CN105404721B - 一种考虑刚度分配的协作桥合理成桥状态确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑刚度分配的协作桥合理成桥状态确定方法，属于桥梁施工技术领域，其以斜拉‑悬索协作体系桥梁的重叠区内吊索承担的主梁自重载荷比例a为参数对协作体系桥梁进行有限元仿真从而得到初次合理成桥状态；通过对初次合理成桥状态模型进行活载作用下的受力分析确定重叠区内吊索的应力幅；通过改变重叠区内吊索承担的主梁自重载荷比例a的大小得到多组吊索的应力幅；通过比选指标对多组吊索的应力幅进行比选从而实现最终成桥状态的确定。本发明针对存在重叠区的斜拉悬索协作体系桥梁，提出了一种考虑刚度分配的合理成桥状态确定方法，实现了活载作用下重叠区的合理过渡功能，保证了协作体系桥梁的稳定性。

Description

一种考虑刚度分配的协作桥合理成桥状态确定方法
技术领域
本发明涉及一种桥梁合理成桥状态的确定方法，属于桥梁施工技术领域，尤其涉及一种斜拉悬索协作体系桥梁合理成桥状态的确定方法。
背景技术
斜拉悬索协作体系桥的成桥状态确定是设计中要解决的一个结构受力问题，目前针对斜拉桥和悬索桥成桥状态的确定方法已经比较成熟，国内外桥梁专家提出了很多确定斜拉桥恒载合理索力的理论计算方法，主要有：刚性支承连续梁法、零位移法、内力平衡法、指定应力法、弯曲能量最小法、弯矩最小法、用索量最小法和影响矩阵法等，目前，悬索桥成桥线形的确定主要采用抛物线法、以悬链线索元为基础的递推法、虚拟梁法、影响矩阵法等。
对于常规的斜拉桥和悬索桥，结构体系刚度是统一的，通过影响矩阵法求解最优索力使得桥梁结构达到最优状态，变量和目标量是一致的，可以求得唯一解。而协作体系由于有斜拉悬索的重叠区，变量超过了目标量，现有方法已经不能适用，需增加约束条件方能确定合理的受力状态。
重叠区由于既有斜拉索，又有吊索，主梁自重由两者共同承担，同时，在荷载作用下，重叠区能发挥合理过渡的作用，重叠区的受力状态对全桥的受力状态至关重要，也对全桥的受力状态存在较大的影响，因此，对存在重叠区的斜拉悬索协作体系桥梁，需结合重叠区的刚度分配情况来确定合理的成桥状态。
目前，针对斜拉悬索协作体系桥梁的合理成桥状态确定方法主要有分部算法和迭代方法等。分部算法即将体系分解为斜拉桥和悬索桥分部，对两部分分别确定合理成桥状态，再进行组合、优化。迭代方法即直接以主塔纵向偏位和主梁竖向位移为目标，以斜拉索索力、主缆及吊杆张力为变量，进行成桥状态优化。
在中国期刊《公路交通科技》2015年8月版第32卷第8期上公开了“一种协作桥合理成桥状态确定方法研究”(j.issn.1002－0268.2015.08.018)，该论文分析了直接组合法确定斜拉-悬索协作桥合理成桥状态的不足之处，同时提出了一种确定协作桥合理成桥状态的迭代法，该方法以成桥时桥塔和主梁的位移最小为优化目标，通过迭代，不断调整斜拉体系主梁配重及斜拉索索力，使成桥时桥塔纵桥向不平衡力及主梁斜拉索锚固点处竖向不平衡力调整至接近于零；同时不断更新悬索体系主缆构形和缆索内力，使悬索体系主梁竖向位移接近于零。这样成桥时的桥塔将处于单纯受压状态，保持竖直，而主梁位于设计曲线上且内力处于刚性支承连续梁状态。该迭代法虽然可以有效地确定斜拉-悬索协作桥的合理成桥状态，但是该方法多针对无重叠区的斜拉悬索协作体系桥梁，对有重叠区的协作体系桥梁，则即要考虑结构构件的恒载受力状态合理，还要考虑重叠区发挥对活载的过渡功能，所以该论文提及的方法可能并不适用，同时该论文的迭代法算法复杂，需要消耗大量人力，而且有因各种外在因素造成计算错误，不利于快速高效地确定斜拉-悬索协作桥合理成桥状态。
在西南交通大学硕士学位论文公开了一篇名为《1700米主跨斜拉-悬索协作体系桥梁方案设计和静动力计算分析研究》的硕士论文，在该论文的第三章3.3节部分公开了一种斜拉-悬索协作体系桥梁合理成桥状态的确定方法，该毕业论文采用MIDAS/CIVIL有限元计算软件，可以方便的建立基于梁单元的斜拉悬索协作体系桥梁有限元模型。参考斜拉桥与悬索桥合理成桥状态确定的理论，该论文按照三步确定斜拉-悬索协作体系理成桥状态，先分别建立两种体系的合理成桥状态，然后把两个模型融合在一起再进行精确分析，最终确定斜拉-悬索协作体系桥梁的合理成桥状态。该分部算法即将体系分解为斜拉桥和悬索桥分部，对两部分分别确定合理成桥状态，再进行组合、优化，这种方法不适合有重叠区的协作体系桥梁的合理成桥状态的确定，所以该论文提供的方法不能适用于需要考虑重叠区的斜拉-悬索协作体系桥梁合理成桥状态的确定。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的问题提出了改进，即本发明要解决的技术问题是提供一种斜拉-悬索协作体系桥梁合理成桥状态的确定方法，通过该方法不仅可以快速高效地确定斜拉-悬索协作体系桥梁成桥状态，而且能够使得斜拉-悬索协作体系桥梁的结构更加稳定合理。
本发明解决技术问题的技术方案是提供一种考虑刚度分配的协作桥合理成桥状态确定方法，包括以斜拉-悬索协作体系桥梁的重叠区内吊索承担的主梁自重载荷比例a为参数对协作体系桥梁进行有限元仿真从而完成恒载作用下初次合理成桥状态的确定，其特征在于：通过对仿真得到的初次合理成桥状态模型进行活载作用下的受力分析确定重叠区内吊索的应力幅；通过改变重叠区内吊索承担的主梁自重载荷比例a的大小得到多组重叠区内吊索的应力幅；通过比选指标对多组重叠区内吊索的应力幅进行比选从而实现最终成桥状态的确定。
本发明的一种优选实施方案中，所述比选指标为重叠区吊索的平均应力幅或者均方根应力幅。
本发明的一种优选实施方案中,所述比选指标最小的一组为最优的斜拉-悬索协作体系桥梁的重叠区内吊索载荷分配比例。
本发明的一种优选实施方案中,所述斜拉-悬索协作体系桥梁的重叠区内吊索承担的主梁自重载荷比例a的取值范围是0.3-0.7。
本发明的一种优选实施方案中，对斜拉-悬索协作体系桥梁进行有限元仿真的具体步骤包括：(1)确定恒载作用下斜拉-悬索协作体系桥梁各体系承担的载荷；(2)建立全桥的有限元仿真模型；(3)以主梁位移、塔偏、主梁弯矩、斜拉索和吊索索力为目标，进行初次合理成桥状态的确定；(4)确定斜拉索、主缆和吊索的无应力长度。
本发明的一种优选实施方案中，确定恒载作用下斜拉-悬索协作体系桥梁各段承担的载荷的步骤包括：悬索体系承担的荷载比例为a，斜拉体系承担的荷载比例为(1-a)；悬索体系和斜拉体系独立承担的主梁自重荷载为g，则悬索体系和斜拉体系承担的荷载分别为ag和(1-a)g。
本发明的一种优选实施方案中，利用确定的最终成桥状态，可以确定斜拉悬索协作体系桥梁合拢口位置的确定。
本发明的一种优选实施方案中，所述斜拉悬索协作体系桥梁的合拢口位于协作体系桥梁的重叠区且靠近斜拉区。
本发明的有益效果是：本发明针对存在重叠区的斜拉悬索协作体系桥梁，提出了一种考虑刚度分配的合理成桥状态确定方法，实现了活载作用下重叠区的合理过渡功能，从而保证了斜拉-悬索协作体系桥梁合理成桥状态的稳定性。
附图说明
图1为本发明一种考虑刚度分配的协作桥合理成桥状态确定方法的流程图；
图2为本发明一种考虑刚度分配的协作桥合理成桥状态确定方法的斜拉-悬索协作体系桥梁局部示意图；
图3为本发明一种考虑刚度分配的协作桥合理成桥状态确定方法的斜拉-悬索协作体系桥梁的悬索体系承担的载荷示意图；
图4为本发明一种考虑刚度分配的协作桥合理成桥状态确定方法的斜拉-悬索协作体系桥梁的斜拉体系承担的载荷示意图；
图中：1-协作体系桥梁斜拉段；2-协作体系桥梁悬索段。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
由本发明一种考虑刚度分配的协作桥合理成桥状态确定方法的流程图图1可知，本发明的总体思路为：基于不同部位重叠索结构荷载分配策略，结合常规方法(如影响矩阵法)，对成桥受力状态进行优化，以活载作用下重叠区发挥合理过渡功能为目标，确定斜拉悬索协作体系桥梁的合理成桥状态。具体包括以下步骤：
首先，假定在重叠区内，斜拉索和吊索承担的主梁自重荷载比例，如图2、图3和图4所示，悬索体系承担的荷载比例为a，斜拉体系承担的荷载比例为(1-a)。悬索体系和斜拉体系独立承担的主梁自重荷载为g，则悬索体系和斜拉体系承担的荷载分别为ag和(1-a)g。然后，利用TDV或者MIDAS仿真软件建立全桥的有限元仿真模型，以主梁位移、塔偏、主梁弯矩、斜拉索和吊索索力等为目标，进行成桥状态优化，确定斜拉索、主缆和吊索的无应力长度。接着进行活载作用下的受力分析，确定重叠区吊索的应力幅[σ1,σ2…σn]1。活载受力分析采用移动荷载分析方法，即将移动的车辆荷载和车道荷载施加于桥梁结构。然后，改变悬索体系和斜拉体系承担的荷载比例a，重复步骤1至3，确定重叠区吊索的应力幅[σ1,σ2…σn]2…[σ1,σ2…σn]m等；最后，按照一定的比选指标(如平均应力幅，均方根应力幅等)对上述m种荷载分配比例进行对比，选择比选指标最小的一组为最优的荷载分配比例，由此，与相应荷载分配比例对应的成桥状态即为存在重叠区的斜拉悬索体系桥梁的合理成桥状态。通过仿真获得的合理成桥状态不仅以用来确定施工状态，即缆索体系的无应力长度用作施工阶段仿真分析，而且还可以确定斜拉悬索协作体系桥梁合拢口位置的确定，斜拉悬索协作体系桥梁的合拢口位于协作体系桥梁的重叠区且靠近斜拉区，在协作体系桥梁的具体施工中，就是利用获取的最终成桥状态施工建设斜拉悬索协作体系桥，所以本发明具有良好的实际工程应用意义。
本发明提出的考虑刚度分配的合理成桥状态确定方法，采用斜拉桥分部和悬索桥分部的直接优化方法，同时综合对比在不同斜拉索和吊索荷载分配比例下，重叠区吊索的平均应力幅，进行合理成桥状态的二次优化。与常规方法的主要区别在于，本发明综合考虑了恒载和活载作用下结构的受力状态。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种考虑刚度分配的协作桥合理成桥状态确定方法，包括以斜拉-悬索协作体系桥梁的重叠区内吊索承担的主梁自重载荷比例a为参数对协作体系桥梁进行有限元仿真从而完成恒载作用下初次合理成桥状态的确定，其特征在于：通过对仿真得到的初次合理成桥状态模型进行活载作用下的受力分析确定重叠区内吊索的应力幅；通过改变重叠区内吊索承担的主梁自重载荷比例a的大小得到多组重叠区内吊索的应力幅；通过比选指标对多组重叠区内吊索的应力幅进行比选从而实现最终成桥状态的确定。
2.如权利要求1所述的一种考虑刚度分配的协作桥合理成桥状态确定方法，其特征在于：所述比选指标为重叠区吊索的平均应力幅或者均方根应力幅。
3.如权利要求1或2所述的一种考虑刚度分配的协作桥合理成桥状态确定方法，其特征在于：所述比选指标最小的一组为最优的斜拉-悬索协作体系桥梁的重叠区内吊索载荷分配比例。
4.如权利要求1所述的一种考虑刚度分配的协作桥合理成桥状态确定方法，其特征在于：所述斜拉-悬索协作体系桥梁的重叠区内吊索承担的主梁自重载荷比例a的取值范围是0.3-0.7。
5.如权利要求1所述的一种考虑刚度分配的协作桥合理成桥状态确定方法，其特征在于：对斜拉-悬索协作体系桥梁进行有限元仿真的具体步骤包括：
(1)确定恒载作用下斜拉-悬索协作体系桥梁各体系承担的载荷；
(2)建立全桥的有限元仿真模型；
(3)以主梁位移、塔偏、主梁弯矩、斜拉索和吊索索力为目标，
进行初次合理成桥状态的确定；
(4)确定斜拉索、主缆和吊索的无应力长度。
6.如权利要求5所述的一种考虑刚度分配的协作桥合理成桥状态确定方法，其特征在于：确定恒载作用下斜拉-悬索协作体系桥梁各段承担的载荷的步骤包括：悬索体系承担的荷载比例为a，斜拉体系承担的荷载比例为(1-a)；悬索体系和斜拉体系独立承担的主梁自重荷载为g，则悬索体系和斜拉体系承担的荷载分别为ag和(1-a)g。
7.如权利要求1所述的一种考虑刚度分配的协作桥合理成桥状态确定方法，其特征在于：确定了最终成桥状态后，利用获取的最终成桥状态施工建设斜拉悬索协作体系桥。
8.如权利要求1或7所述的一种考虑刚度分配的协作桥合理成桥状态确定方法，其特征在于：利用确定的最终成桥状态，可以确定斜拉悬索协作体系桥梁合拢口位置的确定。
9.如权利要求8所述的一种考虑刚度分配的协作桥合理成桥状态确定方法，其特征在于：所述斜拉悬索协作体系桥梁的合拢口位于协作体系桥梁的重叠区且靠近斜拉区。
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