（工程力学专业论文）简支转连续梁桥预应力优化设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术和交通事业的发展，预应力混凝土连续梁桥以其施工简便、 造价经济、受力合理、行车舒适等独特优势在近年来得到了迅速崛起，成为最 富有竞争力的主要桥型之一。在连续梁桥常用的几种施工方法中，简支连 续施工方法是一种经济有效的施工方法，简支转预应力结构连续梁桥与预应力 混凝土连续梁桥相比，其造价低得多，是一种较优的施工方法和结构体系。克 服了仅用普通钢筋连接的开裂、预应力与非预应力不同受力结构间变形以及应 力的不协调性问题，加强了主梁连接部负弯矩区的应力储备，使桥梁结构的连 续性能佳，整体性能好。为了保证足够的应力储备，良好的的连续性和整体性， 主梁连接部位的二次预应力张拉成为一个比较重要的研究课题。本文在学习和 总结前人研究工作的基础上，结合襄樊汉江四桥引桥的工程实践，围绕着简支 转连续过程中二次预应力的张拉进行了较为深入的分析和计算研究。 本文回顾了国内外简支转连续的研究现状，讨论了简支转预应力连续梁桥 的特点，并对其受力合理性进行了分析，提出了论文研究的主题，即简支转预 应力结构连续过程中，二次预应力张拉参数的合理配置将对成桥后的结构产生 重要影响。 对简支转连续过程，结构挠度计算，内力及次内力计算等进行了理论分析。 结合襄樊汉江四桥的工程实例，对简支转预应力连续结构施工过程的各施工阶 段进行计算分析。通过数值模拟计算，得到了一些具有实际 ：程意义的结论。 i 司时通过改变二次预应力张拉的三个主要参数预应力索的长度，数量，以及张 拉控制应力，得出不同的参数组合，算出相应的应力结果，为优化提供计算方 法和合理的样本。 分析和讨论了神经网络和遗传算法用于结构优化计算的理论，通过改变预 应力短索长度，数量，张拉控制应力等参数，对简支转预应力连续结构进行数值 模拟计算，将模拟计算值作为神经网络的输入参数，来训练b p 网络，将训练好 的b p 网络，为遗传算法进行的过程中提供正确的映射关系，找到最优解。 本文用优化设计理论和人工神经网络、遗传算法，从理论上找到了合理配 置二次预应力的最优方案，节省原材料的投入，降低成本。利用人工神经网络 和遗传算法对墩顶= 次预应力索进行优化设计在国内是首次提出的优化方法， 并具有一定的经济价值，为以后的工程实践提供了二次预应力张拉的最佳解决 方案。 关键词：简支转连续，神经网络，遗传算法，预应力，优化 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o n ，d u et o t h e i rc o n v e n i e n tc o n s t r u c t i o n ，e c o n o m i c a lc o s t ，r e a s o n a b l ef o r c ec h a r a c t e ra n d c o m f o r t a b l e d r i v i n g ，p r e s t r e s s e d c o n t i n u o u sb e a m b r i d g e h a v em a d ea r a p i d p r o g r e s s i nr e c e n ty e a r s ，a n db e c o m eo n eo ft h em o s tc o m p e t i t i v e b r i d g et y p e s a m o n gt h e s e v e r a lk i n d so fr e g u l a rc o n s t r u c t i o nm e t h o d so fb e a mb r i d g e ，t h e m e t h o do ft h es i m p l ys u p p o r t e d c o n t i n u o u sc o n s t r u c t i o ni sak i n do fe f f e c t i v ea n d e c o n o m i c a lo n e ，c o m p a r e dw i t ht h ep r e s t r e s s e dc o n t i n u o u sb e a m b r i d g e ，i t sc o s ti s m u c hl o w e r , a n di ti sak i n do fm o r ee x c e l l e n tc o n s t r u c t i o nm e t h o d s i to v e r c o m e s t h ef r a c t u r eo ft h ej o i n to n l yw i t ht h eo r d i n a r ys t e e l ，a n dt h en o n h a r m o n yi s s u eo f t h es t r a i na n ds t r e s sb e t w e e nt h es t r u c t u r e su n d e rd i f f e r e n tf o r c e i ta l s os t r e n g t h e n s t h es t r e s ss t o r eo ft h ej o i n tb e t w e e nt h eb e a m s ，a n da s s u r e st h ec o n t i n u o u sa n dw h o l e c a p a b i l i t yo f t h eb r i d g e i no r d e rt og u a r a n t e ee n o u g hs t r e s ss t o r e ，g o o dc o n t i n u i t y a n dc o n t i n u u m ，t h ep r e s t r e s s e dt e n s i l ef o r c eb e t w e e nt h eb e a m sb e c o m e sam o r e i m p o r t a n ts u b j e c t o nt h eb a s i so fs t u d y i n ga n ds u m m a r i z i n gf o r m e rr e s e a r c hw o r k ， t h i st e x tc a r r i e so i ld e e pa n a l y s i sa n dr e s e a r c ht ot h ep r e s t r e s s e dt e n s i o ni nt h e c o u r s eo ft h et r a n s i t i o no ft h es y s t e m t h et e x tr e v i e w st h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h er e s e a r c ha n dd i s c u s s e st h e c h a r a c t e ro ft h e p r e s t r e s s e ds i m p l ys u p p o r t e d c o n t i n u o u sb r i d g e ，t h e n t h et e x t a n a l y s e st h er a t i o n a l i t yo f t h ef o r c ea n dp u t sf o r w a r dt h et o p i co f r e s e a r c h ，t h a ti st o s a y , i nt h ec o u r s eo ft h et r a n s i t i o no f t h es y s t e m ，t h er a t i o n a lc o n f i g u r a t i o no ft h e p r e s t r e s s e dt e n s i l ep a r a m e t e rw i l le x e r t0 1 li m p o r t a n ti n f l u e n c et ot h ec o n s t r u c t e d b r i d g e i nt h ec o u r s eo f t h et r a n s i t i o no f t h e s y s t e m ，t h et e x td o e st h e o r e t i c a la n a l y s i so n t h ec a l c u l a t i o no f t h e d i s p l a c e m e n ta n d t h ef o r c e c o m b i n e dw i t ht h e p r o j e c tp r a c t i c e o ft h eh a n - j i a n gf o u rb r i d g e ，t h et e x tm a k e st h ea n a l y s i so nt h ee v e r ys t a g eo ft h e c o n s t r u c t i o ni nt h ec o u r s eo ft h et r a n s i t i o no ft h es y s t e m ，t h r o u g ht h es i m u l a t e d c a l c u l a t i o n ，t h et e x td r a w ss o m ep r a c t i c a lc o n c l u s i o n s a tt h es a m et i m e ，t h r o u g h c h a n g i n gt h et h r e ep r i m a r yp a r a m e t e ro ft h ep r e - s t r e s s e dt e n s i o n ：l e n g t h ，q u a n t i t y , i i 武汉理工大学硕士学位论文 a n dt h et e n s i l ec o n t r o ls t r e s s ，t h et e x tg e t st h ed i f f e r e n ta s s o c i a t i o n so ft h ep a r a m e t e r a n dw o r k so u tt h er e l e v a n tr e s u l t ，w h i c hp r o v i d e st h er a t i o n a l s a m p l e f o rt h e o p t i m i z e t h et e x ta n a l y s e st h et h e o r yo ft h en e u r a ln e t w o r ka n dh e r e d i t a r ya l g o r i t h m ， t h r o u g hc h a n g i n g t h e p a r a m e t e ro ft h ep r e s t r e s s e ds t e e l ，t h e t e x tm a k e st h e s i m u l a t e dc a l c u l a t i o no nt h e s i m p l e s u p p o r t e d c o n t i n u o u s s t r u c t u r e r e g a r d t h e r e s u l to ft h es i m u l a t e dc a l c u l a t i o na st h ei n p u to ft h en e u r a ln e t w o r kt ot r a i nb p n e t w o r k ，t h et r a i n e db p n e t w o r kw i l lo f f e rt h ec o r r e c tr e l a t i o nb e t w e e nt h ei n p u ta n d t h eo u t p u td u r i n gt h ep r o c e s so ft h eh e r e d i t a r ya l g o r i t h ms oa st of i n do u tt h em o s t o p t i m i z e d r e s u l t t h i st e x tu s e st h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ka n dt h eh e r e d i t a r ya l g o r i t h m ，h a v e f o u n dt h e o p t i m u m s c h e m eo f c o n f i g u r a t i o n o ft h e p r e s t r e s s e dp a r a m e t e r t h e o r e t i c a l l y ，w h i c hs a v et h ei n p u to ft h er a wm a t e r i a l sa n dl o w e rt h e c o s t s t h e s c h e m e ，t h a tu t i l i z i n ga r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ka n dh e r e d i t a r ya l g o r i t h mt oo p t i m i z e t h ep r e s t r e s s e ds t e e l ，i st h ef i r s tt i m et ob ep u tf o r w a r di no u rc o u n h y , a n dh a v e c e r t a i ne c o n o m i cw o r t h ，w h i c ho f f e rt h eb e s ts c h e m eo ft h ep r e s t r e s s e dt e n s i o nf o r t h ef u t u r ep r o j e c t k e yw o r d s ：s i m p l es u p p o r t e d c o n t i n u o u s ，n e u r a ln e t w o r k ，h e r e d i t a r ya l g o r i t h m t h ep r e s t r e s s e df o r c e ，o p t i m i z e i i l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 预应力混凝土连续梁桥概述嘲巾， 钢筋混凝土桥的崛起，要追溯到1 8 7 3 年法国的约瑟夫莫尼尔首创建成的一 座人行桥。由于有石拱桥的技术和建筑艺术为基础，加之钢筋混凝土突出的受 压性能，早期的钢筋混凝土桥大多是拱桥，但由于建造拱桥时需要复杂的支架、 模板以及大量的人力，在以后的1 0 年内较少采用，而钢筋混凝土粱式桥则得到 了发展。但限于材料本身的力学特性，梁式桥的跨径远逊于拱桥。1 9 4 0 年在英 国伦敦建成的纽华特洛桥，跨径达到7 7 0 2 米( 连续梁桥) ，迄今仍保持着同类 桥梁的较高记录。直到1 9 2 8 年法国工程师弗莱西奈经过2 0 年的研究使预应力 混凝土技术付诸实践后，新颖的预应力混凝土连续粱首先在法国以异乎寻常的 速度发展起来。而后迅速向世界各国迅速发展。目前预应力混凝土连续梁桥存 各类桥梁巾占据着相当重要的地位。 钢筋混凝土与预应力混凝士梁式桥，在我国获得了很大的发展。对于中小 跨径的梁桥( 跨径在6 2 5 米) ，己经广泛采用配置低合金钢筋的装配式钢筋混凝 土板式或“t ”型梁式的定型设计，不但经济适用，并且施工方便，能加快建桥 速度，我国装配式预应力混凝土简支梁桥的标准设计，跨径达4 0 米。1 9 7 0 年， 河南省首创建成了跨径达5 2 米的鱼腹形后张自锚式预应力混凝土简支梁桥。 1 9 7 6 年建成的洛阳黄河公路大桥，跨径为5 0 米，全长3 4 公里。除了简支粱 桥外，近年来我国还修建了多座现代化的大跨径预应力混凝土t 型刚架桥、连 续梁桥和悬臂梁桥。1 9 7 1 年在福建乌龙江建成的t 型刚架桥，主孔跨径为3 x 1 4 4 米，采用悬臂浇筑和悬臂拼装的先进工艺，为我国修建大跨径预应力桥梁迈出 了一大步。后来建成了同类桥型中的最大跨径桥梁一重庆长江公路大桥，达到 了世界先进水平。 我国修建预应力混凝土连续梁的起步较晚，跨径也不大。但施工技术获得 了可喜的进展。湖南省在1 9 8 0 年建成的望城县伪水河桥，在我国首次采用柔性 墩多点顶推的架桥技术获得成功。之后，包头黄河大桥和柳州第二公路大桥推 j 。采用了这种先进技术。此外广东省东莞县的中堂大桥并在带有竖曲线的连续 梁桥上进行多点顶推施工获得成功。湖北沙洋大桥和跨沉水的湖南常德大桥都 武汉理工大学硕士学位论文 是采用悬臂法施工的大跨径连续粱桥。 我国预废力混凝土桥梁的结构体系已有简支梁、带铰或带挂梁的t 型刚构、 连续梁、桁架拱、和斜拉桥体系，表卜1 为我国各种结构体系己达到的跨径情 况。 表卜1 我国预应力混凝土桥主要体系已达到的跨径 地名桥名跨径( m ) 结构体系建造年份 河南伊河大桥5 0 简支梁( 鱼腹式) 1 9 7 7 湖南常德常德大桥 1 2 0 连续粱1 9 8 6 贵州剑河大桥 1 5 0 悬臂析架拱1 9 8 5 福建洪塘大桥1 2 0析架t 构( f 承式) 重庆重庆长江大桥1 7 4带挂梁的t 构1 9 8 0 天津永和桥2 6 0斜拉桥1 9 8 7 我国的公路、铁路桥梁工程中，2 0 米以上的筒支梁大都采用预应力混凝土， 在中等跨径以上的预应力混凝土桥梁中，斜拉桥、连续梁桥、桁架拱桥、桁架 梁( t 构) 都有。所采用的旋工方法有：悬臂浇筑和悬臂拼装法、顶推法、移动模 架法、大型浮吊架设和旋转施工法。我国的预应力混凝土目前主要采用4 0 5 0 号塑性混凝土：预应力筋采用中2 6 、中3 2 、中3 6 粗钢筋，高强钢丝巾5 、( p7 。 主要的锚固张拉体系为f 式镭具，b b r v 式的墩头锚具，d y w i d a g 式轧丝锚具。 我国的预应力混凝土桁架桥的发展亦紧跟着世界先进水平。大跨预应力混凝土 桥，因为其自重大，扩大结构体系的应用范围一直是桥梁的研究课题。国外这 方面研究的一个途径是利用桁式体系代替梁式体系，以空间桁构体系代替箱粱 体系。前者最大跨径的代表即是澳大利亚的里浦桥，后者即是唯一的一座科威 特的巴比延桥。我国最大跨径的预应力混凝土悬臂式桁梁桥为1 9 7 9 年建成的湖 北省汉阳黄陵矾大桥( 上承式) ，主跨为9 0 米，悬臂式桁拱桥为1 9 8 5 年建成的 贵州剑河大桥( 主跨为1 5 0 米) 。而下承式的悬臂桁架桥则具有刚性斜拉索( 悬臂 的一卜弦) 和桁架的特点，建筑高度小，更适宜于城市桥梁工程，如浙江省港口大 桥、福建的洪塘大桥。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 先简支后连续结构体系的国内外研究进展7 卜2 8 1 随着高速公路的迅速发展，在其建设中也遇到了许多十分突出的问题。其 中桥头跳车、伸缩缝破坏、桥面开裂、混凝土路面断板和胀缝问题等尤为突出。 对于这些问题，交通工程的专家们虽然绞尽脑汁试图加以解决，但结果总不尽 如人意，对先简支后连续桥梁桥面开裂的问题也不例外。因此，研究如何解决 先简支后连续桥梁桥面开裂问题具有十分重要的意义。 简支梁桥是梁式桥中应用最早、最广泛的一种桥型。由于它构造简单、施 工方便、能适应地基较大的沉降，因而在中小型跨径粱桥中得以普遍应用。但 是，由于简支梁桥桥面伸缩缝的存在( 特别是多跨长桥，不仅缝多，且缝宽亦随 温差、收缩、荷载因素而相应变化) 致使行车颠簸频繁。为了提高行车舒适性， 出现了各种形式的桥面连续简支梁桥。尽管简支梁桥桥面连续结构体系本身有 着不同程度的缺陷，无法和连续梁结构体系的优良性能相媲美，但是施工方便 的优点使得其在桥梁建设的发展过程中仍占据了一定的地位，出现了相当数量 的工程实例。需要说明的是，我们认为简支梁桥面连续的内容应该包括两方面： 其一是人们常说的梁上现浇混凝土板连续，此时的桥面连续板内没有预应力配 筋甚至普通钢筋，真正意义上桥面连续；其二是指组合梁的桥面板连续，它是指 混凝土板作为梁结构本身的一部分后浇或者预制，多采用预应力使之连续，尽 管这已经属于桥梁结构本身连续的范畴，但是沿用“桥面板连续”这一说法， 我们将其归入了简支梁桥面连续的体系之中，但其受力性能与常规的简支梁桥 面连续结构体系不同，而应该归于结构连续的范畴( 即连续梁结构体系) 。 简支梁桥在桥面连续后，减少或消除了连续跨内的伸缩缝，获得了较长的 连续桥面，但在垂直力的作用下，各跨仍能保持简支梁受力的基本特征。通过 桥面连续、主梁仍为简支而形成的受力结构体系，这在国内外都有很多的工程 实例，但桥面连续的构造方法却各有特点。通常来说，桥面连续部位近似于一 种不完全铰的作用，根据这一部位的受力特征不同，可将之分为刚接的桥面连 续板和铰接的桥面连续板以及拉杆式桥面连续板。常见的拉杆式桥面连续板又 分为两种方式：允许开裂和不允许开裂方式。值得说明的是，即使不允许丌裂的 方式也难免开裂。 刚接板形式不但用钢量较多，而且由于接缝处的混凝土板承受较大的拉应 力，因而很容易发生接缝处混凝土板的开裂，其后果是导致雨水的渗透随后即 3 武汉理- l 大学硕士学位论文 会引起钢筋的锈蚀：当采用铰接板时，由于此时主跨的受弯将不再引起接缝处的 负弯矩，因而混凝土板的受力性能得到了改善，但是该种方式的构造较为复杂， 从而导致施工的不方便。但是对于各种不同的桥面板连接方式而言，不论采用 常规的桥面板连续，还是组合梁采用普通钢筋实现连续的构造方法，其结果都 没有从根本上解决支座负弯矩处的桥面板易于丌裂的问题。主梁简支而桥面连 续虽然被归类为“连续体系”，但仅仅是对于桥面和梁形成整体后承担的荷载而 言，例如附加荷载、活载以及冲击荷载。结果显而易见，在各种荷载的作用下， 桥面的支座处的混凝土在后期的恒载和活载作用下将会开裂，而随着裂缝的延 深、延长和宽度的增加，一些有害物质诸如防冻剂、水就会在裂缝中聚集，其 后果既会导致一些接头钢筋的腐蚀和混凝土的剥落，造成接缝处混凝土材料的 老化；与此同时，当荷载作用在主跨上而导致主要的支点截面转动或者可压缩性 支座发生压缩沉降，将会引起桥面连续板在支点处发生差异性的垂直位移从 而引起桥面的不平整，限制了行车的舒适度；这种主梁简支、桥面连续的结构体 系由于不能够重新分配弯矩，所以与连续梁结构体系相比，其极限承载能力也 大大降低。 主梁简支、桥面连续的结构体系虽然在相当的时间内迅速普及，但无论从 理论根据上还是构造实践上均不尽完美，破损情况依旧发生。尽管国内外众多 的学者也在不断地对桥面连续的工艺改进，但都不能从该根本上解决问题。这 就要求工程师们寻求更加有效的方法。由此出现了“恒载简支、活载连续、支 点不转换的连续梁”设想，即完全按简支梁施工，安放有两个支座，然后在桥 墩处，后浇混凝土接头，待浇筑的混凝土达到强度后，结构体系就转化为连续 梁体系。其受力特点显然要比简支梁优越，采用了连续梁体系时，中孔跨中正 弯矩比采用简支梁体系的中孔跨中正弯矩显著减少，因此，结构采用连续梁体 系，比采用相同跨径的简支梁体系的梁的高度要小，这对于减少材料用量和减 少桥两头填土高度是十分有利的，同时，由于梁的高度降低，墩桩顶受到向下 的竖直力大大减小，因此，桩的入土深度也可以缩短，钢筋混凝上数量将明显 减少。 “恒载简支、活载连续、支点不转换的连续梁”结构体系本质上就是用普 通钢筋混凝土实现结构的连续。虽然减少了桥面伸缩缝的数量，也一定程度的 有利于改变支座处的桥面开裂现象。但并不能从根本上解决永久支座处负弯矩 而导致的桥面裂缝。只有将结构本身做成预应力连续，使憝个断面连成r 一体， 4 武汉理i 大学硕士学位论文 并且在桥梁支座处等容易开裂的地方储存有一定的弹性压缩，才是消除丌裂隐 患和满足高速行车功能要求的根本办法。为了达到这一目的，在高等级公路桥 梁中，当简支梁跨数较多时，常采用几孔一联的形式通过施加后连续预应力使 结构本身实现连续，并在支座处储备一定的压应力以抵抗汽车活载引起的支座 上方桥面板的弯曲拉应力。 对于先简支后连续结构体系，人们普遍的观点认为“先简支后连续”仅仅 是一种预应力混凝土连续梁桥的施工方法。因而他们大多仅仅从施工工艺的角 度来探讨一些问题。我们更愿意将其称为“先简支后连续结构体系”，这是因为 该体系具有与通常意义上的预应力混凝土连续梁体系有着不同的力学特性、施 工艺等特点。下面将从施工的角度看看先简支后连续结构体系的特点。 1 ，3 问题的提出 1 ，3 1 简支转预应力结构连续的特点 预应力混凝土连续梁桥是最富有竞争力的主要桥型之一。在连续梁桥常用 的几种施工方法中，简支连续施工方法是一种经济有效的施工方法，这种 方法克服了工艺复杂、施工材料设备投入大的缺点，施工简单可行，质量可靠， 克服了仅用普通钢筋连接的开裂、预应力与非预应力不同受力结构问变形以及 应力的不协调性问题。加强了主梁连接部非负弯矩区的应力储备，使桥梁结构 的连续性能佳，整体性能好。简支转预应力结构连续梁桥与预应力混凝土连续 梁桥或预应力混凝土连续刚构等其它梁桥相比，其造价低得多，是一种较优的 施工方法和结构体系。这种施工方法施工周期短，便于实现施工的标准化、装 配化，在中、小跨径桥梁中得到了广泛的应用。 简支变连续施工一般先架设预制主梁，形成简支梁状态，进而再将主梁在 墩顶连成整体，最终形成连续梁体系。由简支状态转换为连续梁状态最常用的 方法是在墩顶两侧一定范围内的主梁上部布设预应力短束来实现连续。简支转 连续的结构体系在简支阶段承受构件本身自重及前期恒载，形成连续结构后承 受后期恒载、汽( 挂) 车荷载以及其它可变荷载。与简支梁相比，先简支后连 续体系的跨中弯矩相对较小，而内支座处则承受比完全连续梁小得多的负弯矩。 简支转连续使结构在刚度上则获得很大的提高，并且对配筋设计与施工都极为 有利。它既保持了简支梁施工简便和节省模板支架的优点，又吸取了连续结构 5 武汉理工大学硕士学位论文 减小活载弯矩的长处。为了承受活载的支点负弯矩，需将跨中的j f 弯矩钢筋在 接近梁端处弯起，并伸到接头处与相邻的简支梁的同类钢筋相焊接。从以往的 一些设计方案比较可以看出，当钢筋混凝土梁式桥的跨径超过2 0 一2 5 米时，如 果仍采用简支体系，则其跨中恒载弯矩和活载弯矩都将迅速增加，而按先简支 后连续设计的结构负弯矩比按整体现浇设计的结构负弯矩都小，其中恒载作用 下约小5 5 ，恒+ 汽作用下约小4 0 。因此在设计时可减小简支梁高度，降低自重， 这本身又将导致恒载内力的减小。因此，这种结构体系可以大大节省钢筋混凝 土材料，据估计可节约2 0 左右，明显提高了经济效益，同时安装重量的减少 也为施工带来方便。 采用简支转连续的施工方法，主梁可在下部工程施工的同时进行预制，成 批生产，因此可以缩短施工周期，使施工简便快速，满足施工要求。国内自广 西柳南高速公路洛维大桥率先采用这种方案后，先简支安装后用预应力使结构 连续成为现代桥梁的一种发展均势，并向大跨径方向发展。 1 3 2 简支转预应力连续结构的合理性与受力特性分析” 中等以下跨径的梁桥其受力特征之一是可变荷载( 汽车或挂车) 产生的内力 占总荷载产生的内力比例较大下面的图给出了不同跨径的简支梁与三跨连续 梁边跨跨中和内支座截面的弯矩比较图。 一一生堕墨曼垦! 望 鑫赢 连续粱 b55 5s 0s】r4 05 i l7 n 图1 1不同跨径的简支梁与三跨连续梁边跨跨中和支座截面的弯矩比较图 由这些图可见，随跨径的增大，可变荷载产生的内力占的比例趋小。对于 6 ” 譬 ，j + “z ，ox ，nz 武汉理工大学硕士学位论文 中小跨径梁桥，可变荷载产生的弯矩占总弯矩的3 0 一4 0 ，表明中等跨径的 简支梁或连续梁为了平衡可变荷载的内力效应必须施加较大的预应力，使构件 长期处于高压应力状态，当没有可变荷载作用时结构反拱度较大，徐变的影响 也较大对于完全的连续梁，内支座弯矩比跨中弯矩大得多，这对内支座负弯矩 区的配筋及截面的选择造成一定困难先简支后连续结构体系外荷载产生的内 力有着体系转换的过程，因此其跨中弯矩比同样跨径的简支梁减少很多：而后期 恒载与可变荷载在内支座区域产生的负弯矩远比完全的连续梁内支座负弯矩要 小得多，对配筋与施工都极为有利先简支后连续体系一般采用预制预应力混凝 土简支构件，然后浇筑连续梁内支座部分混凝土，再经转换内支座形成，因此 这种体系预制构件的混凝土收缩与徐变大部分已完成，由混凝土收缩与徐变产 生的次内力很小，这又是有利的因素。 因此，先简支后连续体系与简支梁桥面连续结构相比，不但具有更好的结 构连续性能，还降低了跨中弯矩值，这样可以减小构件的高度与尺寸，更有利 于预制与安装同时，减小了预加力产生的反拱度后，与完全的连续梁相比，具 有施工简便快速，内支座仅产生较小的负弯矩，混凝土收缩与徐变产生的次内 力相对较小的优点因此，先简支后连续结构体系的确是高等级公路多孔中等跨 径桥梁较优的结构体系。 简支转预应力连续结构存在结构体系的转换过程，从施工到营运主要可分 为两个阶段：预制简支构件的安装架设阶段，即简支阶段；现浇湿接缝混凝土、 张拉后期预应力钢筋形成完整的连续结构，即连续阶段。简支阶段构件承受的 是本身自重和二次预加力以及施工荷载等前期荷载；形成连续梁之后，构件还 要承受后期恒载、车辆荷载、后期预加力，以及使用阶段的其它可变荷载等后 期荷载。因此，简支转连续结构的受力与简支梁或者完全的连续粱有较大的差 别，主要表现在以下两个方面： ( 1 ) 内力及内力重分布 结构体系转换过程中，内力变化比较复杂。在预制装配为简支结构日 j ，混 凝土的龄期较早，收缩与徐变的变形量都较大，这时的变形结构是静定体系， 不产生支座反力，没有内力重分布问题。此时支座产生的不均匀沉陷也不产生 次内力。在张拉后期预应力筋后，张拉力对结构内力及截面应力产生影响。在 结构形成连续体系之后，对于收缩、徐交以及支座不均匀沉陷的分析则应按连 续梁体系计算，这时还应考虑其次内力以及内力重分布等。 7 武汉理1 ：大学硕士学位论文 ( 2 ) 结构变形： 在简支阶段由自重、一次预应力筋张拉力、收缩徐变及预应力损失等因素 使结构产生的变形，在湿接缝混凝土浇筑及二次预应力筋张拉之后，其变形即 被约束。这样，前期荷载与后期荷载分别在两个不同的结构体系下产生变形， 且变形互不干挠。因此，二次预应力筋张拉后，结构的线形将更趋合理，使桥 梁在正常工作阶段能保持良好的线性。 1 3 3 简支转预应力连续结构需要探讨的问题 在简支变连续的体系转换过程中般使用后张预应力筋的施工工艺。后张 预应力混凝土连续梁同简支梁相比，具有较小的设i 弯矩和挠度、较大的抗侧 力刚度和较大的安全储备，因而倍受设计人员的青睐。 尽管在国内的个别地区已尝试过简支转结构连续，例如，福泉高速公路福 州连接线乌龙江特大桥的引桥为1 5 3 5 + 4 2 2 5 m 简支转连续预应力混凝二 ? 梁。 位于广州一肇庆高速公路上的金马大桥，全长1 9 1 2 6 米，引桥长1 2 2 6 6 米， 采用的也是简支转连续的预应力混凝士t 梁形式。潮白河大桥是京沈高速公路 上跨越河北香河境内潮白河主河槽之大桥，上部结构为预应力混凝土空心板梁， 为保持桥面连续采用了简支转连续的设计施工方法。但是，一些已建成的简支 转连续混凝土梁桥在墩项湿接缝处有开裂现象，不仅影响了行车的舒适件，而 且缩短了桥梁的使用寿命。 由于种种原因，人们对预应力连续梁的认识还远不如对简支梁的深刻，其 巾最为复杂的问题之一便是预应力连续梁的次内力和内力重分布问题。由于简 支转预应力结构连续梁桥在施工过程中存在体系转换，结构由静定体系转化为 超静定体系。通过在墩顶负弯矩区张拉局部预应力短束，主梁一次张拉后的内 力受到墩顶短束二次张拉的作用，将在其内部重新分配。二次预应力短束对主 梁一次预应力束的影响程度、施加预应力的大小、二次预应力短束的长度、在 主梁上的布置等等都需要深入的认识。这也是国内外预应力界尚需深入研究的 重大问题之一。本文也将围绕着二次预应力张拉的参数合理配置这一问题展丌 讨论。 目前国内有国内都是用桥梁有限元分析软件“桥梁博士”或g o i s 等分别 对简支梁预制过程、简支转预应力连续结构施工过程的各施工阶段进行计算分 析，主要包括：结构形变分析；控制截面结构应变、应力及内力计算等。通过 8 武汉理工大学硕士学位论文 数值模拟计算，得到了一些具有实际工程意义的结论。但对二次预应力短束张 拉后一些基本参数的研究与优化很少，多数采用类比法进行摸索。国内外目前 对大型复杂结构的优化很多采用了神经网络和遗传算法。但用于本课题方面的 优化较少。 1 3 4 结构优化设计概述眦叭 结构优化设计是指在满足规范要求和某些特定条件使结构的某砦性能指 标为最佳，它大体上可以分为三个阶段：第一个阶段，把一个工程结构设计问 题变成一个数学问题，即建立数学模型；第二个阶段，选择一个合理、有效的 计算方法；第三个阶段，编制通用计算机程序。实际工程设计问题往往是很复 杂的，在建立数学模型时，通常只能考虑一些主要因素，忽略一些次要因素， 以简化计算。 结构优化设计开始于2 0 世纪4 0 年代，源于p e t e r s a 的一篇名为“如何应 用满应力设计法”的文章。2 0 世纪5 0 年代，用于解决最优化问题的数学方法 仅限于接点微分法和变分法，称为经典优化方法。5 0 年代末，优化方法中的 数学规划方法被用于结构最优化，使之成为优化方法的理论基础。1 9 6 0 年 s c h m i t 将结构有限元技术与数学规划法结合起来进行结构优化设计，丌仓i 了 现代结构优化设计的历史。6 0 、7 0 年代主要有数学规划法和准则法两类进行 结构优化设计的优化算法，进入8 0 年代，电子计算机的发展与普及，进一步 拓展了结构优化技术的应用与发展。1 9 8 2 年i m a n 著文阐述了三维结构形状优 化设计问题，掀起了同时求解结构拓扑、形状、尺寸优化算法的研究热潮。1 9 8 3 年钱令希提出了序列二次规划法。这期间，数学规划法中的大部分算法，如序 列线性规划法、序列二次规划法、对偶规划法、集合规划、动态规划、复合形 法、可行方向法等都被用来进行结构优化设计。然而，数学规划法需要多次迭 代重复分析，代价昂贵，效率低下；优化准则法对不同类型的约束、变量、目 标函数等需导出不同的优化准则，通用性较差，且最后鳃多为近似最优解。 由于结构优化设计中大量的分析计算导致了效率低下，因而人们讨论用先 进的结构近似分析技术进行重分析，如利用神经网络的并行计算、强大的近似 分析和非线性建模能力进行结构近似重分析。同时，神经网络的稳定平衡点总 是列应网络能量函数的极小点，因而人们研究运用神经网络的这一特性进行结 构优化设计。用于结构优化设计的多数计算方法要求目标函数和约束条件连 9 武汉理工大学硕士学位论文 续、可微，而遗传算法不需优化问题有连续性和可微性，且能收敛到全局最优 解，因而近些年被越来越多的运用于工程结构优化设计中。 出神经网络理论知，神经网络能量函数的极小点对应于系统的稳定平衡 点，这样能量函数极小点的求解将转化为求解系统的稳定平衡点。随着时间的 推移，神经网络的运动轨道总是朝着能量函数减少的方向，最终到达系统的稳 定平衡点能量函数的极小点。因此人们根据这一特点，将结构优化问题的f 标函数表示为神经网络的能量函数，随着时间的推移，神经网络将运行- n l , g 定 平衡点，即结构优化问题目标函数的极小点。这样结构优化设计的计算就在神 经网络系统的流动过程中不知不觉的完成了。 尽管传统结构优化方法在实际工程中已得到广泛的应用，但对于一些特殊 化问题，处理起来仍存在很大困难，如非连续设计变量问题、多极值问题、目 标函数的强非线性及连续可微的要求。遗传算法是由美国h o l l a n d 教授提出的 模拟生物进化过程的自适应优化搜索算法。该算法模拟自然界的优胜劣汰理 论，使一个群体经过一代代的选择、交叉和变异，体现适者生存的过程。遗传 算法对目标函数没有连续性可微性的限制，且能收敛到全局最优解，因而近年 来被用来对许多复杂结构进行优化。 1 4 论文的主要研究目的、内容和技术手段 本课题研究的主要目的是分析简支转预应力连续结构体系的结构应力分布 与挠度变化，对由于结构体系的转换，二次预应力筋的张拉，混凝土的徐变收 缩等因素引起的结构内力、截面应力变化及挠度变化程度进行分析，主要对施 工中的二次张拉预应力筋的参数进行优化配置，包括二次预应力筋的数量，长短 张拉控制应力的大小，使简支转连续梁桥的成桥线形更接近设计线形，结构应 力分布合理，行车更加安全舒适。 1 4 1 本项目的主要工作内容及采用的方法 ( 1 ) 理论分析 在理论上，运用力学理论和桥梁结构强度理论对简支转预应力连续结构挠 度计算的方法、预应力混凝土梁初始弹性变形的计算、预应力连续结构挠度的 计算、简支转预应力连续组合t 梁的内力及次内力、混凝上收缩徐变引起的次 l o 武汉理工大学硕士学位论文 内力及内力重分布、负弯矩区预应力束张拉引起次内力及内力重分布、温差变 化对先筒支后连续组合t 梁的影响等规律进行了理论分析。 ( 2 ) 数值模拟计算 利用结构有限元分析软件公路桥梁结构设计系统6 0 j $ 简支转预应力连续 结构施工过程的各施工阶段进行计算分析，主要包括：结构形变分析；控制截 面结构应变、应力及内力计算等。通过数值模拟计算，得到了一些具有实际j ， 程意义的结论。同时通过改变二次预应力张拉的三个主要参数预应力索的氏度， 数量，以及张拉控制应力，得出不同的参数组合，算出相应的应力结果，为优 化提供计算方法和合理的样本。 ( 3 ) 结构优化设计 通过改变预应力短索长度，数量，张拉控制应力等参数，对筒支转预应力连 续结构进行数值模拟计算，将模拟计算值作为神经网络的输入参数，来训练b p 网络，将训练好的b p 网络，为遗传算法进行的过程中提供正确的映射关系，找 到最优解。从而在理论上，使连续梁桥的强度储备和线形达到最优状态。 本研究项目的作用与意义可体现在如下方面：利用优化设计理论和人工神 经网络、遗传算法，从理论上找到了合理配置二次预应力的最优方案，节省原 材料的投入，降低成本。利用人工神经网络和遗传算法对墩顶二次预应力索进 行优化设计在国内是首次提出的优化方法。 本论文将围绕着上述内容展开工作，全文共分为5 章： 第l 章介绍了预应力混凝土连续梁桥发展现状，简支转预应力连续结构的 发展概况，这种施工方法的特点与优势及需要研究的问题，提出本论文研究的 主要内容、技术手段和意义。 第2 章阐述了简支转连续的挠度和应力的基本计算理论。 第3 章是本论文所涉及的具体工程项目一襄樊汉江四桥的有关情况介绍。 结合该桥的旌工特点，对该桥的施工过程进行数值模拟，利用桥梁有限元分析 软件g o i s 进行数值计算与结果分析。并针对改变二次预应力索的参数进行了多 组计算，为优化提供合理数据。 第4 章对神经网络和遗传算法进行结构优化的理论进行了讨论，通过改变 二次预应力短索的参数进行数值模拟计算得出一组结果，将这些结果作为神经 网络的输入参数进行训练，结合遗传算法得出最优的计算结果 第5 章介绍论文的研究结论，并展望需进一步研究的内容。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章简支转连续的基本计算理论 2 1 概述 简支转连续的施工工艺中，张拉二次预应力筋后，发生体系转换，内力重 新进行分布。我们需要从理论上知道体系转换后结构变形和应力发生怎样的变 化，如何计算。以及简支转连续体系在徐变，温差等影响下对变形和应力的影 响，均需从理论t 进行讨论。 2 2 简支转预应力连续结构挠度计算的方法一8 预应力混凝土结构所适用的跨径范围一般较大，为避免因变形过大而影响 使用功能，对预应力混凝土结构应进行变形计算。预应力混凝土受弯的构件变 形主要由两部分组成：一部分是预加力作用所产生的变形( 上挠度) ；另一部分 是外荷载作用下产生的变形( 下挠度) 。在桥梁设计中，控制梁的挠度，保证桥 衙铺装顺利进行，避免因挠度过大而影响正常的使用是非常必要的。结构变形 涉及到荷载与自重，预应力大小及预应力筋轮廓线的线型，截面尺寸和跨度， 混凝土的弹性模量、收缩和徐变，预应力钢材的性能，钢材松驰值以及构件的 端部约束等多项因素。因此，精确计算预应力混凝土构件的变形是很复杂的， 求解需要大量的实践、实验以及理论分析，目前对预应力混凝土梁的挠度计算 精度还远远不能实现。因此如何通过大量的实践资料和审慎的理论分析哥求 更接近实际的、误差更小的计算方法，并据此找到能够减少或控制过度起拱的 设计方案和施工措施，成为值得工程界研究的新课题。 在实际工程中并不需要精确的变形值，只需用近似的计算方法就足够了。 r 傲简支转预应力连续结构变形计算的具体分析和研究思路如下： ( 1 ) 简支梁挠度的计算 利用结构力学的知识，将结构自重简化为均布荷载，求出在一期恒载作用 下预应力混凝土梁的下挠度0 。 将锚下控制应力o 。扣除所有的应力损失o 。，得到在筋束中实际存在的预 拉应力值o ，从而求出在偏心预加力作用下，引起梁的上挠度f ，。 混凝土徐变引起的梁的上挠度f 镕女。 简支阶段的挠度f 1 = f ，一f ，f 镕。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 结构连续体系挠度的计算 利用杆件有限元的知识，求出在张拉负弯矩钢柬后，该预应力混凝上连续粱 的挠度如。 (