CN102561216B - 悬索桥吊拉组合体系加固结构的计算方法 - Google Patents

悬索桥吊拉组合体系加固结构的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及悬索桥吊拉组合体系加固结构的计算方法。目前常规确定斜拉索初始张拉力和初始张拉温度的方法是建立协作体系模型进行结构理论分析计算的，理论计算结果与实际情况产生差异。本发明得出温度-加劲梁处斜拉索锚固位置竖向位移关系和荷载-加劲梁处斜拉索锚固位置竖向位移关系；建立环境整体升温、环境整体降温等工况，建立方程关系，拟定斜拉索初始张拉力和张拉温度，根据基于监测数据提出的荷载工况组合分析计算初始张拉后斜拉索索力的变化情况，提出满足有效协助主缆受力和保证主塔、加劲梁安全要求的斜拉索初始张拉力和初始张拉温度。本发明降低了理论计算模型的复杂性，提高了计算结果的可靠性和可验证性。

Description

悬索桥吊拉组合体系加固结构的计算方法
技术领域：
本发明涉及公路桥梁的设计和施工技术领域，具体涉及悬索桥加固项目中悬索桥吊拉组合体系加固结构的计算方法。
背景技术：
吊拉组合体系加固悬索桥的构思和实践可以追溯至19世纪后期。1854年桥梁大师罗勃林受塔科玛大桥垮塌事件启发，提出采用抗弯刚度大的加劲桁架和拉索弥补单纯悬索桥系统不足的方法。基于罗勃林提出的方法，勃罗克大桥、布隆克斯-白石大桥、泰戈斯河大桥等桥均采用悬索桥与斜拉索结合增强了抗震能力，并通过实践发现在拉索承担大部分恒载的区域内，主缆的曲率比所有荷载由主缆承担的跨中区域小，证明斜拉索加固悬索桥的可行性。
采用吊拉组合体系方式加固的悬索桥，其主缆承担全桥主要荷载，新增斜拉索协助主缆受力，即将主缆承担的部分荷载转移至斜拉索，提高主缆的安全系数，因此斜拉索设置是悬索桥吊拉组合体系加固的关键。斜拉索的设置包含斜拉索布置形式、斜拉索初始张拉力以及斜拉索初始张拉温度三部分内容。常见的斜拉索布置方式有三种：（1）在跨中侧布置斜拉索，斜拉索两端分别锚固于主塔和加劲梁处；（2）在边跨、跨中分别布置斜拉索，边跨侧斜拉索两端分别锚固于主塔和地面处，跨中侧斜拉索两端分别锚固于主塔和加劲梁处；（3）斜拉索一端锚固地面，另外一端通过主塔顶部拉索转向装置后锚固于加劲梁处，斜拉索在主塔顶部转向装置内可以纵向滑动。
悬索桥吊拉组合加固采用的斜拉索布置方式确定后，应选择斜拉索初始张拉力和初始张拉温度，以保证斜拉索协助主缆受力的有效性和主塔、加劲梁的安全性。斜拉索协助主缆受力的有效性是指斜拉索能够提供足够的竖向力为主缆卸载，使主缆安全系数满足规范要求；主塔的安全性是指斜拉索索力的水平分力会引起主塔发生纵桥向位移，而主塔顶部承担着主缆传递来的竖向力，主塔发生纵向位移使主塔顶部竖向力在主塔根部产生附加弯矩，当附加弯矩不会对主塔造成不利影响可认为主塔是安全的；加劲梁的安全性是指斜拉索对加劲梁产生的水平分力和竖向分力不会对加劲梁造成不利影响。
目前常规确定斜拉索初始张拉力和初始张拉温度的方法是建立协作体系模型进行结构理论分析计算，研究不同初始张拉力和初始张拉温度对结构体系的影响情况，并提出满足斜拉索协助主缆受力的有效性和主塔、加劲梁的安全性的斜拉索初始张拉力和初始张拉温度。
常规结构理论分析计算方法存在以下问题：（1）吊拉组合体系结构是由斜拉桥和悬索桥组成的协作体系，结构受力复杂，精确分析结构受力状态技术难度大；（2）既有悬索桥经过多年的使用，结构状态往往与新建时存在差异（如桥面恒载发生变化等），部分桥梁还存在一定的病害（如主缆下挠、主缆出现矢高差、索鞍发生偏位、材料劣化等），当结构理论计算难以准确模拟悬索桥实际受力状态时，理论计算结果将与实际情况产生较大差异；（3）悬索桥不同位置环境温度场存在差异，组成桥梁结构各个部件的材料、尺寸和结构形式不同，因此环境温度变化使桥梁内各部分的温度成复杂的分布形式，理论结构计算难以精确模拟环境温度对桥梁的影响；（4）桥梁荷载的实际变化情况与理论计算存在差异，理论计算结果与实际情况产生差异。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题在于提出一种精确分析悬索桥吊拉组合体系加固结构的斜拉索初始张拉力和初始张拉温度的实用计算方法，以保证斜拉索协助主缆受力的有效性和主塔、加劲梁的安全性。
本发明解决技术问题的方案如下：
本发明悬索桥吊拉组合体系加固结构的计算方法，包括以下步骤：
（1）针对加固前的悬索桥进行监测，主要监测内容为环境温度、桥梁荷载变化情况和加劲梁处斜拉索锚固位置的竖向位移，得出以下数据关系：1）温度-加劲梁处斜拉索锚固位置竖向位移关系；2）荷载-加劲梁处斜拉索锚固位置竖向位移关系。
（2）根据现场监测数据得出的关系建立以下工况：
环境整体升温；
Figure 2012100610893100002DEST_PATH_IMAGE004
环境整体降温；
Figure 2012100610893100002DEST_PATH_IMAGE006
环境整体升温引起加劲梁处斜拉索锚固位置向下发生竖向位移；
Figure 2012100610893100002DEST_PATH_IMAGE008
环境整体降温引起加劲梁处斜拉索锚固位置向上发生竖向位移；
Figure 2012100610893100002DEST_PATH_IMAGE010
桥梁荷载变化引起加劲梁处斜拉索锚固位置向下发生竖向位移；
Figure 2012100610893100002DEST_PATH_IMAGE012
桥梁荷载变化引起加劲梁处斜拉索锚固位置向上发生竖向位移。
（3）基于监测数据建立的工况提出荷载工况组合。
1）+
Figure 45119DEST_PATH_IMAGE006
+
Figure 21165DEST_PATH_IMAGE010
；
2）
Figure 231042DEST_PATH_IMAGE002
+
Figure 812196DEST_PATH_IMAGE006
+
Figure 819466DEST_PATH_IMAGE012
；
3）
Figure 158175DEST_PATH_IMAGE004
+
Figure 174672DEST_PATH_IMAGE008
+；
4）
Figure 54084DEST_PATH_IMAGE004
+
Figure 883018DEST_PATH_IMAGE008
+
Figure 499944DEST_PATH_IMAGE012
。
（4）根据斜拉索布置方式选择公式建立方程关系。
（5）拟定斜拉索初始张拉力和张拉温度，根据基于监测数据提出的荷载工况组合分析计算初始张拉后斜拉索索力的变化情况，提出满足有效协助主缆受力和保证主塔、加劲梁安全要求的斜拉索初始张拉力和初始张拉温度。
与现有技术相比，本发明的计算方法具有以下的优点：
（1）将斜拉索分析计算和悬索桥分析计算作为相互独立的模型进行考虑，降低了理论计算模型的复杂性；
（2）悬索桥吊拉组合体系加固结构的计算方法通过监测既有悬索桥的状态和分析监测数据关系，建立荷载工况，以悬链线方程为工具预测斜拉索张拉后斜拉索索力的变化情况，能够真实反映结构的实际受力状态，提高了计算结果的可靠性；
（3）悬索桥吊拉组合体系加固结构的计算方法采用的荷载工况与桥梁实际使用状态接近，可以采用现场监测的方法对计算结果进行验证，因此悬索桥吊拉组合体系加固结构的计算方法的可验证性高。
（4）当采用常规分析计算方法分析悬索桥吊拉组合体系加固结构得的结果与桥梁实际状态相差较大时，悬索桥吊拉组合体系加固结构的计算方法是确定满足有效协助主缆受力和保证主塔、加劲梁安全要求的斜拉索初始张拉力和初始张拉温度的有效途径。
附图说明：
图1为本发明分析计算方法流程图；
图2为斜拉索布置形式一、二的索状态计算图示；
图3为斜拉索布置形式三的索状态计算图示。
具体实施方式：
以下结合附图对本发明做进一步详细说明：
参见图1，本发明悬索桥吊拉组合体系加固结构的计算方法，包括以下步骤：
（1）针对加固前的悬索桥进行监测，主要监测内容为环境温度、桥梁荷载变化情况和加劲梁处斜拉索锚固位置的竖向位移，得出以下数据关系：1）温度-加劲梁处斜拉索锚固位置竖向位移关系；2）荷载-加劲梁处斜拉索锚固位置竖向位移关系。
监测得到的环境温度应尽量涵盖桥梁正常使用期间的所有温度，若不能涵盖桥梁正常使用期间的所有温度，可以采用线性内插的方法对数据关系进行预测。荷载是指悬索桥吊拉组合体系加固结构的斜拉索张拉后可能发生变化的桥梁荷载，应尽量包含所有可能发生的桥梁荷载，若不能涵盖桥梁使用期内所有可能发生的桥梁荷载，可以采用线性内插的方法对数据关系进行预测。
（2）根据现场监测数据得出的关系建立以下工况：
Figure 790111DEST_PATH_IMAGE002
环境整体升温；
Figure 670343DEST_PATH_IMAGE004
环境整体降温；
Figure 780381DEST_PATH_IMAGE006
环境整体升温引起加劲梁处斜拉索锚固位置向下发生竖向位移；
Figure 138681DEST_PATH_IMAGE008
环境整体降温引起加劲梁处斜拉索锚固位置向上发生竖向位移；
Figure 218108DEST_PATH_IMAGE010
桥梁荷载变化引起加劲梁处斜拉索锚固位置向下发生竖向位移；
Figure 269241DEST_PATH_IMAGE012
桥梁荷载变化引起加劲梁处斜拉索锚固位置向上发生竖向位移。
（3）基于监测数据得出的关系提出荷载组合工况
环境整体升温使斜拉索的无应力索长S温度增加，减少斜拉索弹性变形量△S，从而降低斜拉索索力，同理，环境整体降温使斜拉索无应力索长S温度减小，增加斜拉索弹性变形量△S，从而提高斜拉索的索力。当斜拉索无应力索长不变时，加劲梁处斜拉索锚固位置向上发生竖向位移，会减小斜拉索的弹性变形量△S，从而降低斜拉索索力，同理，加劲梁处斜拉索锚固位置向下发生竖向位移，会增加斜拉索弹性变形量△S，从而提高斜拉索索力。根据上述分析可知，斜拉索完成初始张拉后，影响斜拉索索力变化的工况组合为：
1）+
Figure 231829DEST_PATH_IMAGE006
+
Figure 965429DEST_PATH_IMAGE010
；
2）
Figure 984201DEST_PATH_IMAGE002
+
Figure 334411DEST_PATH_IMAGE006
+
Figure 49162DEST_PATH_IMAGE012
；
3）
Figure 168428DEST_PATH_IMAGE004
+
Figure 967888DEST_PATH_IMAGE008
+
Figure 539815DEST_PATH_IMAGE010
；
4）
Figure 574767DEST_PATH_IMAGE004
+
Figure 486222DEST_PATH_IMAGE008
+
Figure 515970DEST_PATH_IMAGE012
。
（4）根据斜拉索布置方式选择公式建立方程关系。
1）斜拉索布置形式为下述方式：1）在跨中侧布置斜拉索，斜拉索两端分别锚固于主塔和加劲梁处（形式一）；2）在边跨、跨中分别布置斜拉索，边跨侧斜拉索两端分别锚固于主塔和地面处，跨中侧斜拉索两端分别锚固于主塔和加劲梁处（形式二）, 斜拉索索状态计算图示见图2,具体的计算公式如下：
Figure 2012100610893100002DEST_PATH_IMAGE014
             　（1-1）
Figure 2012100610893100002DEST_PATH_IMAGE016
               （1-2）
Figure 2012100610893100002DEST_PATH_IMAGE018
                        （1-3）
式中：q为单位索长重量；H为拉索水平方向分力；其余参数意义见图1所示。
由积分可得拉索的长度S为：
Figure 2012100610893100002DEST_PATH_IMAGE020
            （1-4）
拉索由轴力引起的弹性伸长量△S为：
Figure 2012100610893100002DEST_PATH_IMAGE022
 （1-5）
于是，索的无应力索长S0为：
Figure 2012100610893100002DEST_PATH_IMAGE024
                        （1-6）
2）斜拉索布置形式为下述方式：斜拉索一端锚固地面，另外一端通过主塔顶部拉索转向装置后锚固于加劲梁处，斜拉索在主塔顶部转向装置内可以纵向滑动（形式三），斜拉索索状态计算图示见图3。
将斜拉索看成N1和N2两根索，斜拉索N1和N2索状态均满足公式（1-1）～（1-6），由于斜拉索在主塔顶部可纵向滑动，N1、N2索力的水平分力相等：
H1=H2                       （1-7）
斜拉索在初始张拉温度作用下的斜拉索N1、N2的无应力索长S1和S2之和为定值：
                                S0=S1+S2                    （1-8）
温度对无应力索长的影响可以表示为：
                               S温度= S0（1+ a△t ）          （1-9）
式中：S0为斜拉索在初始张拉温度作用下的无应力索长；S温度为斜拉索在不同环境温度作用下的无应力索长；a为线膨胀系数；△t为相对初始张拉温度的环境温度变化值。
（5）拟定斜拉索初始张拉力和张拉温度，根据基于监测数据提出的荷载工况组合，分析计算初始张拉后斜拉索索力的变化情况，提出满足有效协助主缆受力和保证主塔、加劲梁安全要求的斜拉索初始张拉力和初始张拉温度。
1）斜拉索布置形式一、二计算方法：
在温度为t0时完成斜拉索初始张拉，如图2，将斜拉索张拉前斜拉索两端锚固中心位置的坐标作为A、B的坐标，根据A、B两点坐标关系可以得出参数l和c，已知斜拉索初始张拉力的水平分力为H，采用公式（1-1）～（1-6）建立方程关系可得出在温度为t0时无应力索长S0。
在不同工况组合下分别分析斜拉索的最大、最小索力：环境温度变化后斜拉索无应力索长S温度可以通过公式（1-9）得出，加劲梁处斜拉索锚固位置的竖向位移变化可以通过参数c的变化表示，即已知无应力索长和参数l、c，可以由公式（1-1）～（1-6）建立方程关系得出新的斜拉索索力。
2）斜拉索布置形式三计算方法：
在温度为t0时完成斜拉索初始张拉，如图3，将斜拉索张拉前斜拉索两端锚固中心位置和N1、N2索的中心交汇点的坐标作为C、D和E的坐标，得出l1、l2、c1和c2，已知斜拉索初始张拉力的水平分力为H1、H2，且H1=H2，采用公式（1-1）～（1-6）和（1-8）建立方程关系得出在温度为t0时无应力索长S0。
在不同工况组合下分别分析斜拉索的最大、最小索力：环境温度变化后斜拉索无应力索长S温度可以通过公式（1-9）得出，加劲梁处斜拉索锚固位置的竖向位移变化可以通过参数c2的变化表示，即已知无应力索长和参数l1、l2、c1和c2，可以由公式（1-1）～（1-7）建立方程关系得出新的斜拉索索力。
经分析计算得出斜拉索最大、最小索力后，将索力以集中力方式施加在悬索桥整体模型中，经过计算分析，提出满足有效协助主缆受力和保证主塔、加劲梁安全要求的斜拉索初始张拉力和初始张拉温度。

Claims (1)

1.悬索桥吊拉组合体系加固结构的计算方法，包括以下步骤：
（1）针对加固前的悬索桥进行监测，主要监测内容为环境温度、桥梁荷载变化情况和加劲梁处斜拉索锚固位置的竖向位移，得出以下数据关系：1）温度-加劲梁处斜拉索锚固位置竖向位移关系；2）荷载-加劲梁处斜拉索锚固位置竖向位移关系；
（2）根据现场监测数据得出的关系建立以下工况：
Figure 2012100610893100001DEST_PATH_IMAGE002
环境整体升温；
环境整体降温；
环境整体升温引起加劲梁处斜拉索锚固位置向下发生竖向位移；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
环境整体降温引起加劲梁处斜拉索锚固位置向上发生竖向位移；
桥梁荷载变化引起加劲梁处斜拉索锚固位置向下发生竖向位移；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
桥梁荷载变化引起加劲梁处斜拉索锚固位置向上发生竖向位移；
（3）基于监测数据建立的工况提出荷载工况组合：
1）
Figure 386913DEST_PATH_IMAGE002
+
Figure 910911DEST_PATH_IMAGE006
+
Figure 362752DEST_PATH_IMAGE010
；
2）
Figure 492382DEST_PATH_IMAGE002
+
Figure 978858DEST_PATH_IMAGE006
+
Figure 411108DEST_PATH_IMAGE012
；
3）
Figure 146983DEST_PATH_IMAGE004
+
Figure 283566DEST_PATH_IMAGE008
+
Figure 311301DEST_PATH_IMAGE010
；
4）
Figure 242348DEST_PATH_IMAGE004
+
Figure 668781DEST_PATH_IMAGE008
+
Figure 140214DEST_PATH_IMAGE012
；
（4）根据斜拉索布置方式选择公式建立方程关系：
1）斜拉索布置方式一：在跨中侧布置斜拉索，斜拉索两端分别锚固于主塔和加劲梁处；
2）斜拉索布置方式二：在边跨、跨中分别布置斜拉索，边跨侧斜拉索两端分别锚固于主塔和地面处，跨中侧斜拉索两端分别锚固于主塔和加劲梁处，具体的计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
             　（1-1）
               （1-2）
Figure DEST_PATH_IMAGE018
                        （1-3）
式中：q为单位索长重量；H为拉索水平方向分力；
由积分可得拉索的长度S为：
            （1-4）
拉索由轴力引起的弹性伸长量△S为：
 （1-5）
于是，索的无应力索长S0为：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
        （1-6）
3）斜拉索布置方式三：斜拉索一端锚固地面，另外一端通过主塔顶部拉索转向装置后锚固于加劲梁处，斜拉索在主塔顶部转向装置内可以纵向滑动；
将斜拉索看成N1和N2两根索，斜拉索N1和N2索状态均满足公式（1-1）～（1-6），由于斜拉索在主塔顶部可纵向滑动，N1、N2索力的水平分力相等：
H1=H2      （1-7）
斜拉索在初始张拉温度作用下的斜拉索N1、N2的无应力索长S1和S2之和为定值：
                                S0=S1+S2                    （1-8）
温度对无应力索长的影响可以表示为：
                               S温度= S0（1+ a△t ）          （1-9）
式中：S0为斜拉索在初始张拉温度作用下的无应力索长；S温度为斜拉索在不同环境温度作用下的无应力索长；a为线膨胀系数；△t为相对初始张拉温度的环境温度变化值；
（5）拟定斜拉索初始张拉力和张拉温度，根据基于监测数据提出的荷载工况组合分析计算初始张拉后斜拉索索力的变化情况，提出满足有效协助主缆受力和保证主塔、加劲梁安全要求的斜拉索初始张拉力和初始张拉温度。
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