预应力混凝土斜拉桥成桥和施工阶段索力优化理论研究和实践.doc
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1、分类号 U44 单位代码 10618密 级 学 号 05260145 硕 士 学 位 论 文论文题目:预应力混凝土斜拉桥成桥和施工阶段索力优化理论研究和实践Completed bridge and construction stages cable-force optimization theory and practice in prestressing force concrete cable-stayed bridge 研究生姓名: 戚良俊 导师姓名、职称: 杨渡军 教授 申请学位门类: 工学 专 业 名 称: 桥梁与隧道工程论文答辩日期: 二零零八年七月三日学位授予单位: 重 庆 交
2、通 大 学答辩委员会主席: 谢远光 评阅人: 谢远光 王俊生 二零零八年七月 重庆交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名: 日期: 年 月 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人
3、授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库,并进行信息服务(包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等),同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名: 指导教师签名:日期: 年 月 日 日期: 年 月 日本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊(光盘版)电子杂志社CNKI系列数据库中全文发布,并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。学位论文作者签名: 指导教师签名:日期: 年 月 日 日期: 年 月 日摘 要
4、斜拉桥的设计往往是从确定成桥状态开始,然后根据确定的成桥状态用正装迭代法或正装倒拆迭代法确定施工状态,最后通过施工过程控制来达到事先确定的成桥状态。因而合理地确定斜拉桥的成桥状态,就成为设计首先要解决的关键问题。斜拉桥的合理成桥状态确定之后,斜拉桥的其它设计计算才有实际意义。关于如何确定预应力混凝土(简称PC)斜拉桥的成桥状态,工程师们已总结出很多的方法,这些方法各有特点及条件。本文在对几种方法进行深入研究的基础上,利用数学优化理论,创造性地提出并实践了综合采用最小弯曲能量法、应力平衡法、用索量最小法的多目标多约束索力优化理论。关于如何确实斜拉桥施工中的初拉力,本文不拘于其他学者的思路,弱化了
5、成桥合理状态的严格限制,创造性地提出并实践了直接在在施工阶段计算中用优化理论通过一次优化确定施工阶段初拉力的方法,同时确定合理成桥状态和理想施工状态,减少了很多迭代和试算的过程,具有一定的应用前景。关键词:斜拉桥,成桥状态,施工阶段,索力优化 ABSTRACTThe design of cable-stayed bridge often begins from confirming the complete bridge state, to confirming construction state with forwards iterative method or forwards-back
6、wards iterative method based the confirmed complete bridge state, last to achieving the confirmed beforehand complete state by construction process control. So confirming rationally cable-stayed bridge complete state becomes the povotal problem to solve firstly in design. Only when cable-stayed brid
7、ge rational complete bridge state has been confirmed, other cable-stayed bridge design and calculation has actual significance.About how to confirm complete bridge state of prestressing force concrete (abbr. PC) cable-stayed bridge,engineers have found many methods by summing up, and these methods h
8、ave respective characters and conditions. Baseing on in-depth study in several methods and making use of mathematic optimization theory, this paper brings forward creatively and practices the multi-goal and multi-constrainer cable tension optimization theory which adopts synthetically the minimal be
9、nd energy method, stress balance method and minimal cable amount method.About how to confirm cables first tension in cable-stayed bridge construction process, this paper brings forward creatively and practices the method which confirms cables first tension in construction process only by once optimi
10、zation calculation, it is out of other scholars thought and weakens the strict constrainers from the rational complete bridge state. This method can confirm rational complete bridge state and perfect construction states at one time, reduces much iterative and trial calculation process, has some appl
11、ied foreground.Key words: cable-stayed bridge, complete bridge state, construction stages, cables tenstion optimization第一章 绪论 16目 录第一章 绪论11.1斜拉桥发展概述11.1.1斜拉桥的结构特点11.1.2斜拉桥的发展及取得成就11.1.3本世纪斜拉桥的发展趋势51.2问题的提出51.3研究现状81.4本文的主要内容9第二章 斜拉桥结构分析基本理论112.1概述112.2斜拉桥的静力分析122.2.1斜拉桥平面分析122.2.2斜拉桥空间分析132.2.3斜拉桥几何
12、非线性分析142.2.4其它计算问题142.3索力优化理论152.3.1索力优化的基本概念152.3.2斜拉桥索力优化基本方法介绍162.3.3斜拉桥设计和施工监控中的多目标索力优化问题222.3.4多目标优化的基本概念23第三章 斜拉桥成桥索力优化理论与实践283.1概述283.2确定斜拉桥合理成桥恒载索力的多目标优化法283.3忠县长江大桥主桥结构介绍313.3.1主梁313.3.2斜拉索323.3.3伸缩缝和支座323.3.4索塔总体设计323.3.5塔柱设计333.3.6塔柱横梁设计343.3.7塔墩设计343.4成桥有限元模型简述343.5初拉力荷载影响矩阵的求法353.6主梁恒载弯
13、矩可行域的控制条件计算363.7成桥索力优化MATLAB程序结构393.8优化结果的比选403.9小结44第四章 斜拉桥施工阶段索力优化理论与实践454.1概述454.2确定斜拉桥施工阶段初张力的优化方法464.2.1索单元体外力初拉力荷载的概念464.2.2索单元施工阶段初拉力对结构内力影响矩阵的概念464.2.3确定斜拉桥施工阶段初张力的线性规划数学模型474.2.4优化计算步骤494.3忠县长江大桥主梁施工顺序494.4忠县长江大桥施工阶段有限元计算模型概述534.4.1模型概述534.4.2前支点挂篮的模拟544.4.3结构施工阶段划分554.5施工阶段初拉力荷载影响矩阵的求法554.
14、6施工阶段索力优化MATLAB程序结构594.7优化结果604.7.1目标实现情况604.7.2约束条件的满足情况634.8小结63第五章 结论与展望695.1主要结论695.2展望69致谢71参考文献72在学期间发表的论著及取得的科研成果74第一章 绪论1.1斜拉桥发展概述1.1.1斜拉桥的结构特点斜拉桥又称斜张桥,其上部结构由主梁、拉索、主塔三类构件组成,是一种桥面体系以加劲梁受压(密索)或受弯(稀索)为主、支撑体系以斜拉索受拉及桥塔受压为主的桥梁。斜拉桥利用从塔柱上伸出的张紧的斜拉索作为梁的弹性支承点,可大大降低主梁的弯矩,改善主梁受力状态。而且主梁高度小,并不随桥梁跨径的增大而加高,这
15、显示出它很强的跨越能力。斜拉索的水平分力对主梁产生强大的轴向压力,采用预应力混凝土主梁不仅能充分发挥材料的力学性能,而且能增加主梁的强度和抗裂性。所以,预应力混凝土斜拉桥在技术、经济上显示出很大的优越性。现代结构理论、高强材料、计算机技术及施工方法的进步,使斜拉桥在近50年间得到迅速发展,并使其以良好的结构性能、较大的跨越能力、合理的经济指标以及优美的建筑造型,在现代桥梁结构呼有越来越重要的地位。1.1.2斜拉桥的发展及取得成就1,2,4,7斜拉桥的设想和实际中的应用发展可回溯到十七世纪,威尼斯工程师Verantius就曾建造过一座有几根斜拉铁链的桥。这一设想被以后若干世纪的工程师和建造者所重
16、视,但由于当时材料性能和设计理论的制约,使几座早期的斜拉桥发生倒塌事故,在很长的一段时间内,斜拉桥的发展几乎成为空白。1938年德国工程师迪辛格尔(F.Dischinger)首先重新认识到斜拉桥这一结构体系的优越性,对斜拉桥开始了新的研究,经过继续不断的进行实践与发展以后,直到1950年才在西德演变成现代时期的斜拉桥形式。由西德承包商德马格(Demag)公司与迪辛格尔教授合作,第一座现代斜拉桥斯特罗姆松德桥(Stroemsund)于1955年,在瑞典建成。德国首先推广了钢斜拉桥。此后在我国及其他国家大量采用预应力混凝土斜拉桥,以后又发展了各种复合型的斜拉桥,使这种桥得到了很大的发展。尤其是采用
17、计算机技术为主要手段对桥梁本身以及周围介质对结构的影响进行分析后,使空间、非线性以及动力计算上诸多难题得到较完善的解决。同时由于斜拉索材料、预应力技术和安装手段的进步,使斜拉桥成为在上世纪中桥梁跨度发展最快的桥型,斜拉桥跨径纪录不断被刷新(见表1.1)。斜拉桥在我国的建造始于1975年四川省云阳县跨径76米的双塔双索面钢筋混凝土斜拉桥。此后,在吸收国外先进技术和经验的基础上,我国斜拉桥建设和技术有了长足的发展,并从80年代末、90年代初开始长大斜拉桥的设计与施工,至今己建跨径超过200米的各种类型斜拉桥近50座,其中跨径超过400m的已有18座,南京长江第二大桥跨度达628m。我国已经建成的苏
18、通长江大桥和昂船洲大桥均为跨度超过1000米的特大斜拉桥,这充分表明仅近十来年时间我国斜拉桥的建设水平已跨入世界先进行列。表1.1 斜拉桥世界纪录(worldsrecord of cable-stayed bridge)序号桥名国家主跨结构型式完成年份1Stroemsund桥瑞典183辐射形索,门形框架塔,板梁19552杜赛尔多夫北桥德国260竖琴形索,钢塔,钢主梁19573科隆Severin桥德国302放射形索,A形塔,漂浮体系19594主L赛尔多夫Knie桥德国320竖琴形索,主孔钢梁,边孔挂梁19695DuisburgNeuenkamp桥德国350单柱式塔,钢主梁,扇形单索面19716S
19、aintNazaire桥法国404正交各向异性箱梁,A形塔,放射形索19757Luna桥西班牙440PC主梁,双塔双索面,扇形索19848安娜西斯桥加拿大465叠合梁,双塔双索面,扇形索19869Skarnsundet桥挪威530PC主梁199110杨浦大桥中国602双塔双索面扇形布置,叠合梁199311诺曼底桥法国856主孔钢梁,边孔挂梁199412多多罗桥日本890主孔钢梁,边孔挂梁199913苏通大桥中国1 088钢箱,A型塔2008我国是大跨PC斜拉桥修建数量最多的国家,有多座主跨300米以上的PC斜拉桥(见表1.2)已建或在建,规模之大,建桥技术发展之快,说明我国在世界混凝土斜拉桥领
20、域占有及其重要的地位。随着我国基础建设的迅猛发展,将要修建一些跨越大江大河甚至跨海峡的桥梁,PC斜拉桥将以其跨越能力大、结构空气动力稳定性好(混凝土阻尼系数要比钢材阻尼系数大一倍)、造价及后期养护费用相对较低的优势而得到广泛的应用。我国长大斜拉桥技术发展主要成就有:1.主梁材料多样化和形式的完善。除修建了混凝土斜拉桥外,在更大跨度上,为减轻桥梁结构自重,节省投资,还修建了叠合梁斜拉桥及混合梁斜拉桥、全焊钢斜拉桥。并对叠合梁斜拉桥许多关键技术作了重大改进。主梁断面形式除采用抗风性能良好的流线形箱形截面外,混凝土长大斜拉桥主梁断面逐渐演变为双边肋板式断面。表1.2 中国已建成300米以上PC斜拉桥
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