载状态下, 主塔弯矩应考虑活载和混凝土后期收缩、徐变的影响。
在活载作用下,塔向江侧的位移比向岸侧的位移大, 并且混凝土后期收缩、徐变的影响往往使塔往江侧偏。
因此, 在成桥恒载状态下, 塔宜向岸侧有一定的预偏。
4) 边墩和辅助墩的支承反力边墩和辅助墩的支承反力在恒载作用下要有足够的压力储备。
最好在活载作用下不出现负反力, 但这种受力要求通常由配重或拉力支座来满足。
四、斜拉桥索力优化总结斜拉桥是一种复杂的高次超静定结构,其上部结构由主塔、主梁和拉索三部分组成,其中拉索只承受拉力,索塔和主梁是以承受压力为主的压弯构件,斜拉索的索力对结构体系的内力分布有很大的影响,是控制全桥受力的关键。
目前,针对斜拉桥成桥索力的确定和优化,国内外很多学者己经提出很多方法,但这些方法各有其侧重点和局限性。
通过优化得到了合理成桥索力,改善了结构受力性能,说明该方法具有一定的应用价值。
然后,根据施工顺序建立了斜拉桥正装分析模型,以所求得的最优成桥索力为目标,采用正装迭代法确定了斜拉桥的合理施工状态,得到了施工初拉力,对施工过程中结构的受力和变形进行了分析,发现在施工过程中结构安全储备较高, 指出了在施工中需要重点监测的部位和阶。