钢箱拱桥吊装索力优化与线形预测分析

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钢结构拱桥凭借自重轻、跨越能力强、线形优美、材料受力计算符合理论值等优点,近年在桥梁建设领域备受青睐。大跨径拱桥的拱肋架设常常采用缆索吊装斜拉扣挂法,S348歙县新安江大桥由于地形限制采用单侧设塔架,另一侧扣索直接锚固于山体上的非对称缆索吊装斜拉扣挂施工,部分扣索长度达到300m左右,本文以该项目为依托,对扣索索力优化和拱肋施工中的线形、内力、应力控制进行研究,主要工作内容如下:(1)分析了大跨径钢箱拱桥缆索吊装斜拉扣挂施工过程中的主要非线性影响因素,对于长索结构为计入其垂度效应,通过ANSYS的Matrix27单元自编程功能,定义了一种空间悬链线索单元,基于悬链线索单元理论分别给出已知无应力索长求解索单元切线刚度矩阵、索端张力的计算程序和已知索端张力求解无应力索长的计算程序。建立斜拉扣挂拱肋整体ANSYS有限元模型,并推导了拱肋切线拼装的坐标更新公式,结合生死单元功能,模拟拱肋切线拼装过程。(2)为避免施工过程中的反复调索,分别使用刚性支承-弹性索法和倒退分析法计算扣索一次张拉索力,得到结果基本满足要求,但前者后几节段拱肋位移较大且扣索力增减不均匀,后者得到张拉索力随着后续节段的拼装挂扣会有较大卸载。在此基础上基于影响矩阵法,分别提取拱肋控制点位移、最小弯曲能关于扣索索力的影响矩阵,利用改进的正装迭代法和最小弯曲应变能法进行索力优化。优化后拱肋的最大竖向位移、内力和应力大大降低,仅个别扣索索力较大。(3)借助最优化理论求解多项约束条件下的合理扣索索力,比较一阶方法中SGD法、Momentum法、Ada Grad法的优化效率,最后选取收敛曲线较平滑的Ada Grad法作为优化器。设置关于拱肋各控制点竖向位移平方和的目标函数,以拱肋位移、截面应力、扣索应变为约束条件,编制matlab一阶方法优化程序,调用ANSYS斜拉扣挂拱肋正装分析模型,联合求解施工阶段全局最优索力数值解。计算结果拱肋的竖向位移不超过±2cm,拱肋的内力和应力得到优化,扣索应变较为均匀,且收敛速度快,取得了较好的优化效果。(4)在新安江大桥拱肋吊装过程中,建立了拱肋线形预测的最小二乘支持向量机模型。选取影响拱肋线形的主要参数,分析正规化参数?和核函数参数?对模型训练拟合能力及测试泛化能力的影响,并确定其合理取值。随后进行模型的训练,对后半段拱肋施工过程中的线形偏差进行预测,结果表明该方法的训练模型有较强的学习能力,大小里程侧拱肋控制点训练结果的均方误差为分别为0.188和0.074,预测结果的均方误差分别为0.312和0.358,预测结果误差不超过1mm,模型的预测精度满足工程要求,可作为后续拱肋施工过程中的控制依据,为拱肋拼装过程中的误差调整提供参考。
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