鋼—混疊合梁斜拉橋恒載索力優(yōu)化分析

姜開明+程慶慶+孫建鵬+張倩

摘要：為使鋼混疊合梁斜拉橋索力得到最大程度的優(yōu)化，利用ANSYS有限元軟件對某實際工程進(jìn)行建模、施加約束及荷載、求解等步驟之后，調(diào)用軟件的優(yōu)化分析模塊，以主梁的彎曲應(yīng)變能作為目標(biāo)函數(shù)，各拉索索力作為設(shè)計變量，采用一階分析法進(jìn)行迭代優(yōu)化，從而獲得優(yōu)化的拉索索力。分析結(jié)果表明：該優(yōu)化方法是準(zhǔn)確、有效的，可以用于疊合梁斜拉橋的索力優(yōu)化；疊合梁斜拉橋優(yōu)化后的各索索力及索力分布規(guī)律對同類型疊合梁斜拉橋達(dá)到合理成橋狀態(tài)時的索力判定及調(diào)整具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：疊合梁斜拉橋；恒載索力；優(yōu)化分析：分布規(guī)律

中圖分類號：U448.27文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： In order to optimize the cable tension of cablestayed bridge with concrete-steel beam， the model for a bridge project was built with ANSYS， and constraints and loads were applied. The optimized cable tension was obtained by calling the optimization analysis module of ANSYS， using the bending strain of main beam as objective function， setting each cable tension as design variables and applying firstorder methods for iterative optimization. The results show that the optimization is accurate and effective， and the distribution of cable tension after the optimization helps to determine and adjust the cable tension when the bridge is completed.

Key words： cablestayed bridge with concretesteel beam； dead load cable tension； optimization analysis； distribution

0引言

疊合梁斜拉橋是在鋼結(jié)構(gòu)主梁上鋪裝混凝土結(jié)構(gòu)橋面系的一種特殊結(jié)構(gòu)，主梁與橋面系通過連接件共同受力。鋼材與混凝土的結(jié)合，可以充分發(fā)揮材料的優(yōu)勢，形成強度高、剛度大、延性好的結(jié)構(gòu)形式[12]。與其他類型的斜拉橋類似，確定最優(yōu)的成橋索力是疊合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵問題。同時，基于其獨特的結(jié)構(gòu)形式，使得在確定該種橋型恒載索力的過程中存在著與其他斜拉橋不同的問題[35]。

在優(yōu)化斜拉橋索力的問題上，常見的優(yōu)化方法有：彎矩最小法、彎曲能量最小法、零位移法、應(yīng)力平衡法、剛性支承連續(xù)梁法、影響矩陣法等。當(dāng)跨徑較長使得斜拉橋擁有較多拉索時，零位移法或剛性支承連續(xù)梁法將難以獲得最優(yōu)的成橋狀態(tài)。喬建東，陳政清[6]提出的最小應(yīng)變能法能很好的適應(yīng)多根拉索優(yōu)化的問題，然而卻無法計入預(yù)應(yīng)力鋼束的影響，且計算過程繁瑣；隨著計算機的大力發(fā)展，有限元在優(yōu)化分析中的地位越來越突出，張建民、肖汝成[7]將ANSYS最優(yōu)化計算工具引入斜拉橋索力優(yōu)化過程中，以預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋為算例，采用一階分析法來確定斜拉橋的恒載索力，開啟了ANSYS優(yōu)化模塊在確定斜拉橋恒載索力方面的應(yīng)用。本文以某獨塔雙索面鋼混疊合梁斜拉橋為工程實例，通過ANSYS為其建模、施加約束及荷載、求解，隨后調(diào)用ANSYS優(yōu)化模塊，將一階分析法應(yīng)用于其恒載索力的優(yōu)化計算中。

1優(yōu)化算法

在結(jié)構(gòu)工程的最優(yōu)化設(shè)計中，最關(guān)鍵的一步即如何利用數(shù)學(xué)模型將問題快速、準(zhǔn)確的表示出來[8]。一階分析法可以體現(xiàn)出不同設(shè)計變量對目標(biāo)函數(shù)的影響程度，因此適用于對精度要求較高的優(yōu)化問題。本文在對鋼混疊合梁斜拉橋索力進(jìn)行優(yōu)化的過程中，將實際工程進(jìn)行數(shù)學(xué)模型化，運用數(shù)學(xué)規(guī)劃的方法獲得最優(yōu)解，利用一系列不等式將結(jié)構(gòu)中所有的設(shè)計變量轉(zhuǎn)換為約束條件，用目標(biāo)函數(shù)表示最能體現(xiàn)設(shè)計要求的變量，然后通過數(shù)學(xué)方法獲得最終的設(shè)計變量，這些設(shè)計變量滿足所有約束條件并且使目標(biāo)函數(shù)值最小。

1.1優(yōu)化目標(biāo)的確定方法

要達(dá)到斜拉橋合理成橋狀態(tài)考慮主梁線形合理的同時還應(yīng)使控制截面彎矩值盡可能小[9]。采用最小能量法對結(jié)構(gòu)索力進(jìn)行優(yōu)化，選取斜拉橋結(jié)構(gòu)的彎曲應(yīng)變能J（F）做為目標(biāo)函數(shù)，其計算公式如下

式中：E為構(gòu)件的抗彎剛度；s為主塔或主梁變形后的弧長；n1為斜拉橋結(jié)構(gòu)上拉索的根數(shù)；Fj為第j號斜拉索的初始索力；m為參與計算結(jié)構(gòu)彎曲應(yīng)變能的構(gòu)件總數(shù)；M（Fj）為成橋狀態(tài)主塔或主梁彎矩。

在優(yōu)化斜拉橋索力時，一旦確定了橋梁跨徑、構(gòu)件尺寸、拉索間距等基本參數(shù)，就能確定一組最為理想的拉索索力，使得目標(biāo)函數(shù)J（F）最小。

假定結(jié)構(gòu)共有n2個控制節(jié)點，第j號拉索容許初始索力的上、下限分別為F-j、Fj-，第j號關(guān)鍵控制節(jié)點容許應(yīng)力的上、下限分別為σ-i、σ-i，此時約束目標(biāo)函數(shù)可由公式（2）來表示。

將上述有約束的目標(biāo)函數(shù)增廣為無約束的函數(shù)，增廣后的目標(biāo)函數(shù)用公式（3）表達(dá)。

式中：qm為懲罰因子，決定目標(biāo)函數(shù)滿足約束的程度，取值范圍為0.1～1.0；J（0）為不施加索力時斜拉橋結(jié)構(gòu)的彎曲應(yīng)變能；Pσ、PF為狀態(tài)變量σi和設(shè)計變量Fj的罰函數(shù)。

確定搜索方向的方法有多種，本文選擇共軛向量法，迭代位置m共軛向量用dm表示；初始共軛向量用d0表示；組合系數(shù)為rm-1，在確定dm之后通過公式（5）獲得第m+1個迭代位置，其中λm表示線搜索步長，λmax為最大的迭代次數(shù)，λm為最大可能的子迭代數(shù)。

獲得Fm+1j后按特定準(zhǔn)則判斷該迭代位置是否為合理位置，該準(zhǔn)則由公式（6）表示，其中τ為收斂公差。若結(jié)果滿足公式（6），程序會自動停止計算，跳出迭代循環(huán)；若不滿足，將得到一個新的搜索方向，開始運行下一輪的計算，多次迭代直至滿足收斂準(zhǔn)則。

1.2索力優(yōu)化的過程

首先，利用ANSYS前處理模塊，為鋼混疊合梁斜拉橋建立有限元模型，對結(jié)構(gòu)施加約束并按實際工程狀況施加荷載，進(jìn)行數(shù)學(xué)分析運算。然后，由ANSYS后處理功能讀取程序數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，以備后續(xù)優(yōu)化迭代工作使用。最后，調(diào)用ANSYS優(yōu)化模塊，設(shè)計變量選定斜拉索張拉力，目標(biāo)函數(shù)為結(jié)構(gòu)的彎曲應(yīng)變能，設(shè)置程序跳出循環(huán)迭代的條件，提取最終的設(shè)計變量值，即優(yōu)化后的拉索索力，完成對斜拉橋成橋狀態(tài)的恒載索力優(yōu)化[10]。

2應(yīng)用算例

2.1工程概況

本文選取某鋼混疊合梁斜拉橋為研究對象，該橋采用獨塔空間雙索面結(jié)構(gòu)形式，橋跨布置為（130+150）m。橋塔為鉆石型混凝土索塔，總高為994 m，橋面以上塔高為83414 m；主梁采用工字型鋼縱梁，順橋向布置于行車道和人行道結(jié)合處的正下方，橫向中心間距為255 m，梁高為28 m；小縱梁沿橋面中線布置，梁高為094 m；鋼橫梁順橋向每間隔4 m一道，分2種規(guī)格按置于拉索處和非拉索。橋面鋪裝分為預(yù)制和現(xiàn)澆2部分，預(yù)制完成后用存放不少于6個月的混凝土板吊裝，在鋼縱橫梁頂面上部現(xiàn)澆混凝土濕接縫，加鋪10 cm厚的瀝青混凝土。索面結(jié)構(gòu)為扇形，全橋共64根拉索，分2個索面在空間內(nèi)對稱布置。

2.2有限元模型

本文利用ANSYS建模并分析，計算模型立面如圖1所示。其中主塔及主梁考慮材料非線性及幾何非線性作用，均采用beam188單元，主塔材料為C50，彈性模量為3.45×1010 Pa；各種鋼梁均采用Q345qD結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為21×1010 Pa；拉索采用link10單元，標(biāo)準(zhǔn)強度為1 860 MPa，初始彈性模量為1.95×1011 Pa，利用等效彈性模量公式考慮拉索垂度影響；橋面板采用shell181單元，厚度為036 m。3D模型效果如圖2所示。

2.3優(yōu)化分析過程

利用軟件的APDL語言在TXT文檔上編寫命令流，將實體模型轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型?？紤]到該疊合梁斜拉橋2個索面的拉索是對稱的，張拉索力也相同，為節(jié)省計算空間，在優(yōu)化模塊中取同一索面內(nèi)所有拉索索力值作為設(shè)計變量。在ANSYS中斜拉索索力值可以由初應(yīng)變的形式體現(xiàn)，因而在文檔中定義了B1～B16和Z1～Z16共32個設(shè)計變量來存儲拉索的初應(yīng)變值；命令流文件編寫完成后運行程序并計算，用 GET命令提取主塔及主梁上各控制界面的彎矩值，再利用公式（1）求取目標(biāo)函數(shù)值；程序自動將此時的積分結(jié)果與上一輪的計算結(jié)果做對比，不滿足公式（6）時進(jìn)入下一輪迭代，多次重復(fù)迭代直至目標(biāo)函數(shù)值滿足要求時自動跳出循環(huán)，整個過程由軟件自動完成；待程序運行結(jié)束時，提取設(shè)計變量即為所求的設(shè)計標(biāo)量，此結(jié)果滿足目標(biāo)函數(shù)最小的需求。

2.4優(yōu)化結(jié)果分析

提取優(yōu)化前后的鋼混疊合梁斜拉橋索力值，并將2組數(shù)據(jù)對比，優(yōu)化前后拉索索力值結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯鲈诳拷鼧蛩s1/3橋跨范圍內(nèi)，優(yōu)化前后的索力值變化很??；遠(yuǎn)離索塔的B13、B14、B15、B16、Z15、Z16拉索拉力明顯降低；其余拉索的索力值在優(yōu)化后均有不同程度的增加。此結(jié)果顯示整座橋的索力最大值在優(yōu)化后有明顯的降低，索力最小值基本不變，符合拉索索力的均勻性特點。

圖4為主梁控制節(jié)點最大位移隨迭代次數(shù)的變化，由圖4可以看出，第7次迭代后優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)值和第6次結(jié)果很接近，差值滿足收斂條件，此時程序自動跳出循環(huán)，完成優(yōu)化分析，整個過程耗時僅幾分鐘，工作效率非常高。優(yōu)化前主梁節(jié)點最大位移為0.126 69 m，優(yōu)化后為0.015 903 m，是優(yōu)化前的12.55%，優(yōu)化效果很明顯。圖5為優(yōu)化前后的主梁彎矩值，從圖中可以看出優(yōu)化后的彎矩峰值較優(yōu)化前有明顯降低，且主梁彎矩分布更加合理。

3結(jié)語

本文通過理論推導(dǎo)闡明了ANSYS的一階分析法思想，運用APDL語言對在建的鋼混疊合梁斜拉橋工程進(jìn)行建模計算。分析時調(diào)用軟件自帶的優(yōu)化分析模塊，通過一階分析法反復(fù)迭代獲得優(yōu)化后的拉索索力，優(yōu)化后主梁線形更加平順，主梁彎矩分布更加合理。從而驗證了一階分析法能夠很好地適用于鋼混疊合梁斜拉橋索力優(yōu)化，這為以后相同類型橋梁的設(shè)計提供參考。同時，建模過程采用編寫命令流形式，使用參數(shù)化語言進(jìn)行分析，在調(diào)試的過程中對多種設(shè)計方案的反復(fù)分析只需修改其中的個別參數(shù)就可以實現(xiàn)，后期運算的過程亦是由計算機按照設(shè)定的目標(biāo)自主完成，這種方式極大地提高了分析效率，大大節(jié)省了時間。

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[責(zé)任編輯：高甜]