CN104715149B - 悬索桥施工过程中加劲梁测量坐标修正方法 - Google Patents
悬索桥施工过程中加劲梁测量坐标修正方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种悬索桥施工过程中考虑风致变形的加劲梁测量坐标修正方法，首先测量出含有风致变形的加劲梁坐标，并同步测试桥位风速、风攻角和风向角。利用指数型风剖面函数求得各点的风速，并将风速分解成横桥向风速和纵桥向风速。将加劲梁、桥塔、主缆和吊杆风荷载施加在有限元模型上，并计算出风致变形值；将其在加劲梁坐标测量值中扣除，即可获得零风速时的加劲梁坐标，即真实的加劲梁坐标。通过该方法可以实现对悬索桥加劲梁坐标测量值进行风致变形的修正，因此测量坐标不用再等待无风或微风时段，可以避免延误工期。
Description
技术领域
本发明属于桥梁抗风设计和施工监控领域，涉及一种悬索桥施工过程中加劲梁测量坐标修正方法。
背景技术
悬索桥的跨越能力在常见桥型中独占鳌头。随着桥梁设计和施工水平的不断提高，悬索桥跨度记录不断被刷新，如已建成的日本明石海峡大桥(主跨1991m)和中国西堠门大桥(主跨1665m)，以及正在施工的意大利墨西拿海峡大桥(主跨3300m)和中国的杨泗港长江大桥(主跨1700m)。悬索桥的长大化发展导致结构轻柔化，因此对风荷载作用越来越敏感，尤其在施工阶段。
在悬索桥施工过程中，对加劲梁坐标的准确测量是施工监控的一项重要内容，因为它涉及到桥梁的施工质量和成桥线形。为避免风致变形引起的测量误差，测量时间一般选择在无风或微风的时段。但是在沿海地区和山区峡谷地带，常年风速都很大。由于加劲梁坐标测量频度高，如果等待无风或微风时段，将导致施工工期的延长，延误通车时间。
因此，需要一种考虑风致变形的加劲梁测量坐标修正方法以解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术中在悬索桥施工过程中，对加劲梁测量坐标修正不方便的缺陷，提供一种考虑风致变形的悬索桥施工过程中加劲梁测量坐标修正方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的悬索桥施工过程中加劲梁测量坐标修正方法采用如下技术方案：
一种悬索桥施工过程中加劲梁测量坐标修正方法，所述悬索桥包括桥塔、吊杆和主缆，包括以下步骤：
1)、根据桥位地形确定地表粗糙度系数γ；
2)、识别出桥梁加劲梁断面的三分力系数以及桥塔、吊杆和主缆的阻力系数；
3)、在桥塔顶部安装风速测试仪，测量桥塔顶部的风速、风攻角和风向角；
4)、测量加劲梁坐标(X0,Y0,Z0)，并同步记录桥塔顶部的风速U、风攻角α0和风向角β；
5)、利用下式将风速U分解并利用指数型风速剖面求得加劲梁处的纵桥向风速USi(本文所述的纵桥向即为顺桥向)和横桥向风速UHi：
式中，USi为加劲梁处的纵桥向风速，UHi为加劲梁处的横桥向风速，Hi为加劲梁的高度，HT为桥塔顶部的高度，U为桥塔顶部的风速，γ为地表粗糙度系数，β为桥塔顶部的风向角；
6)、计算纵桥向风速引起的作用在加劲梁上的摩擦力：
F＝ηSLUSi
式中，η为摩擦系数；S为加劲梁截面周长；L为加劲梁长度；USi为加劲梁处的顺桥向风速；
7)、分别计算纵桥向风速和横桥向风速作用在主缆、桥塔和吊杆上的阻力：
DSi＝ρU2CH(β)w/2
DHi＝ρU2CV(β)w/2
式中，DSi和DHi分别表示桥塔、吊杆或主缆的顺桥向阻力和横桥向阻力；CH(β)和CV(β)分别表示桥塔、吊杆或主缆的顺桥向阻力系数和横桥向阻力系数；w表示主缆、桥塔或吊杆的宽度；ρ为空气密度，β为桥塔顶部的风向角；
8)、建立桥梁的有限元模型，在自重作用下非线性求解，提取各加劲梁单元扭转角，计算该状态下的三分力系数，此时，加劲梁的有效攻角均等于初始攻角α0；
9)、计算在横桥向风速引起的作用在加劲梁单位长度的横向风荷载PH、竖向风荷载PV和扭转力矩PM：
式中，CH(α)、CV(α)、CM(α)分别表示在有效攻角下加劲梁的阻力、升力、升力矩系数，所谓有效攻角是指静风初始攻角与静风作用引起的加劲梁扭转角之和；h和b分别表示加劲梁的侧向投影高度和宽度；ρ为空气密度；UHi为横桥向风速；
10)、在桥梁各单元上施加步骤6)、步骤7)和步骤9)计算的静风荷载，采用牛顿迭代法进行结构几何非线性求解，获得收敛解；
11)、提取桥梁加劲梁各单元扭转角，检查扭转角的欧几里得范数是否小于允许误差εk；其中，所述的扭转角的欧几里得范数用下式表达：
式中，Na为加劲梁单元总数；θ为扭转角；i为当前荷载步编号；j为梁单元序号；εk为允许误差；
12)、如果欧几里得范数大于允许误差εk，则重复步骤9)-11)；如果欧几里得范数小于等于允许误差εk，说明本级风速计算结果收敛，输出测量点的位移值(xwind,ywind，zwind)；
13)、在坐标测量值(X0,Y0,Z0)中将步骤12)计算得到的测量点的位移值扣除：
Xreal＝X0-xwind
Yreal＝Y0-ywind
Zreal＝Z0-zwind
即得到真实的加劲梁测量坐标(Xreal,Yreal,Zreal)。
更进一步的，步骤2)所述的桥梁加劲梁断面的三分力系数以及桥塔、吊杆和主缆的阻力系数基于计算流体力学或风洞试验得到。
有益效果：本发明悬索桥施工过程中加劲梁测量坐标修正方法考虑了风致变形，通过该方法可以实现对悬索桥加劲梁坐标测量值进行风致变形的修正，因此测量坐标不用再等待无风或微风时段，可以避免延误工期。
附图说明
图1为初始风攻角α0的示意图；
图2为风偏角β的示意图；
图3为横桥向风速引起的作用在桥梁断面上的静风荷载及相关参数；
图4为本发明的实施步骤流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本
发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1
悬索桥施工过程中考虑风致变形的加劲梁测量坐标修正方法，包括以下步骤：
(1)根据桥位地形确定地表粗糙度系数γ。
(2)基于计算流体力学技术或风洞试验识别出桥梁加劲梁断面的三分力系数，以及桥塔、吊杆和主缆的阻力系数，并将其以可调用数组方式进行存储，为加劲梁、桥塔、吊杆和主缆所受气动力的计算奠定基础。
(3)在桥塔顶部安装风速测试仪，用于测试桥位处的风速U、风攻角α0和风向角β。
(4)测量加劲梁坐标(X0,Y0,Z0)，并同步记录桥塔顶部风速、风攻角和风向角。
(5)将风速分解并利用指数型风速剖面求解加劲梁处纵桥向风速和横桥向风速。
(6)计算纵桥向风速引起的作用在加劲梁上的摩擦力。
(7)计算纵桥向和横桥向风速作用在主缆、桥塔和吊杆上的阻力。
(8)建立桥梁的有限元模型，在自重作用下非线性求解。提取各加劲梁单元扭转角
(为左右两节点扭转位移的平均值)，计算该状态下的三分力系数；此时，加劲梁的有效攻角均等于初始攻角α0。
(9)计算在横桥向风速引起的作用在加劲梁单位长度的横向风荷载PH、竖向风荷载PV和扭转力矩PM。
(10)在桥梁各单元上施加步骤(6)、步骤(7)和步骤(9)计算的静风荷载，采用Newton-Rapson法进行结构几何非线性求解，获得收敛解，其中，Newton-Rapson法即为牛顿迭代法。
(11)提取桥梁加劲梁各单元扭转角(左右两节点扭转位移的平均值)，检查扭转角
的欧几里得范数是否小于允许值。
(12)如果范数大于允许值，重复第(9)～(11)步。
(13)如果范数小于允许值，说明本级风速计算结果收敛，输出测量点的位移值(xwind,ywind,zwind)。
(14)在坐标测量值中将上步计算的位移值扣除，得到真实的加劲梁测量坐标：
Xreal＝X0-xwind
Yreal＝Y0-ywind
Zreal＝Z0-zwind。
Claims (2)
1.一种悬索桥施工过程中加劲梁测量坐标修正方法，所述悬索桥包括桥塔、吊杆和主缆，其特征在于，包括以下步骤：
1)、根据桥位地形确定地表粗糙度系数γ；
2)、识别出桥梁加劲梁断面的三分力系数以及桥塔、吊杆和主缆的阻力系数；
3)、在桥塔顶部安装风速测试仪，测量桥塔顶部的风速、风攻角和风向角；
4)、测量加劲梁坐标(X0,Y0,Z0)，并同步记录桥塔顶部的风速U、风攻角α0和风向角β；
5)、利用下式将风速U分解并利用指数型风速剖面求得加劲梁处的顺桥向风速USi和横桥向风速UHi：
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<mi>n</mi>
<mi>&beta;</mi>
</mrow>
式中，USi为加劲梁处的顺桥向风速，UHi为加劲梁处的横桥向风速，Hi为加劲梁的高度，HT为桥塔顶部的高度，U为桥塔顶部的风速，γ为地表粗糙度系数，β为桥塔顶部的风向角；
6)、计算顺桥向风速引起的作用在加劲梁上的摩擦力：
F＝ηSLUSi
式中，η为摩擦系数；S为加劲梁截面周长；L为加劲梁长度；USi为加劲梁处的顺桥向风速；
7)、分别计算顺桥向风速和横桥向风速作用在主缆、桥塔和吊杆上的阻力：
DSi＝ρU2CH(β)w/2
DHi＝ρU2CV(β)w/2
式中，DSi和DHi分别表示桥塔、吊杆或主缆的顺桥向阻力和横桥向阻力；CH(β)和CV(β)分别表示桥塔、吊杆或主缆的顺桥向阻力系数和横桥向阻力系数；w表示主缆、桥塔或吊杆的宽度；ρ为空气密度，β为桥塔顶部的风向角；
8)、建立桥梁的有限元模型，在自重作用下非线性求解，提取各加劲梁单元扭转角，计算该状态下的三分力系数，此时，加劲梁的有效攻角均等于初始攻角α0；
9)、计算在横桥向风速引起的作用在加劲梁单位长度的横向风荷载PH、竖向风荷载PV和扭转力矩PM：
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式中，CH(α)、CV(α)、CM(α)分别表示在有效攻角下加劲梁的阻力、升力、升力矩系数，所谓有效攻角是指静风初始攻角与静风作用引起的加劲梁扭转角之和；h和b分别表示加劲梁的侧向投影高度和宽度；ρ为空气密度；UHi为横桥向风速；
10)、在桥梁各单元上施加步骤6)、步骤7)和步骤9)计算的静风荷载，采用牛顿迭代法进行结构几何非线性求解，获得收敛解；
11)、提取桥梁加劲梁各单元扭转角，检查扭转角的欧几里得范数是否小于允许误差εk；其中，所述的扭转角的欧几里得范数用下式表达：
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</mrow>
式中，Na为加劲梁单元总数；θ为扭转角；i为当前荷载步编号；j为梁单元序号；εk为允许误差；
12)、如果欧几里得范数大于允许误差εk，则重复步骤9)-11)；如果欧几里得范数小于等于允许误差εk，说明本级风速计算结果收敛，输出测量点的位移值(xwind,ywind,zwind)；
13)、在坐标测量值(X0,Y0,Z0)中将步骤12)计算得到的测量点的位移值扣除：
Xreal＝X0-xwind
Yreal＝Y0-ywind
Zreal＝Z0-zwind
即得到真实的加劲梁测量坐标(Xreal,Yreal,Zreal)。
2.如权利要求1所述的悬索桥施工过程中加劲梁测量坐标修正方法，其特征在于，步骤2)所述的桥梁加劲梁断面的三分力系数以及桥塔、吊杆和主缆的阻力系数基于计算流体力学或风洞试验得到。
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