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(jìn)程當(dāng)中，針對成橋吊桿索力進(jìn)行確定并完成有效優(yōu)化可謂是其關(guān)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(jìn)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(jié)構(gòu)為高次超靜定結(jié)構(gòu)，外部結(jié)構(gòu)則是不存在有推力的靜定結(jié)構(gòu)，整個(gè)橋的全部結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)對全橋結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的優(yōu)化調(diào)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(yùn)用該種方式，能夠?qū)⒌鯒U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(dāng)作相應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)，同時(shí)完成各個(gè)支點(diǎn)反力的合理計(jì)算，在此需注意的是支點(diǎn)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(yīng)的控制目標(biāo)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(shí)，針對來自于混凝土收縮以及預(yù)應(yīng)力、徐變等因素影響實(shí)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(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，獲取相關(guān)值。零位移法：此方法應(yīng)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(shí)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(diǎn)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(biāo)的。剛性吊桿法：其要求在吊桿上端和下端兩點(diǎn)位置之間所形成的相對位移為零，實(shí)質(zhì)性內(nèi)容是系梁和拱肋彎曲應(yīng)變能與拉壓應(yīng)變能二者之和可達(dá)最小值。通過有限元軟件的合理運(yùn)用進(jìn)行計(jì)算，可將足夠大的值賦予吊桿面積，進(jìn)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?；诖饲蟮玫牡鯒U內(nèi)力是吊桿索力。在計(jì)算過程中假設(shè)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(biāo)在于使得系梁或者是拱肋結(jié)構(gòu)彎曲應(yīng)變能力可達(dá)最小值，基于有限元計(jì)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(dá)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(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)自身彎曲應(yīng)變能是最小的。彎矩最小法：應(yīng)用此法的主要目的為使結(jié)構(gòu)控制截面彎矩平方和為最小，同樣是運(yùn)用有限元軟件精細(xì)化計(jì)算，系桿拱橋?qū)崿F(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(jié)構(gòu)軸向剛度，由于恒載作用，求的結(jié)構(gòu)內(nèi)力實(shí)際狀態(tài)，對應(yīng)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(chǔ)進(jìn)行施工，并且在工廠內(nèi)制作鋼拱肋，然后對橋臺進(jìn)行施工作業(yè)；在施工過程中，還要進(jìn)行臨時(shí)鋼管樁和支架施工操作，然后對主梁、拱肋鋼之間的混結(jié)合段進(jìn)行混凝土澆筑，尤其是張拉處縱橫向預(yù)力應(yīng)力鋼絞線一定要落實(shí)到位。對拱肋豎轉(zhuǎn)鉸進(jìn)行施工安裝，并且在系桿拱橋主梁之上拼裝兩側(cè)分別三分之一拱肋，在臨時(shí)系桿張拉過程中，將扒桿系統(tǒng)架設(shè)好；此后的施工步驟就是拱肋提升到預(yù)定處、在主梁上拼裝中部三分之一拱肋，然后對臨時(shí)系桿進(jìn)行張拉操作，并將其提升到預(yù)設(shè)位置。完成以上施工任務(wù)后，選擇合適的時(shí)間對拱肋進(jìn)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(jìn)行逐步張拉，而且還要對縱向預(yù)應(yīng)力進(jìn)行張拉；支架拆除后，完成體系的有效轉(zhuǎn)換，張拉剩余橫向預(yù)應(yīng)力鋼絞線。上述工序完成后，再對人行道板進(jìn)行施工操作，做好橋面鋪裝、欄桿以及橋梁附屬設(shè)施的施工作業(yè)，然后對索力進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以確保其滿足施工質(zhì)量要求。

2.實(shí)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?yàn)橛?jì)算實(shí)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(jì)算，實(shí)現(xiàn)吊桿索力的計(jì)算結(jié)果及其相應(yīng)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(shí)例橋是（65+65）米兩跨簡支系桿拱橋，拱梁固結(jié)，拱肋為等截面鋼箱雙肋平行拱，拱肋中距為27.25米，未進(jìn)行風(fēng)撐設(shè)置。拱軸線為二次拋物線，計(jì)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(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),吊桿采用平行鋼絲吊索，單座拱橋設(shè)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?yàn)閯傂缘鯒U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(shí)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(jìn)行特別指定，所以此法應(yīng)用的難點(diǎn)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(dá)到系梁降低最大彎矩，實(shí)現(xiàn)更為均勻分布系梁彎矩的預(yù)期目的。對比而言，基于進(jìn)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(shí)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(yīng)需要注意的是此類結(jié)果可以預(yù)期。無論是何種彎曲能量法均是將結(jié)構(gòu)的彎曲應(yīng)變能作為是相應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)的。彎矩最小法及彎曲能量最小法這兩種方法對應(yīng)的計(jì)算過程比較簡單，計(jì)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(shí)現(xiàn)均勻分布，仍需實(shí)施進(jìn)一步改進(jìn)，在系桿拱橋初設(shè)階段針對吊桿索力優(yōu)化實(shí)施確定的時(shí)候可選用此種方法。其中，不是認(rèn)為指定這兩種方式之下的成橋狀態(tài)，其相關(guān)目標(biāo)函數(shù)取極值時(shí)的結(jié)構(gòu)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(yùn)用影響矩陣工具，優(yōu)勢在于用戶可結(jié)合構(gòu)件重要性及其特征調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度矩陣，人為給出構(gòu)件優(yōu)化加權(quán)量，可實(shí)現(xiàn)靈活應(yīng)用。

針對吊桿索力以及構(gòu)件內(nèi)力、節(jié)點(diǎn)位移等因素進(jìn)行相關(guān)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(diǎn)所在，優(yōu)化結(jié)果會受到不同約束條件的直接影響，為實(shí)現(xiàn)理想優(yōu)化結(jié)果的有效獲取必須進(jìn)行在實(shí)際工程開展中進(jìn)行約束條件的合理設(shè)置?；谟屑s束彎曲能量最小法應(yīng)用可獲最好的成橋狀態(tài)及最優(yōu)索力優(yōu)化結(jié)果。所以在工程實(shí)例拱橋施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和施工監(jiān)控中可用此法。

3.結(jié)語

綜上可以知道，基于合理思路，選擇適用性較強(qiáng)的方式可實(shí)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(zhì)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(xué)明,李平.矮塔斜拉橋拉索初張力優(yōu)化[J].鐵道工程學(xué)報(bào). 2005(04)

G322

B

1007-6344（2015）05-0293-01