浅析斜拉桥的索力优化策略
2018-04-23
近几年来，随着社会主义现代化建设的不断进步，我国的现代桥梁工程建设也取得了很大的进步，斜拉桥以其结构新颖和跨越能力大等优势逐渐成为现代桥梁工程建设当中最具有竞争力、发展最为迅速的一种新型桥梁，从设计的角度来进行分析，可以得知成桥恒载内力的分布如何是桥梁结构在长期运营过程中保证其质量的关键部分所在，成桥的状态合理指的就是斜拉桥的索、梁、塔等构件在活载、恒载作用下做能承受的最小的受力状态。
1 关于索力优化的方法分析
根据研究对象所处的不同状态又可以将成桥的索力优化分为设计阶段的索力优化以及设计好但是还未参与施工的成桥索力优化和已经参与运营的成桥索力优化几种不同的类型，同样的，施工索力优化又可以分为纠正施工误差的索力优化和为了达到成桥索力的合理性而进行的索力优化。针对设计阶段的斜拉桥的索力优化，到目前为止，国内外已经有很多学者对此进行了深入的研究，具体可以分为以下几种类型。
1、刚性支承连续梁法。所谓的刚性支承连续梁法，是被指定的受力状态的优化方法中的重要代表，这种方法主要是将处于斜拉桥恒载作用下的斜拉桥主梁的呈刚性支承连续梁状态作为优化的目标，利用斜拉索力中的竖向分力和刚性支点的相等反力条件来确定最优索力，并且对减小对成桥内力造成的影响具有一定的作用。
2、索力无约束优化法。索力无约束优化法有内力平衡法和弯曲能量最小法两种主要方式，所谓的弯曲能量最小法指的就是将结构的弯曲能力作为一个目标函数，将结构作为内力平衡法的主要研究对象，并按照内力平衡的原则得到一个较为合理的斜拉索索力。
索量最小法。索量最小法就是索力的约束优化法，这一方法主要是讲斜拉桥索的用量作为研究的目标函数，用位移期望值和关心截面内力的范围作为一定的约束条件并进行相应的优化处理。
2 关于成桥索力的计算
成桥索力的计算主要是采用刚性支承的连续梁法、弯曲能量最小法、零位移法来计算成桥索力，其主梁和索力的计算结果如下图所示：
采用弯曲能量最小法、零位移法以及刚性支承连续梁法，所得出的索力均呈中索小、边索大，弯矩主梁的最大值都在塔根部，由于主塔和斜拉索为索鞍的方式连接，因此主塔的弯矩基本为灵。由刚性支承连续梁法计算所得出的索力在各处的值都偏大，并且边索的索力有较大的跳跃性，其他的索力较为均匀，主梁的弯矩在中塔和边塔出都有一定的跳跃性，其他的索力比较均匀，主梁中的弯矩在中塔和边塔处很大，由于主梁和桥塔中存在一定的轴力，就会使塔发生弯曲变形，利用该计算方法进行计算不可避免会产生一定的误差，使斜拉桥的主梁未能处于刚性支承的理想连续状态。采用零位移法所计算出的索力在边索处往往过大，而其余的索力则会处于比较合理的状态，主梁的弯矩只有个别点比较小，其他均处于合理状态，这种方法将索的水平分力影响计算在内，较为合理，但也只是考虑了梁的受力，而忽略了主塔的受力。采用弯曲能量的最小法计算出索力，在均匀度和数值的大小计算上较以上几种算法都显得更为合理，但也存在着一定的弊端，即计算得出的索力两端不够均匀，在塔处的主梁弯矩也较大，将此作为索力的局部进行调整，很容易会把受力状态调乱，也不会得到主梁与索同时受力的满意效果。
3 关于斜拉桥索力优化策略的思考
1、成桥合理状态下的索力必然是在满足成桥状态下力的平衡的索力，在使用方法当中。应当取用设计成桥的坐标作为节点的坐标，并相应的作出几何线性计算，如果需要做几何的非线性计算，就可以确定其平衡是在并行后所取得的，在变形前不能够使结构获得平衡，这样的算法反而不对。通过改变构件自身的刚度来重新对相应的内力进行分配，可以实现多种优化的设计目标共同受设计者选比，需要注意的是，其刚度不能去无限度的最小值，否则就会造成计算值得不稳定性。
2、通过改变构件自身的刚度来减小主梁弯矩的峰值效果，可以通过局部的微调索力来实现，通过调整墩顶的弯矩主梁来调整支承的刚度。做一次落架计算时施加的荷载应当是成桥后在结构上所施加的作用的所有外荷载，主要包括压重和结构自重，如果是将活载等其他的一些等代荷载对结构共同施加作用，就必须要考虑到活载等影响下的斜拉桥的索力优化效果，对于那些上下是对称的截面，则可以将弯矩活载包络图上的平分线作为等代的活载弯矩，这样就可以使结构在常规活载和恒载的作用下基本上处于一个中心受压的状态，如果在索力优化的同时需要制定特定的截面内力，就可以通过解除相应的约束，在相应的截面施加一定的内力，然后对其进行优化处理，我们通常所用的索力优化方法多数是一种利用索力优化法来影响矩阵法的简便方法，利用这种方法可以借助于常规的杆系结构分析的程序来使得斜拉桥的索力优化取得成功，在设计的初级阶段使用这种方法更为合理，同时也体现了常规结构与斜拉桥结构的不同设计思想。与影响矩阵的方法相比，我们所提出这只能够方法也具有一定的缺陷，一方面，它不能进行施工阶段的索力优化，不能进行不等变量的优化和有约束性的优化，另外，它也不能进行结构调值的计算。
3、利用综合法进行数据的模拟，可以有效地弥补刚性支承连续梁法、弯曲能量最小法、零位移法中的很多不足，并且使得索力计算更加完善合理，一些相似类型的桥索力优化的计算就可以借鉴这样的方法，在全桥的施工过程当中，边索索力的变化较大，而中索索力的变化就相对较小，这样就需要重点对边索索力的变化进行检测，斜拉索是斜拉桥当中比较灵活的一个构件，其索力的大小如何可以进行人为的调整，以此来改变整个斜拉桥的内力状态，随着新材料的应用、施工方法的不断改进以及设计理论的逐渐完善，斜拉桥的发展也逐渐开始进入一个崭新的时代，虽然目前斜拉桥优化的研究还存在着一定的缺陷，但只要研究者坚持不懈，就一定能找出并推广索力优化的实用方法。
4 结语
斜拉桥的跨度较大，并且其结构的受力能力较好，近几年来，在桥梁建设领域获得了很好的发展，斜拉桥结构在发展的过程中也逐渐开始呈现出多样性的特点，加强对成桥施工阶段的索力优化研究对于增强斜拉桥结构的合理性具有重要的意义，要想获得理想的成桥状态，其方法具有很多种，如上文我们所说的内力平衡法、最小弯曲的能力法、零位移法、刚性支承连续梁法等，这些方法尤其自身的优越性，但也分别存在一定的缺陷，只有加强对它们的综合使用和比较，并加以分析研究，才能对施工作出正确合理的指导，获得满意的效果。
参考文献
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