[发明专利]一种独塔单索面斜拉桥桥塔锚固区环向预应力束配置与优化方法

说明书

本发明公开了一种独塔单索面斜拉桥桥塔锚固区环向预应力束配置与优化方法。本发明提出的方法以桥塔锚固区危险区域的拉应力大小为优化目标，以环向预应力束的张拉系数为优化变量建立了优化模型，利用智能算法对优化模型进行求解，从而改善锚固区的应力状况，使环向预应力束配置更加经济合理。本发明中采用的智能算法结合并改进了遗传算法与蜂群算法，改善了遗传算法容易过早收敛到局部最优解的问题，提高了算法的全局搜索能力；本发明中采用的优化指标亦可根据工程实际需要进行调整，更好地实现桥塔锚固区环向预应力束的配置优化目标。

技术领域

本发明属于桥梁工程技术领域，具体涉及到一种独塔单索面斜拉桥桥塔锚固区环向预应力束配置与优化的方法。

背景技术

斜拉桥作为中大跨径桥梁的常见结构形式，通过桥塔-主梁-拉索的组合结构承载全桥荷载，其中各传力、受力构件的设计与施工是桥梁安全耐久的重要保障。桥塔锚固区作为受力核心部分，拉索产生的局部集中力通过这一部位传递到塔柱中，为控制锚固区变形，抵抗拉索索力，常采用环向预应力筋构造加固桥塔结构，因此环向预应力束的工作状态将直接影响锚固区应力及变形状态，进而影响到整个桥塔的受力性能，对桥塔锚固区环向预应力束的配置设计与优化是斜拉桥设计中的关键部分。

当前国内外对桥塔锚固区的设计理论与方法的研究尚未成熟，实际工程中关于环向预应力束的设计通常采用建立桥塔的有限元模型并进行试算的方法，来确定预应力筋的布置方案，得到的结果通常为统一的预应力束布置方案，即桥塔不同位置处的预应力布束与张拉控制应力一致。而斜拉桥桥塔锚固区承受的斜拉索数量多，索力大小与作用方向都有所差别，造成锚固区不同区域受到的索力水平拉力也有所差异，因此环向预应力束的配置也应当进行进一步的优化设计。而常用的试算方法在预应力束配置与优化上则面临着优化变量多、计算次数多、效率低等问题，优化效果通常难以令人满意。

对于建立桥塔锚固区环向预应力束的优化模型，将锚固区的优化问题转化为对数学模型的求解问题当前已有部分相关研究。智能算法对于解决这种复杂的工程优化问题有着天然的优势，而当前对利用智能算法优化桥塔锚固区环向预应力束配置的研究则较少。

发明内容

本发明提供一种独塔单索面斜拉桥桥塔锚固区环向预应力束配置与优化方法，能够以斜拉桥桥塔锚固区危险区域的拉应力大小为优化目标，以各环向预应力束的张拉系数为设计变量建立优化模型，通过调整桥塔锚固区中的各环向预应力束的张拉系数来改善桥塔锚固区内部应力分布状况。通过智能算法与有限元数值计算结合的方法对优化模型进行求解，从而对锚固区的环向预应力束配置实现优化，使环向预应力束配置方案更加安全合理。本发明的方法将遗传算法与蜂群算法相结合，改善了遗传算法容易过早收敛到局部最优解的问题，提高了锚固区环向预应力束配置优化的效率。

本发明目前通过如下的技术方案来实现：

一种独塔单索面斜拉桥桥塔锚固区环向预应力束配置与优化方法，该方法具体包括如下步骤：

(1)在桥塔锚固区沿高度方向设置若干环向预应力束以增强结构承受斜拉索索力产生的水平拉力的能力，为使桥塔塔壁在荷载作用下为受压状态，建立整个桥塔的有限元模型并进行试算，初步得到环向预应力筋配置方案；依据初步得到的环向预应力筋配置方案模拟计算桥塔锚固区在不同工况下的应力分布状况，针对环向预应力束配置导致的局部拉应力过大现象，执行后续步骤开展预应力筋的张力优化；

(2)对斜拉桥桥塔锚固区内部预应力筋进行分区，将相邻的环向预应力筋归为一组，并对各组预应力筋设定张拉系数向量{a}，张拉系数向量{a}的分量数量与环向预应力筋分组数量相同，张拉系数代表张拉各组预应力筋时实际张拉力与设计张拉力的比值，各张拉系数初始值均为1，在以初始张拉系数{a}为中心的一定区间内生成初始张拉系数种群{a}_i，i＝1,2,3…n，n为所述初始张拉系数种群的种群大小；