基于ANSYS的悬臂浇筑拱桥施工扣索索力优化

基于ANSYS的悬臂浇筑拱桥施工扣索索力优化

　 施工技术与测量技术 　

基于ANSYS的悬臂浇筑拱桥施工扣索索力优化

周叶军,周厚斌,张大伟

(西南交大土木工程学院,四川成都610031)

　　【摘　要】　将最优化理论引入到悬臂浇筑拱桥施工计算,采用ANSYS一阶分析法优化计算拱桥施工阶段扣索索力,确保施工安全和达到合理成桥状态。结果表明,该法优化效果显著,具有很高的应用价值。　　【关键词】　钢筋混凝土拱桥;　悬臂浇筑法;　索力优化;　一阶分析法　　【中图分类号】　U4451466　　　　　　　　　　　【文献标识码】　B

　　钢筋混凝土拱桥施工方法有支架现浇法、转体法、预制

悬拼法和劲性骨架法等。悬臂浇筑斜拉扣挂施工方法对场地要求不高,在我国山区的拱桥施工有广泛的应用价值。该法利用临时斜拉索扣住已浇筑好的拱圈节段,采用移动挂篮从拱脚开始对称逐段悬臂浇筑拱圈混凝土,直至拱顶合龙。采用斜拉扣挂法施工中的扣索索力对施工过程中拱圈内力、成桥后拱圈内力与线型有着直接影响,因此寻找一组合理施工的施工扣索索力是十分必要的,也是目前国内外研究的重点之一。预制悬拼的扣索索力计算,目前传统的方法有零弯矩法、零位移法。(弯矩法)),内力平衡法((文献[2])等。至于施工过程的索力,、倒拆与无应力状态法等确定。上述拉索索力计算方法往往要通过多次试算调整才能满足施工和成桥要求。因此近几年有学者将最优化理论引入到拱桥悬臂施工扣索索力计算中,并取得了较好的成果(文献[3])。本文基于ANSYS优化设计功能,将最优化方法(一阶方法)用于各施工阶段扣索索力计算,通过设置目标函数,约束设计变量和状态变量,迭代优化出最佳索力,确保施工安全。

n

m

Q(x,q)=+

f0

m

∑

i=1

Px(xi)+m

∑P

i=1

1

g

(gi)+

(6)

∑P

i=1

2

h

(hi)+

∑P

i=1

3

w

(wi式中:Q为无单位的无约束目标函数;Px、Pg、Ph、Pw为设计变量与状态变量的罚函数;f0;q为控制。

(7)所Pg(gi)=

ggi+λ2

(7)

式中:λ为大的正整数。这样当gi(x)≤gi不能满足将返

回一个很大的值,反之则返回一个很小的值。其它罚函数与此类似。

11112　搜索方向

若迭代结果xj未满足收敛条件,下一次迭代步长和搜索方向由式(8)确定。

(j+1)(j-1)j

(8)x=x+sjd式中:sj为搜索步长,采用黄金分割法和二次插值结合

的方法求得。搜索第一步按负梯度方向,以后由共轭梯度法确定。

(j)(j)(j-1)

(9)d=- Q(x,q)+rj-1d

rj-1=

jj-1T

()()(j-1)2

| Q(x,q)|

()

(

)

(j)

1　最优化计算方法与ANSYS优化模块介绍

111　最优化计算方法(一阶方法)11111　数学模型

)

(10)

11113　收敛条件

(1)(2)(3)(4)(5)

设有约束多变量最优化问题为:

minf=f(X)　X=[x1,x2,…,xn]

s1t1

gi(x)≤gi　(i=1,2,…,m1)hi≤hi(x)　(i=1,2,…,m2)wi≤wi(x)≤wi　(i=1,2,…,m3)

xi≤xi≤xi　(i=1,2,…,n)

对于一阶分析法,当循环满足以下任一条件时,程序将

终止计算

(j)(j-1)

(11)|f-f|≤τ

(j)(b)

(12)|f-f|≤τ

(13)ni=Ni式中

:fb为当前最优的函数值;ni、Ni分别为迭代次数

和用户指定的最多迭代次数。

[收稿日期]2008-03-12

[作者简介]周叶军(1983～),男,江西新干人,硕士研

()

式中:f为目标函数;X为设计变量;gi、hi、wi为状态变量。

使用一阶分析法将有约束问题通过添加罚函数转化为无约束问题。转化后的无约束目标函数形式为:

究生,研究方向:桥梁施工控制。

四川建筑　第29卷1期　2009102

211

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112　ANSYS优化模块介绍

ANSYS优化设计通常包括以下两个步骤:(1)

生成分析

阶段

12

表1　施工阶段划分

施工内容

1#扣索初拉,杀死索单元并

施工内容

文件。ANSYS程序运用分析文件构造循环文件,进行循环分

析。在分析文件中,模型的建立必须参数化,通常是使用优化变量作为参数。模型建立完成后进行求解,定义分析类型和分析选项,施加载荷,指定载荷步,完成有限元计算。然后进入后处理器中进行参数化提取结果,并赋值给相应的参数,即状态变量和目标函数。(2)建立优化过程的参数,进入优化处理器,指定分析文件。声明优化变量,即指定哪些参数是设计变量,

哪些参数是状态变量,哪个参数是目标函数。然后选择优化工具或优化方法。

ANSYS提供了2种优化方法:零阶方法(直接法)和一阶方法(间接法)。零阶方法使用所有因变量(状态变量和目标函数)的逼近,是通用的方法,可以有效地处理绝大多数的工程问题;一阶方法使用因变量的一阶偏导数,此方法精度很高,但消耗机时较多。ANSYS还提供了用户优化接口,以方便用户编写适合于自己问题的优化方法来使用。之后就是指定优化循环控制方式,进行优化分析。

加等效力

激活索单元,删除等效力并施加温度载荷

#

376#扣索初拉38拆除4#扣索

3预留

4段1/25678

518#扣索初拉52拆除6#扣索

调整1#扣索索力,杀死索单元并施加等效力

激活索单元,删除等效力并

施加温度载荷

2#段浇筑2/2

2#扣索初拉,杀死索单元,

6510#扣索初拉66拆除8#扣索

加效力

234#扣索初拉24拆除1#扣索

7172

11#扣索初拉,杀死索单元

并加等效力

激活索单元,删除等效力并施加载荷

2　工程算例

211　工程及模型简介

在建的西攀高速公路的白沙沟1号大桥,属箱型钢筋混凝土拱桥。采用挂篮悬臂浇筑施工工艺成拱150m,拱轴线采用悬链线,净矢高30m,1/5,数11988,主拱材料为C50,<j

151线。。

表1,以保证每节段7,有限元模型简化为平面杆(beam3)模拟,扣索采用杆单元link1)模拟,横隔板用集中力代替,挂篮用作用在挂篮型心集中力模拟,浇筑力用集中力与集中弯矩模拟。由于结构对称性,且此次计算只优化计算合龙前各阶段索力,模型只取半结构。考虑到扣塔在施工过程中有严格的位移限制,在有限元模型中将其转化为边界约束,有限元计算模型如图2所示。

图1　主拱及扣挂系统立面

拱圈节段除拱脚采用塔架现浇外其余部分均采用悬臂

浇筑、斜拉扣挂法施工。详细施工过程如表1所示。一个标准节段的施工过程如下:(1)当第i段混凝土强度达到85%设计强度后扣挂第i组扣锚索;(2)前移挂篮进行第i+1段混凝土浇筑;(3)浇筑第i+1段一半时,调整第i组扣锚索;(4)第i+1组混凝土达到设计强度85%,扣挂第i+1组扣锚索。

为充分考虑实际施工过程,ANSYS有限元模型中将每个标准施工节段的划分为7个。其中,由于ANSYS中无专用的索单元,用LINK单元模拟的索在利用降温法施加索力时需结合单元生死功能分两步实现(文献[4]),即第一阶段杀死索单元,施加等效索力,下阶段激活索单元并施加与前阶段大小相等方向相反的力。ANSYS中具体施工阶段划分见表1。

图2　有限元计算模型

212　优化变量的选取21211　目标函数

在拱桥施工过程中,拱圈截面的最大拉应力往往成为 …… 此处隐藏：3558字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……