斜拉桥索力优化课件

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 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”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。”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。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。影响矩阵成桥索力计算的几个典型方法指定受力状态的索力优化法,以刚性支承梁法刚性支承梁法和零零位移法位移法为代表。刚性支承连续梁法将斜拉桥主梁在恒载作用下弯曲内力呈刚性支承连续梁状态作为优化目标。零位移法以结构在恒载作用下梁的节点位移为零作为优化目标。典型的斜拉索索力的无约束优化法是弯曲能量最弯曲能量最小法小法和弯矩最小法,弯曲能量最小法是用结构的弯曲应变能作为目标函数;弯矩最小法是以弯矩平方和作为目标函数。成桥索力计算的几个典型方法最小能量法最小能量法 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。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异）非线性效应基于线性理论建立的确定斜拉桥施工张拉力的影基于线性理论建立的确定斜拉桥施工张拉力的影响矩阵法存在一定的局限。响矩阵法存在一定的局限。混凝土斜拉桥施工过程中的结构几何非线性和混凝土的收缩、徐变引起的材料非线性，会使以线性方法确定的拉索施工张拉力失真。求解斜拉桥施工张拉力的非线性问题有如下特点：首先，影响矩阵反映的是结构参数之间的线性关系的内在联系，在非线性状态下，这种关系将随着结构状态的变化而变化。其次，结构刚度的非线性使得施工荷载在结构中的内力分配发生了改变。主梁设计是PC斜拉桥索力优化难点和关键难点和关键。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。人物，软件，方法人物：颜东煌，肖汝诚，秦顺全软件特色：桥梁博士，Midas，Ansys，Tdv，Matlab方法：影响矩阵法，数学优化方法，非线性问题的处理颜东煌(正装迭代法)正装迭代法的基本思路为：先假定一组张拉索力，按正装计算得到一个成桥状态，将该成桥状态与事先定好的理想成桥状态比较，按最小二乘法原理使两个成桥状态相差最小，以此来修正张拉索力，再进行新的一轮正装计算，直至收敛为止。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）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。秦顺全无应力状态法秦顺全无应力状态法无应力状态控制法确定施工索力无应力状态控制法确定施工索力建立起拉索无应力长度和斜拉索索力的对应关系，检算施工中间过程结构的安全度，实施可按照施工索力或者锚头拔出量(回缩量)。当斜拉桥分阶段施工中的应力控制需要时，斜拉索的无应力长度应分步到位。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计算。正装计算过程中，根据施工阶段结构受力的需要，每根斜拉索可多次张拉或放松，唯最后一次主动张拉（张拉到位）时需将该斜拉索的无应力长度通过张拉调整至成桥目标状态的无应力长度（计算值）。当考虑混凝土收缩、徐变的影响时，上述第2步得到的成桥状态将会偏离成桥目标状态，这时需通过人为地调整斜拉索使安装得到的成桥状态结构的内力满足成桥目标状态的要求，重新计标状态无应力长度，重新正装计算，直到收敛。线形的偏差通过预拱度来调整。无应力状态控制法大范围调整斜拉索索力或吊杆杆力方法，具体步骤如下：）计算调整前桥梁所有需要调整的斜拉索或吊杆的几何长度、内力、弹性伸长，设某根斜拉索或吊杆的编号是。）将步骤计算得到的索长或吊杆长减去斜拉索或吊杆的弹性伸长得到调整前号斜拉索或吊杆的原始长度。）同理计算全部调整完成后桥梁的全部斜拉索或吊杆的原始长度。）步骤的号斜拉索或吊杆的原始长度减去步骤的号斜拉索或吊杆的原始长度，得斜拉索或吊杆的原始长度差值。）将步骤得到的斜拉索或吊杆的原始长度差值作为斜拉索或吊杆的拔出量或回缩量拔出量或回缩量进行索力索力或吊杆力调整。调索软件TDV-addcon方法阳光软件通过计算程序确定斜拉桥最优索力.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）Ansys（1）Apdl目标索力的搜索（2）拉索的模拟Link单元（3）钢箱梁调索软件调索软件Ansys（1）一阶最优化计算方法（2）施工索力和主梁预转折角（3）钢箱梁白沙沟大桥 挂蓝悬臂浇筑施工扣挂系统 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各施工阶段最大拉应力的平方和为目标函数 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将扣索初始索力和索力调整量转化为等效温度荷载 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。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算例算例7.51-成桥未知荷载系数(零位移法).mcb7.51-成桥未知荷载系数(最小弯曲能量法).mcb7.53-未知索力求吊装钢桁拱_01.mcb7.53-未知索力求吊装钢桁拱BB(闭合1).mcb7.53-未知索力求吊装钢桁拱BB(闭合2).mcb7.54未闭合配合力成桥分析.mcb7.54未闭合配合力正装分析.mcbMidas未知荷载系数法使用未知荷载系数功能做斜拉桥正装分析 1.未知荷载系数的特点 2.未知荷载系数的使用方法 3.未知荷载系数的参数说明 4.考虑施工阶段的未知荷载系数例题 5.期待效果 Midas未知荷载系数法未知荷载系数的主要特点如下：(1)计算成桥阶段的未知荷载系数 计算满足成桥阶段的设计要求的各索的张力值，可用于倒装分析。(2)考虑施工阶段的影响，确定各施工阶段的未知荷载系数 可以不做倒装分析计算出满足成桥阶段设计要求的各施工阶段的索力。(3)提供成桥阶段和施工阶段的影响矩阵 分析施工过程中索力和桥型的误差原因，提供影响成桥阶段结果的影响矩阵。(4)可将影响矩阵转换为Excel文件 可将影响矩阵转换为包含计算公式的Excel文件，可用于调索和控制桥型。(5)可设置多种控制条件 控制条件可设置为位移、反力、桁架单元或梁单元的内力限制，限制条件的数量可任意多。(6)控制条件可输入固定值或上下限 因为可输入固定值和上下限，所以缩小了找不到未知荷载系数的概率。(7)可将未知荷载系数转换为荷载组合系数 在成桥阶段求出未知荷载系数后，可将其自动转换为荷载组合系数，为迅速查看结果提供了方便。Midas未知荷载系数法Midas未知荷载系数法Midas未知荷载系数法索力试算7.51-成桥未知荷载系数(零位移法).mcb7.51-成桥未知荷载系数(最小弯曲能量法).mcb通过未知荷载系数法求成桥目标状态通过正装计算得到拉索的施工索力，且满足成桥预定目标状态。7.54未闭合配合力成桥分析.mcb7.54未闭合配合力正装分析.mcb(1)计算成桥阶段的未知荷载系数 计算满足成桥阶段的设计要求的各索的张力值，可用于倒装分析。7.53-未知索力求吊装钢桁拱BB.mcb根据上述成桥状态求得的索力，在施工阶段考虑拉索未闭合配合力，正装计算得到拉索的施工索力，且满足成桥预定的目标。7.53-未知索力求吊装钢桁拱BB(闭合1).mcb使用程序的一些注意事项为什么7.53-未知索力求吊装钢桁拱BB(闭合2).mcb拉索力和成桥线形没有和预期的一致？达到成桥目标的考虑拉索未闭合配合力的正装分析.xls(2)考虑施工阶段的影响，确定各施工阶段的未知荷载系数 可以不做倒装分析计算出满足成桥阶段设计要求的各施工阶段的索力。7.53-未知索力求吊装钢桁拱_01.mcb影响矩阵(3)提供成桥阶段和施工阶段的影响矩阵 分析施工过程中索力和桥型的误差原因，提供影响成桥阶段结果的影响矩阵拉索的多次张拉体内力与体外力悬链线索单元信息2024/6/2674Midas Civil应用实例应用实例1u位置位置u非对称拱桥非对称拱桥u主跨主跨300m 300m u倾斜的拱肋倾斜的拱肋 u倾斜的吊杆倾斜的吊杆 u弯曲的主梁弯曲的主梁u无风撑无风撑南宁大桥南宁大桥Nanning Bridge Functional,aesthetic,social valuep三维平衡是关键所在三维平衡是关键所在p采用最小弯曲能量法和影响矩阵法确定拱肋合拢前的目标索力。采用最小弯曲能量法和影响矩阵法确定拱肋合拢前的目标索力。p采用基于无应力索长的正装计算方法，考虑拱肋节段切线安装和采用基于无应力索长的正装计算方法，考虑拱肋节段切线安装和拉索的几何非线性，根据目标索力来确定一次张拉的施工索力。拉索的几何非线性，根据目标索力来确定一次张拉的施工索力。p实施过程：施工控制指令包括索力和伸长量，采用频率法，压力实施过程：施工控制指令包括索力和伸长量，采用频率法，压力环和千斤顶油压表读数测量索力。环和千斤顶油压表读数测量索力。1 1、几个要点、几个要点 三维平衡关系三维平衡关系缆索系索系统布置布置图中 铁 二 局 集 团China Railway Erju2 2、施工方案、施工方案 斜吊扣挂方法斜吊扣挂方法南宁大桥特点南宁大桥特点 三维平衡问题三维平衡问题 2024/6/2679拱的施工拱的施工06-06-4949依次吊拱肋节段依次吊拱肋节段(E1-E7)(E1-E7)依次连接东拱节段依次连接东拱节段(E1-E7)(E1-E7)依次吊拱肋节段依次吊拱肋节段(W1-W7)(W1-W7)依次连接西拱节段依次连接西拱节段(W1-W7)(W1-W7)依次张拉扣索锚索依次张拉扣索锚索(EKN,WKN,EMN,WMN1-7)(EKN,WKN,EMN,WMN1-7)依次张拉横向拉索依次张拉横向拉索(HL1-6)(HL1-6)依次张拉风缆依次张拉风缆(WFL,EFL1-3)(WFL,EFL1-3)50-50-5353吊拱肋节段吊拱肋节段E8E8东拱合拢东拱合拢吊拱肋节段吊拱肋节段W8W8西拱合拢西拱合拢粱的施工粱的施工临时吊杆临时吊杆临时系杆临时系杆 临时横向对拉索临时横向对拉索Curving Box Girder Erection Scheme5454拆除扣索，第一次张拉临时系杆拆除扣索，第一次张拉临时系杆55-55-6767吊装主梁节段直到合拢，分次调整临时吊装主梁节段直到合拢，分次调整临时系杆内力系杆内力6868拆除风缆，拆除横向拉索拆除风缆，拆除横向拉索6969直系杆张拉，同步拆除部分临时系杆直系杆张拉，同步拆除部分临时系杆7070弯系杆张拉，同步拆除部分临时系杆弯系杆张拉，同步拆除部分临时系杆7171临时系杆拆除临时系杆拆除7272临时吊杆拆除临时吊杆拆除7373二期恒载，调整永久系杆和永久吊杆索二期恒载，调整永久系杆和永久吊杆索力力体系转换体系转换2024/6/26823 3、结构分析构分析初始平衡状态分析：初始平衡状态分析：影响矩阵法未知荷载系数功能影响矩阵法未知荷载系数功能最小弯曲能量法最小弯曲能量法约束条件约束条件合理可行结果合理可行结果3.1 3.1 3.1 3.1 目标状态目标状态目标状态目标状态3.2 3.2 施工过程分析施工过程分析考虑未闭合配合力的考虑未闭合配合力的施工过程正装分析施工过程正装分析弹性悬链线单元弹性悬链线单元无应力索长无应力索长切线安装切线安装Partial Model View for Structure Analysis未闭合配合力的计算未闭合配合力的计算拉索拉索 Elastic Catenary Cable Element 2024/6/26863.3 3.3 计算结果计算结果拱肋节段位移拱肋节段位移扣索力扣索力背索力背索力拱顶对拉索力拱顶对拉索力风缆力风缆力拱的推力拱的推力永久吊杆力永久吊杆力2024/6/2687节段端部位移列表节段端部位移列表StageArch RibSegment EndDX DYDZRX RY RZ(m)(m)(m)(rad)(rad)(rad)49NO.70.004 0.006-0.037 0.00000 0.00066 0.00005 42NO.6-0.015 0.001 0.042 0.00000-0.00122 0.00007 36NO.5-0.002 0.002 0.003 0.00001-0.00150 0.00016 29NO.4-0.021-0.007 0.040 0.00012-0.00094-0.00018 23NO.30.008 0.006-0.016-0.00013 0.00040 0.00006 16NO.20.006-0.002-0.008-0.00001 0.00025-0.00007 10NO.10.003 0.000-0.002-0.00002 0.00011 0.00001 2024/6/2688WKNWKN组索力组索力 WMNWMN组索力组索力 HLHL组索力组索力 2024/6/2691基础推力图基础推力图成桥状态下的吊杆力成桥状态下的吊杆力2024/6/2693Midas Civil应用实例应用实例1小结小结(1)(1)三三维维平平衡衡是是非非对对称称肋肋拱拱桥桥无无支支架架施施工工方方案案的的关关键键所所在。在。(2)(2)基基于于无无应应力力索索长长求求解解的的施施工工索索力力结结果果表表现现为为：各各施施工工阶阶段段拱拱肋肋线线形形得得到到状状态态良良好好，且且索索力力变变化化变变化化趋趋于平缓，施工索力和拱肋节段施工是相适应的；于平缓，施工索力和拱肋节段施工是相适应的；(3)(3)索索力力变变化化幅幅度度小小有有利利于于施施工工控控制制；索索的的一一次次张张拉拉方方便了施工。便了施工。(4)(4)由由Midas Midas CivilCivil软软件件实实现现，有有助助于于工工程程师师更更多多的的精精力力着眼于对结果的分析和判断。着眼于对结果的分析和判断。Midas Civil应用实例应用实例4珠江黄埔大桥北汊桥为单塔珠江黄埔大桥北汊桥为单塔钢箱梁斜拉桥，主跨钢箱梁斜拉桥，主跨383383米，米，主桥长主桥长705m705m。纵向设弹性约束，限制活载纵向设弹性约束，限制活载及风载作用下的主梁纵向飘及风载作用下的主梁纵向飘移，塔柱和主梁之间设置横移，塔柱和主梁之间设置横向锁定装置以及阻尼器，改向锁定装置以及阻尼器，改善结构抗震性能。善结构抗震性能。位位移移时时程程的的比比较较塔塔柱柱弯弯矩矩时时程程比比较较Midas Civil应用实例应用实例5宜宾长江大桥采用半漂浮结构体系，主桥为混凝土梁双索面斜宜宾长江大桥采用半漂浮结构体系，主桥为混凝土梁双索面斜拉桥，主桥桥跨布置为拉桥，主桥桥跨布置为184m+460m+184m184m+460m+184m，主桥共长，主桥共长828m828m。全部单元数全部单元数19271927个，施工加载过程个，施工加载过程421421个个,求解时间共计求解时间共计99619.1399619.13秒，计算结果文件大小约秒，计算结果文件大小约10 GB10 GB。斜斜拉拉索索计计算算结结果果主主梁梁应应力力结结果果图图使用阶段正截面法向应力验算使用阶段正截面法向应力验算 小结Ansys，tdv，midas，桥梁博士钢箱梁斜拉桥影响矩阵法，数学规划法PC斜拉桥混凝土收缩徐变效应正装迭代法我院近期设计的几座桥斜拉桥：宜宾中坝大桥宜宾菜园沱大桥江津观音岩长江大桥拱 桥：南宁大桥白沙沟桥