斜拉橋索力優(yōu)化方法綜述
2018-04-23 
   1 引言

   斜拉橋成橋狀態(tài)恒載內(nèi)力分布的好壞是衡量設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。理想的成橋狀態(tài)當(dāng)屬塔、梁在恒、活載作用下彎曲應(yīng)力小且均勻的受力狀態(tài)。無論怎樣的斜拉橋結(jié)構(gòu)體系,總能找出一組斜拉索力,它能使結(jié)構(gòu)在確定性荷載作用下,某種反映結(jié)構(gòu)受力性能的目標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。求解這組最優(yōu)索力,就是斜拉橋的索力優(yōu)化。

   2索力優(yōu)化基本方法及原理

   斜拉橋是高次超靜定結(jié)構(gòu),斜拉索索力具有可調(diào)性,故斜拉橋的設(shè)計(jì)中存在一個(gè)通過優(yōu)化成橋索力來優(yōu)化成橋內(nèi)力的合理成橋受力狀態(tài)確定問題,即選擇一組最優(yōu)的索力是斜拉橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在給定目標(biāo)下,已有的尋求最優(yōu)索力狀態(tài)分析方法歸結(jié)起來可分為兩大類:無約束索力優(yōu)化法和有約束索力優(yōu)化法。

   2.1無約束索力優(yōu)化法

   無約束索力優(yōu)化法是設(shè)定某一目標(biāo),尋求一組索力來滿足已設(shè)定的目標(biāo),此法僅關(guān)心反映受力性能的目標(biāo)達(dá)到最優(yōu),而不關(guān)心索力的大小及分布。無約束索力優(yōu)化法主要包括:簡支梁法、剛性支承連續(xù)梁法、零位移法、內(nèi)力(或應(yīng)力)平衡法、彎曲能量最小法及彎矩最小法。

  ?。?)簡支梁法

   簡支梁法是選擇一組合適的斜拉索初始張拉力,使主梁結(jié)構(gòu)的恒載內(nèi)力與主梁以斜拉索的錨固點(diǎn)為簡支支承的簡支梁內(nèi)力一致。這種方法簡單易算,但與實(shí)際情況相差太遠(yuǎn),一般不宜采用。

  ?。?)剛性支承連續(xù)梁法

   剛性支承連續(xù)梁法以斜拉橋主梁在恒載作用下的彎曲內(nèi)力呈剛性支承連續(xù)梁狀態(tài)為優(yōu)化目標(biāo),將主梁、索梁交點(diǎn)處模擬剛性支承進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,計(jì)算出各剛性支點(diǎn)反力,利用斜拉索索力的豎向分力與剛性支點(diǎn)反力相等的條件來確定最優(yōu)索力。

  ?。?)零位移法

   零位移法是以結(jié)構(gòu)在恒載作用下主梁和斜拉索交點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)位移為零作為優(yōu)化目標(biāo)。

   (4)內(nèi)力(或應(yīng)力)平衡法

   所謂內(nèi)力(或應(yīng)力)平衡法不僅是恒載內(nèi)力計(jì)算問題,也是選擇斜拉索初張力的一種方法。內(nèi)力(或應(yīng)力)平衡法的基本原則是,以控制截面內(nèi)力(或應(yīng)力)狀態(tài)為優(yōu)化目標(biāo),通過設(shè)計(jì)合適的斜拉索初張力,使斜拉橋結(jié)構(gòu)各控制截面在恒載和活載組合作用下,上翼緣的最大應(yīng)力與材料容許應(yīng)力之比等于下翼緣的最大應(yīng)力與材料容許應(yīng)力之比。

  ?。?)彎曲能量最小法

   彎曲能量最小法是以結(jié)構(gòu)的彎曲余能最小作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行索力優(yōu)化。

  ?。?)彎矩最小法

   彎矩最小法是以彎矩平方和作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行索力優(yōu)化。索力優(yōu)化問題就轉(zhuǎn)化為式線性代數(shù)方程的求解問題。

   2.2有約束索力優(yōu)化法

   有約束索力優(yōu)化法是指在確定了總體優(yōu)化目標(biāo)的同時(shí),又關(guān)心某些指定截面的內(nèi)力、位移的優(yōu)化方法。有約束索力優(yōu)化法主要有:限定索力法、用索量最小法、可行域法、最大偏差最小法和條件極值法。

   (1)限定索力法

   限定索力法是指使某種表現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能的目標(biāo)函數(shù)取得最優(yōu)解的同時(shí),又考慮到索力分布應(yīng)均勻而限定索力的大小范圍。

   這是一個(gè)有約束極值問題,用數(shù)學(xué)規(guī)劃法可以解出滿足索力約束條件下的彎曲能量最小時(shí)的施調(diào)索力。

  ?。?)用索量最小法

   用索量最小法是以索的用量(索力乘所長)作為目標(biāo)函數(shù),再增加索力均勻性、控制截面內(nèi)力、位移期望值范圍等約束條件。使用該法時(shí),必須合理確定約束方程,否則容易出錯(cuò)。

  ?。?)可行域法

   從控制主梁應(yīng)力的角度看,索力過大或過小都有可能造成主梁上、下緣拉應(yīng)力或壓應(yīng)力超限,故必定存在一個(gè)索力可行域,使主梁在各種工況下各截面的應(yīng)力均在容許范圍內(nèi),這就是可行域法的含義。

   主梁截面的應(yīng)力控制條件為:在結(jié)構(gòu)自重和活載共同作用下主梁截面的上、下緣最大拉、壓應(yīng)力均不超限。

   在主梁上施加預(yù)應(yīng)力可增大可行域范圍,調(diào)索最終的結(jié)果不僅應(yīng)使主梁恒載彎矩全部進(jìn)入可行域,而且索力分布應(yīng)較均勻。

  ?。?)最大偏差最小法

   最大偏差最小法是將可行域中參量與期望值的偏差作為目標(biāo)函數(shù),使最大偏差達(dá)到最小。這是一個(gè)隱約束優(yōu)化問題,最后歸結(jié)為一個(gè)線性規(guī)劃問題。該法適用于成橋狀態(tài)和施工中的索力優(yōu)化。

  ?。?)條件極值法

   條件極值法是指在優(yōu)化整體內(nèi)力的同時(shí),還需指定某些關(guān)心截面上的內(nèi)力為定值,則索力優(yōu)化問題即為條件極值問題。

   3綜合分析

   實(shí)際上,剛性支承連續(xù)梁法、內(nèi)力(應(yīng)力)平衡法、彎曲能量最小法、彎矩最小法等均可用影響矩陣的形式來表示,故均可歸結(jié)為影響矩陣法。

   4結(jié)語

   通過介紹有關(guān)斜拉橋索力優(yōu)化的若干種基本方法,比較和分析各基本方法之間的差異,以下幾點(diǎn)可供借鑒:

  ?。?)斜拉橋受力性能的好壞要根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)來評價(jià),并不能用單一的目標(biāo)函數(shù)來統(tǒng)一表示,因此,前述各種索力優(yōu)化法都有其局限性。

   (2)本文介紹的剛性支承連續(xù)梁法、內(nèi)力(應(yīng)力)平衡法、彎曲能量最小法、彎矩最小法等均可用影響矩陣的形式來表示,均可歸結(jié)為影響矩陣法,力學(xué)概念明確,實(shí)現(xiàn)程序化計(jì)算方便。

  ?。?)在計(jì)算機(jī)程序化的條件下,影響矩陣法可自動計(jì)入預(yù)應(yīng)力索的影響,使優(yōu)化結(jié)果更趨真實(shí)。

  ?。?)本文給出自選目標(biāo)、權(quán)量和約束的索力優(yōu)化方法,可以使設(shè)計(jì)者同時(shí)獲得多重目標(biāo)的最優(yōu)索力及其構(gòu)造內(nèi)力狀態(tài),方便設(shè)計(jì)者對多種方案進(jìn)行比選,具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

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