本發(fā)明屬于建筑施工，具體而言，涉及一種用于加固大跨度鋼連廊的張弦梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、大跨度鋼連廊作為一種新興的城市橋梁形式,廣泛應(yīng)用于城市景觀工程、交通樞紐等領(lǐng)域,具有結(jié)構(gòu)輕便、造型優(yōu)美、施工便捷等特點(diǎn)。隨著城市化進(jìn)程的加快,這類結(jié)構(gòu)正日益頻繁地出現(xiàn)在大眾的視野中。然而,受限于材料性能、結(jié)構(gòu)形式等因素,大跨度鋼連廊在服役過程中普遍存在撓度過大、應(yīng)力集中等問題,嚴(yán)重影響其使用安全性和可靠性。因此,如何有效提高大跨度鋼連廊的抗變形能力和抗損傷性能,成為目前亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2、目前,針對(duì)大跨度鋼連廊的加固與優(yōu)化設(shè)計(jì),主要有以下幾種常見方法:

3、1)剛性加強(qiáng)法:在主梁或立柱上增設(shè)加勁肋,增大結(jié)構(gòu)整體剛度,從而提高抗變形性能。但這種方法會(huì)增加結(jié)構(gòu)自重,同時(shí)也會(huì)影響建筑美觀。

4、2)張弦梁優(yōu)化法:在主梁兩側(cè)添加拉索,形成張弦梁結(jié)構(gòu),通過調(diào)整拉索的預(yù)應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)幾何參數(shù),優(yōu)化整體受力狀態(tài)。這種方法相對(duì)剛性加強(qiáng)法更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保,但優(yōu)化效果受諸多參數(shù)的耦合影響,較為復(fù)雜。

5、3)動(dòng)力減振法:在結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位布置阻尼減振裝置,以吸收振動(dòng)能量,降低結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。該方法對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性要求較高,需要精準(zhǔn)的動(dòng)力參數(shù)識(shí)別和模型建立。

6、上述方法雖然在一定程度上提升了大跨度鋼連廊的抗變形性能,但仍存在以下不足:

7、(1)優(yōu)化方法過于簡單,無法全面反映結(jié)構(gòu)的非線性力學(xué)特性,導(dǎo)致優(yōu)化效果受限。

8、(2)參數(shù)調(diào)整依賴經(jīng)驗(yàn)判斷,缺乏系統(tǒng)的分析和優(yōu)化計(jì)算方法,無法保證結(jié)構(gòu)性能的最優(yōu)化。

9、因此,迫切需要一種新的優(yōu)化方法,能夠全面考慮結(jié)構(gòu)的非線性行為,采用系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化算法,并兼顧施工工藝的可行性,從而實(shí)現(xiàn)大跨度鋼連廊性能的有效提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供一種用于加固大跨度鋼連廊的張弦梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)化方法無法全面反映結(jié)構(gòu)的非線性力學(xué)特性,導(dǎo)致優(yōu)化效果受限的技術(shù)問題。

2、本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、本發(fā)明提供一種用于加固大跨度鋼連廊的張弦梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，包括以下步驟：

4、s10、建立大跨度鋼連廊的三維有限元模型，所述三維有限元模型包括上部鋼連廊、豎向撐桿及拉索；

5、s20、設(shè)置所述三維有限元模型的邊界條件，并確定作用于所述三維有限元模型的恒載及活載；

6、s30、對(duì)所述三維有限元模型進(jìn)行非線性分析，得到初始撓度值及應(yīng)力值；

7、s40、判斷所述初始撓度值及應(yīng)力值是否滿足加固要求，當(dāng)不滿足時(shí)執(zhí)行步驟s50，當(dāng)滿足時(shí)執(zhí)行步驟s60；

8、s50、調(diào)整所述豎向撐桿的長度及拉索的預(yù)應(yīng)力值，返回執(zhí)行步驟s30；

9、s60、設(shè)置結(jié)構(gòu)撓度值為控制參數(shù)，拉索應(yīng)變值為響應(yīng)參數(shù)；

10、s70、利用sap2000?csiloadoptimizer工具箱進(jìn)行索力優(yōu)化計(jì)算，獲得優(yōu)化后的拉索應(yīng)變值；

11、s80、根據(jù)所述優(yōu)化后的拉索應(yīng)變值反推得到最終索力優(yōu)化結(jié)果；

12、s90、根據(jù)所述最終索力優(yōu)化結(jié)果確定加固大跨度鋼連廊的張弦梁結(jié)構(gòu)的工藝參數(shù)。

13、在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明的一種用于加固大跨度鋼連廊的張弦梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法還可以做如下改進(jìn):

14、其中，所述步驟s10具體包括：

15、步驟101、收集大跨度鋼連廊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙和材料參數(shù)；

16、步驟102、選擇有限元分析軟件，包括ansys或abaqus；

17、步驟103、在所述有限元分析軟件中建立包含鋼連廊上部結(jié)構(gòu)、豎向撐桿及拉索的三維有限元模型；

18、步驟104、根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)情況選擇合適的單元類型和網(wǎng)格劃分方法；

19、步驟105、對(duì)連接件進(jìn)行建模，包括焊點(diǎn)和鉸鏈，采用相應(yīng)的約束關(guān)系；

20、步驟106、對(duì)所述三維有限元模型進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以確保其能夠準(zhǔn)確反映大跨度鋼連廊的實(shí)際受力狀態(tài)和變形情況。

21、進(jìn)一步的，所述步驟s20具體包括：

22、步驟201、根據(jù)大跨度鋼連廊的實(shí)際支撐條件，在有限元模型中設(shè)置邊界條件；

23、步驟202、對(duì)位于橋墩或抗拔樁上的支座設(shè)置位移約束；

24、步驟203、對(duì)其他支座位置設(shè)置滾動(dòng)或簡支的不同約束條件；

25、步驟204、確定作用于三維有限元模型的恒載，包括鋼連廊自重和附著設(shè)施的永久性荷載；

26、步驟205、確定作用于三維有限元模型的活載，包括人員和車輛的臨時(shí)性荷載；

27、步驟206、確定作用于三維有限元模型的環(huán)境荷載，包括風(fēng)荷載和雪荷載；

28、步驟207、根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，對(duì)所確定的各類荷載進(jìn)行校核和調(diào)整。

29、進(jìn)一步的，所述步驟s30具體包括：

30、步驟301、建立非線性分析的數(shù)學(xué)模型，包括非線性剛度矩陣、位移向量、外力向量、非線性內(nèi)力向量、應(yīng)變位移矩陣、非線性應(yīng)力張量、彈性矩陣和非線性應(yīng)變張量；

31、步驟302、構(gòu)建非線性平衡方程，包括考慮材料非線性和幾何非線性的影響；

32、步驟303、采用迭代算法求解非線性平衡方程，如牛頓拉夫森法或弧長法；

33、步驟304、計(jì)算結(jié)構(gòu)的位移場，包括節(jié)點(diǎn)位移和構(gòu)件變形；

34、步驟305、根據(jù)位移場計(jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場，包括各構(gòu)件的軸力、剪力和彎矩；

35、步驟306、提取關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移值作為初始撓度值；

36、步驟307、提取關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力值作為初始應(yīng)力值。

37、進(jìn)一步的，非線性分析可采用以下方程組:

38、

39、式中,k(u)為非線性剛度矩陣；u為位移向量；f為外力向量；fnl(u)為非線性內(nèi)力向量；b為應(yīng)變-位移矩陣；σnl(u)為非線性應(yīng)力張量；d為彈性矩陣；εnl(u)為非線性應(yīng)變張量。

40、位移和應(yīng)力計(jì)算:

41、

42、式中,為有效剛度矩陣；εu為位移計(jì)算誤差；εσ為應(yīng)力計(jì)算誤差。

43、進(jìn)一步的，所述步驟s40具體包括：

44、步驟401、根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范確定大跨度鋼連廊的允許最大撓度值；

45、步驟402、根據(jù)材料性能和結(jié)構(gòu)安全系數(shù)確定大跨度鋼連廊的允許最大應(yīng)力值；

46、步驟403、將步驟s30中得到的初始撓度值與允許最大撓度值進(jìn)行比較；

47、步驟404、將步驟s30中得到的初始應(yīng)力值與允許最大應(yīng)力值進(jìn)行比較；

48、步驟405、當(dāng)初始撓度值大于允許最大撓度值或初始應(yīng)力值大于允許最大應(yīng)力值時(shí)，判定為不滿足加固要求；

49、步驟406、當(dāng)初始撓度值小于或等于允許最大撓度值且初始應(yīng)力值小于或等于允許最大應(yīng)力值時(shí)，判定為滿足加固要求。

50、進(jìn)一步的，所述步驟s50具體包括：

51、步驟501、設(shè)置豎向撐桿長度的調(diào)整量計(jì)算公式，其中調(diào)整量與最大撓度值和允許最大撓度值的差值成正比；

52、步驟502、設(shè)置拉索預(yù)應(yīng)力值的調(diào)整量計(jì)算公式，其中調(diào)整量與最大應(yīng)力值和允許最大應(yīng)力值的差值成正比；

53、步驟503、選取經(jīng)驗(yàn)調(diào)整系數(shù)，用于控制每次調(diào)整的幅度；

54、步驟504、計(jì)算新的豎向撐桿長度，為上一次長度加上調(diào)整量；

55、步驟505、計(jì)算新的拉索預(yù)應(yīng)力值，為上一次預(yù)應(yīng)力值加上調(diào)整量；

56、步驟506、將新的豎向撐桿長度和拉索預(yù)應(yīng)力值應(yīng)用于三維有限元模型；

57、步驟507、重復(fù)執(zhí)行步驟s30的非線性分析，直至滿足加固要求。

58、進(jìn)一步的，豎向撐桿長度和拉索預(yù)應(yīng)力調(diào)整:

59、

60、式中,li和pi分別為第i次調(diào)整后的豎向撐桿長度和拉索預(yù)應(yīng)力；δli和δpi為調(diào)整量；αl和αp為調(diào)整系數(shù)；umax和σmax分別為最大位移和應(yīng)力；uallow和σallow分別為允許最大位移和應(yīng)力。

61、進(jìn)一步的，所述步驟s60具體包括：

62、步驟601、根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，確定大跨度鋼連廊的目標(biāo)結(jié)構(gòu)撓度值；

63、步驟602、選取關(guān)鍵控制點(diǎn)，用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)的實(shí)際撓度值；

64、步驟603、將目標(biāo)結(jié)構(gòu)撓度值設(shè)置為控制參數(shù)；

65、步驟604、選取拉索的實(shí)際應(yīng)變值作為響應(yīng)參數(shù)；

66、步驟605、建立控制參數(shù)和響應(yīng)參數(shù)之間的關(guān)系模型；

67、步驟606、設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)，使實(shí)際撓度值盡可能接近目標(biāo)撓度值；

68、步驟607、設(shè)定約束條件，確保拉索應(yīng)變值滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

69、進(jìn)一步的，所述步驟s70具體包括：

70、步驟701、構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化模型，包括撓度目標(biāo)函數(shù)和索力均勻性目標(biāo)函數(shù)；

71、步驟702、設(shè)置優(yōu)化變量，包括各拉索的索力值；

72、步驟703、確定約束條件，包括索力上下限、最大撓度限值和最大應(yīng)力限值；

73、步驟704、在sap2000?csiloadoptimizer工具箱中設(shè)置優(yōu)化參數(shù)；

74、步驟705、選擇合適的多目標(biāo)優(yōu)化算法，如nsga2或moea/d；

75、步驟706、運(yùn)行優(yōu)化程序，獲得一系列非支配解；

76、步驟707、從非支配解中選擇最優(yōu)的拉索應(yīng)變值方案。

77、進(jìn)一步的，索力優(yōu)化計(jì)算采用多目標(biāo)優(yōu)化模型:

78、

79、式中,f1(t)為撓度目標(biāo)函數(shù)；f2(t)為索力均勻性目標(biāo)函數(shù)；t為索力向量；δi和分別為實(shí)際和目標(biāo)撓度；tj和分別為實(shí)際和目標(biāo)索力；n為控制點(diǎn)數(shù)量；m為拉索數(shù)量；tmin和tmax分別為索力下限和上限；δallow為允許最大撓度；σk為第k個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)力；σallow為允許最大應(yīng)力；p為關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)量。

80、進(jìn)一步的，所述步驟s80具體包括：

81、步驟801、建立拉索索力與應(yīng)變的非線性關(guān)系方程，考慮材料非線性和幾何非線性影響；

82、步驟802、收集拉索的初始狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括初始長度、初始索力和端點(diǎn)坐標(biāo)；

83、步驟803、獲取拉索材料的彈性模量、截面積和溫度影響系數(shù)；

84、步驟804、確定拉索的非線性系數(shù)，通過材料試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)公式獲得；

85、步驟805、構(gòu)建包含所有拉索的非線性方程組；

86、步驟806、選擇合適的數(shù)值求解方法，如牛頓迭代法或擬牛頓法；

87、步驟807、求解非線性方程組，得到優(yōu)化后的拉索索力值。

88、進(jìn)一步的，索力反推采用非線性方程組:

89、

90、式中,tj為第j根拉索的索力；ej為彈性模量；aj為截面積；εj為應(yīng)變；βj和γj為非線性系數(shù)；為索力計(jì)算誤差；lj和分別為當(dāng)前和初始長度；αt為溫度影響系數(shù)；為初始索力；(xj,yj,zj)和分別為當(dāng)前和初始端點(diǎn)坐標(biāo)。

91、進(jìn)一步的，所述步驟s90具體包括：

92、步驟901、根據(jù)優(yōu)化后的拉索索力值，計(jì)算每根拉索的長度調(diào)整量；

93、步驟902、考慮拉索材料的非線性特性，修正長度調(diào)整量的計(jì)算結(jié)果；

94、步驟903、計(jì)算每個(gè)豎向撐桿的高度調(diào)整量，考慮與相鄰拉索長度變化的耦合影響；

95、步驟904、計(jì)算關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的角度調(diào)整量，基于豎向撐桿和拉索的幾何關(guān)系；

96、步驟905、評(píng)估各項(xiàng)調(diào)整量的計(jì)算誤差，并進(jìn)行必要的修正；

97、步驟906、編制詳細(xì)的工藝參數(shù)表，包括每根拉索的張拉力、每個(gè)豎向撐桿的頂升高度和每個(gè)節(jié)點(diǎn)的角度調(diào)整值；

98、步驟907、制定施工工序和質(zhì)量控制方案，確保工藝參數(shù)的精確實(shí)施。

99、進(jìn)一步的，工藝參數(shù)確定采用如下方程組:

100、

101、式中,δlj為第j根拉索的長度調(diào)整量；δhk為第k個(gè)豎向撐桿的高度調(diào)整量；δθl為第l個(gè)節(jié)點(diǎn)的角度調(diào)整量；λk為豎向撐桿高度與相鄰拉索長度變化的耦合系數(shù)；nk為與第k個(gè)豎向撐桿相連的拉索集合；hl和ll分別為節(jié)點(diǎn)初始高度和水平距離；和分別為長度、高度和角度調(diào)整誤差。

102、相關(guān)參數(shù)獲取方法:

103、1.k(u)和b:通過有限元分析軟件生成；

104、2.f:根據(jù)結(jié)構(gòu)荷載分析確定,考慮恒載、活載、風(fēng)載等；

105、3.d:根據(jù)材料力學(xué)性能確定,可考慮溫度和應(yīng)力水平的影響；

106、4.和根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求和受力均勻性原則確定；

107、5.tmin和tmax:根據(jù)拉索材料性能、疲勞壽命和設(shè)計(jì)規(guī)范確定；

108、6.δallow和σallow:根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和使用要求確定；

109、7.ej和aj:根據(jù)拉索材料性能和設(shè)計(jì)選擇確定,考慮溫度影響；

110、8.βj和γj:通過拉索材料非線性試驗(yàn)獲得；

111、9.和通過現(xiàn)場測量獲得；

112、10.αt:通過拉索材料熱學(xué)性能試驗(yàn)獲得；

113、11.λk:通過結(jié)構(gòu)分析和數(shù)值模擬確定；

114、12.hl和ll:通過現(xiàn)場測量和結(jié)構(gòu)圖紙獲得。

115、其中，sap2000?csiloadoptimizer是computers?and?structures,inc.(csi)開發(fā)的一個(gè)工具箱,用于sap2000結(jié)構(gòu)分析軟件。主要功能如下:

116、荷載優(yōu)化:該工具可以幫助用戶自動(dòng)生成合適的荷載組合,從而優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。它可以考慮各種荷載條件,如死載、活載、風(fēng)荷載、地震荷載等,并根據(jù)相關(guān)規(guī)范生成不同的荷載組合。

117、構(gòu)件設(shè)計(jì):通過分析不同荷載組合下的結(jié)構(gòu)響應(yīng),csiloadoptimizer可以自動(dòng)選擇合適的構(gòu)件尺寸和鋼筋配置,優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

118、報(bào)告生成:該工具能夠生成詳細(xì)的設(shè)計(jì)報(bào)告,包括荷載分析、構(gòu)件設(shè)計(jì)等信息,方便用戶查閱和存檔。

119、與sap2000的集成:csiloadoptimizer直接集成到sap2000中,用戶可以在sap2000的界面內(nèi)進(jìn)行操作,無需在兩個(gè)軟件之間切換。

120、與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提供的一種用于加固大跨度鋼連廊的張弦梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的有益效果是：

121、1.建立了包含上部鋼連廊、豎向撐桿及拉索的三維有限元模型,充分考慮了結(jié)構(gòu)的材料非線性和幾何非線性,能夠更加精確地模擬大跨度鋼連廊的實(shí)際受力和變形狀態(tài)。

122、2.采用了系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化算法,包括結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整、索力優(yōu)化計(jì)算等步驟,能夠有效控制結(jié)構(gòu)撓度和應(yīng)力,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

123、3.考慮了加固改造的施工工藝因素,確定了拉索長度調(diào)整量、豎向撐桿高度調(diào)整量以及節(jié)點(diǎn)角度調(diào)整量等具體參數(shù),為現(xiàn)場施工提供了可靠的指導(dǎo)。

124、與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明方法不僅能夠全面考慮結(jié)構(gòu)的非線性特性,而且采用了系統(tǒng)的優(yōu)化算法,在滿足使用安全性要求的前提下,進(jìn)一步優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)和變形特性。同時(shí),將施工工藝因素納入到優(yōu)化過程中,確保了優(yōu)化方案的可操作性。因此,該方法能夠有效提高大跨度鋼連廊的抗變形性能和使用可靠性,解決了現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)化方法無法全面反映結(jié)構(gòu)的非線性力學(xué)特性,導(dǎo)致優(yōu)化效果受限的技術(shù)問題。