大跨度桥梁的结构优化研究综述

1大跨度桥梁结构及其设计理论的发展

随着我国经济的发展，大跨径桥梁的建设在20世纪末进入了一个高潮。大跨度桥梁形式多样，有斜拉桥、悬索桥、拱桥、悬臂桁架桥及其它的一些新型的桥式，如全索桥，索托桥，斜拉2悬吊混合体系桥、索桁桥等等。其中，悬索桥和斜拉桥是大跨径桥梁发展的主流。近20年来发展最快的大跨径桥梁是斜拉桥，而遥遥领先的是悬索桥。当前世界最大跨度的悬索桥是1998年建造的日本明石海峡大桥，其主跨度为1991m；世界最大跨度的斜拉桥是1999年建造的日本多多罗桥，其主跨度为890m；而中国最大跨径的悬索桥是江苏润杨长江公路大桥，主跨度1490m，在世界悬索桥行列中位居第三；中国最大跨径的斜拉桥为江苏南京长江第二大桥，主跨度628m，在世界钢箱梁斜拉桥中位列第三；湖北荆州长江公路大桥，主跨径达500m，在世界预应力混凝土斜拉桥中位列第二。

目前的桥梁技术已经能较好的解决现存问题，但是随着桥梁跨度不断增大，向着更长、更大和更柔方向发展，为了保证其可靠性、耐久性、行车舒适性、施工简易性和美观性及其统一还有大量的工作要做。

桥梁工程结构设计的过程也就是如何处理桥梁结构的安全性(可靠性、耐久性)、适用性(满足功能要求及行车舒适性)、经济性(包括建设费用和维修养护费用)及美观性的过程。传统的桥梁结构设计，要求设计者根据设计要求和实践经验，参考类似的桥梁工程设计，通过判断去构思设计方案，然后进行强度、刚度、和稳定等各方面的计算。但由于设计者经验的限制，确定的最终方案往往不是理想的最优方案，而仅为有限个方案中接近最优的可行方案。桥梁结构优化理论是传统桥梁结构设计理论的重大发展，也是现代桥梁设计的目标。它是使所有参与设计计算的量部分以变量出现，在满足规范和规定的前提下，形成全部结构设计的可行方案域，并利用数学手段，按预定的要求寻求最优方案。

2大跨度桥梁结构优化设计的研究现状

尽管早在19世纪中期就出现了现代意义上的结构优化设计理论，但将其应用于桥梁结构设计的相关研究却出现较晚。国外在20世纪60年代开始有了桥梁结构优化设计的研究，而我国直到20世纪70年代末才开始有这方面的研究。这是因为桥梁结构设计变量多，活载复杂难于处理，需要大容量的计算机和很长的运行时间。开展得最早也发展得最为成熟的是桁架桥的优化设计。而对大跨度桥梁的优化设计的研究却是在20世纪末大跨度桥梁飞速发展后才发展起来的，综合起来主要集中在以下几个方面。

2.1局部优化

局部最优虽不能等同于整体最优，但却有益于整体最优，并促进桥梁结构的发展。因为对局部的优化设计变量相对较少而使研究的难度大大减小，研究的深度因而能更透彻。目前对大跨度桥梁的局部结构优化研究已涉及到大跨度桥梁结构设计及施工的各个方面，主要有：

2.1.1加劲梁横截面的优化

大跨度桥梁的加劲梁主要有钢梁、混凝土梁、混合梁和叠合梁。根据目前全世界己建成的大跨度桥梁统计，跨度分别排在前12位的斜拉桥和悬索桥，其主跨加劲梁形式大多为钢梁，而钢与混凝土结合梁和混凝土梁较少且跨度相对较小。这些钢与混凝土结合梁桥主要在我国采用较多，这与我国经济有关。而随着我国经济的发展和近年来国家对钢结构发展的大力支持与鼓励，以及桥梁跨度的进一步发展和钢结构本身自重轻、强度大，适合大垮度桥梁的特点，估计未来的大跨度桥梁结构的加劲梁尤其是超大跨度的桥梁会以钢结构为主。这就意味着我们对大跨度桥梁加劲梁的研究也当以钢梁为主。在钢梁中，钢箱梁又因其流线外形且抗扭刚度大而空气动力稳定性较好，因而应用最广。

目前，对加劲梁横截面的优化研究很少，因其受力和结构都太复杂，牵涉的方面也太多。事实上大跨度桥梁主梁耗材最大，其截面形式对桥的空气动力稳定性有很大的影响。怎样选择合理的流线形截面，使大跨度桥梁有好的空气动力稳定性，又受力合理，节省材料，还有待我们作进一步的研究。

2.1.2斜拉索或主缆的动力优化

目前的大跨度桥梁主要有斜拉桥、悬索桥及其它的一些新型的桥式，如全索桥，索托桥，斜拉2悬吊混合体系桥等。这些桥式都有一个共同的特点，即都由缆索支承，且桥面较柔，属柔性结构，阻尼低。在外部激励下，拉索极易发生意想不到的大幅振动。如风雨共现时的风雨振现象，主梁和拉索之间耦合振动引起的参数共振、拉索的自激振动等。拉索的大幅振动容易引起拉索锚固端的疲劳、降低拉索的使用寿命，严重时甚至对桥梁安全构成严重威胁。因此，大跨度桥梁的动力问题显得尤为重要。

10多年来，国内外学者对斜拉索的振动控制进行了许多研究，提出了许多减震措施，目前常用的减振方法是在拉索上外加被动阻尼器(称为被动控制)，如粘性阻尼器、摩擦阻尼器等，但这种阻尼器具有明显的缺点，不能根据外部的激励情况调节阻尼力，受环境温度影响大，因而难以达到理想的减振效果。最近，一种智能阻尼装置———磁流变阻尼器被开发用于振动控制。该阻尼器由智能材料磁流变体制造，通过调节输入电压可以提供可变阻尼。湖南科技大学的王修勇等采用数值仿真方法，对阻尼器优化电压进行了研究，进一步完善了磁流变智能阻尼器拉索减振技术。还有一种主动控制技术，即利用外部能源，在结构受激励过程中，对结构施加控制力或改变结构的动力特性，从而迅速地减小结构的振动反应。主动控制技术造价昂贵，但效果好，适用性广，能对结构多个振形进行控制。对其优化设计主要是寻找最优控制参数，使系统达到较优的性能指标。国内外的学者经过多年的研究，已提出多种算法，主要有经典线性最优控制法、瞬时最优控制法、模态空间控制法、极点配置法、预测控制法及其中的两种或多种方法组合等。

2.1.3索力调整优化

大跨度桥梁的收缩徐变、非线性性条件等影响会随着跨度的增大越来越显著，但最终控制主梁应力和线形的直接因素还是斜拉索力和施工时的立模标高，因而确定合理的索力对斜拉桥的材料用量及结构安全性都有十分重要的意义。然而斜拉桥作为一个高次超静定结构，施工中又要经过体系转换，如何确定合理的成桥索力，同时又能保证施工中的塔梁受力均匀合理，是目前进行斜拉桥施工监测控制的主要目标。国内外对索力调整优化的研究进行得较早，发展得也较为成熟。目前，有关索力调整的理论主要有4大类：

a)指定受力或位移状态的索力优化，如刚性支承连续梁法和零位移法。

b)无约束的索力优化，如弯距平方和最小法和弯曲能量最小法。

c)有约束的索力优化，如用索量最小法。

d)影响矩阵法。影响矩阵法能得到不同目标函数、不同加权的优化结果，又能计入预应力、活载、收缩徐变、约束优化等影响，既可用于确定索结构合理状态，也可用于施工阶段和成桥阶段的索力调整，实现了结构调整与结构优化的统一。影响矩阵法包含了前3种优化方法，是目前最为完备的一种斜拉桥索力优化理论。

2.1.4索塔的结构优化

索塔的优化主要是塔高和受力合理性的优化。塔太高会给施工带来困难，增加造价。而塔太矮会降低拉索的工作效率，增加主梁和拉索的受力。因此单独对塔高的优化不一定是经济的，而应和其它部分结合起来考虑。塔的受力合理性与塔的结构形式、缆索形式、缆索锚固形式及锚固点分布有关，也是一个值得研究的课题。

2.1.5斜拉索和吊索锚固的优化

斜拉索和吊索锚固的形式和锚固点的布置对索塔和主梁的应力集中问题和结构形式有一定的影响，应和索塔和主梁结合起来考虑。

2.1.6悬索桥锚锭的优化

悬索桥的锚锭有自锚式和地锚式。自锚式一般只有在无法使用地锚式时才采用。地锚的优化涉及到地质条件问题，目前研究较少。自锚式一般很少采用，研究也很少。

2.1.7桥墩及基础优化

对于大跨度桥梁桥墩和基础的优化，不论数量、位置、还是结构形式，一般都受地质条件的限制，应针对具体桥梁来考虑。因此，大跨度桥梁的桥墩优化设计一般都是独立的，受上部结构影响很小。