CN107391811A - 一种钢桁梁桥杆件检算方法及系统 - Google Patents

一种钢桁梁桥杆件检算方法及系统 Download PDF

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CN107391811A CN201710527327.8A CN201710527327A CN107391811A CN 107391811 A CN107391811 A CN 107391811A CN 201710527327 A CN201710527327 A CN 201710527327A CN 107391811 A CN107391811 A CN 107391811A
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马志伟
张海燕
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Abstract

本发明提供了一种钢桁梁桥杆件检算方法及系统，涉及桥梁设计领域。所述方法包括：步骤1，基于待设计钢桁梁桥的结构参数和荷载，计算所述钢桁梁桥主桁架中待检算杆件的控制内力值；步骤2，基于所述控制内力值，利用预设杆件检算模型获取所述待检算杆件的检算结果。通过计算待检算杆件的控制内力值，并将控制内力作为预设杆件检算模型输入，输出待检算杆件的检算结果，即可获知待检算杆件的设计是否满足要求，实现了自动检算，且检算结果准确客观。

Description

一种钢桁梁桥杆件检算方法及系统
技术领域
本发明实施例涉及桥梁设计领域，更具体地，涉及一种钢桁梁桥杆件检算方法及系统。
背景技术
钢桁梁桥综合了钢材和桁架结构的特点，钢桁梁具有跨越能力强、适合工业化制造、便于运输安装以及易于修复更换等优点，所以钢桁梁桥在桥梁建设中一直占有重要地位。同时，钢桁梁桥结构复杂，钢桁梁桥主桁架中杆件内力可能因荷载及地基等的变化而发生改变，为了保证钢桁梁桥投入使用后安全可靠，在对钢桁梁桥进行设计之初就必须对主桁架中杆件进行严格的杆件检算。
目前在桥梁设计中对桥梁结构件的检算一般采用两种方式，其一是采用桥梁设计软件中的检算模块对需检算的结构件进行检算。其二是采用人工检算，通过人工计算的方式对需检算的结构件进行检算。
但是，目前应用比较广泛的桥梁设计软件，如桥梁通、桥梁大师和Midas等，都不是专门针对钢桁梁桥的设计软件。其中，桥梁通和桥梁大师主要用于桥梁的下部结构设计，Midas主要用于预应力箱型桥梁、悬索桥、斜拉桥等特殊结构桥梁的设计，无法满足钢桁梁桥主桁中杆件的检算需求。另外，人工检算费时费力，且检算结果的准确性依赖于检算人员的经验和知识水平，不具客观性。
发明内容
本发明实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的钢桁梁桥杆件检算方法及系统。
一方面本发明实施例提供了一种钢桁梁桥杆件检算方法，包括：
步骤1，基于待设计钢桁梁桥的结构参数和荷载，计算所述钢桁梁桥主桁架中待检算杆件的控制内力值；
步骤2，基于所述控制内力值，利用预设杆件检算模型获取所述待检算杆件的检算结果。
其中，在步骤1之前还包括：
建立所述待设计钢桁梁桥模型，获取所述待设计钢桁梁桥的结构参数。
其中，所述荷载包括恒载、活载和附加力荷载。
其中，所述步骤1具体包括：
根据所述结构参数计算所述待检算杆件的影响线面积；
根据所述影响线面积和所述荷载计算所述待检算杆件的控制内力值。
其中，所述预设杆件检算模型具体为：
以所述待检算杆件的控制内力值和截面特性值为输入，通过相关验算后，以所述待检算杆件的检算结果为输出构建的模型；其中，所述相关验算包括刚度验算、强度验算和稳定验算中的一种或多种。
其中，所述检算结果包括满足要求和不满足要求，其中，
所述检算结果为满足要求时，对应的所述相关验算全部通过；
所述检算结果为不满足要求时，对应的所述相关验算中至少有一项不通过。
另一方面本发明实施例提供了一种钢桁梁桥杆件检算系统，包括：
内力计算模块，用于基于待设计钢桁梁桥的结构参数和荷载，计算所述钢桁梁桥主桁架中待检算杆件的控制内力值；
检算模块，用于基于所述控制内力值，利用预设杆件检算模型获取所述待检算杆件的检算结果。
其中，所述系统还包括建模模块，用于建立所述待设计钢桁梁桥模型，获取所述待设计钢桁梁桥的结构参数。
其中，所述内力计算模块具体用于：
根据所述结构参数计算所述待检算杆件的影响线面积；
根据所述所述影响线面积和所述荷载计算所述待检算杆件的控制内力值。
其中，所述检算模块进一步包括：
输入子模块，用于输入所述待检算杆件的控制内力值和截面特性值；
验算子模块，用于对所述待检算杆件进行相关验算，所述相关验算包括刚度验算、强度验算和稳定验算中的一种或多种；
输出子模块，用于输出所述待检算杆件的检算结果。
本发明实施例提供的一种钢桁梁桥杆件检算方法及系统，通过计算待检算杆件的控制内力值，并将控制内力作为预设杆件检算模型输入，输出待检算杆件的检算结果，即可获知待检算杆件的设计是否满足要求，实现了自动检算，且检算结果准确客观。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种钢桁梁桥杆件检算方法流程图；
图2为图1所述实施例中步骤S1的具体流程图；
图3为图1所述实施例中影响线面积计算示意图；
图4为本发明实施例提供的一种钢桁梁桥杆件检算系统的结构框图；
图5为本发明实施例提供的一个实例中单跨的8m×8钢桁梁桥的钢桁梁结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的一种钢桁梁桥杆件检算方法流程图，如图1所示，所述方法包括：S1，基于待设计钢桁梁桥的结构参数和荷载，计算所述钢桁梁桥主桁架中待检算杆件的控制内力值；S2，基于所述控制内力值，利用预设杆件检算模型获取所述待检算杆件的检算结果。
在步骤S1中，所述待设计钢桁梁桥的结构参数和荷载需要根据实际情况进行设计和选定，例如所述钢桁梁桥的建造环境、地势以及用途等。所述主桁架中包含多根杆件，一般包括上弦杆、下弦杆和腹杆，需要对每根杆件进行一一检算以保证桥梁的安全可靠。所述控制内力值是指待检算杆件安全可靠工作前提下能够承受的最大内力值，是进行杆件检算的基础。
具体地，选取待检算杆件，确定所述待检算杆件的类型，根据结构参数和荷载计算出待检算杆件的控制内力值，最终计算出主桁架中每根杆件的控制内力值，在实际实现时，可以将主桁架中的杆件和对应的控制内力值以表格的形式存储，以供后续检算时调用。
在步骤S2中，所述预设杆件检算模型以所述待检算杆件的控制内力值和其他已知参数为输入，输出所述待检算杆件的检算结果，即判断所述待检算杆件是否满足要求。
具体地，通过所述预设杆件检算模型判断所述待检算杆件是否满足要求，若满足要求则说明该带检算杆件设计合理，能够保证投入使用后安全可靠。判断为不满足要求，则需要对杆件的其他已知参数进行调整，然后再进行步骤S2，直至所述检算结果为满足要求；或者对待设计钢桁梁桥的结构参数进行重新设计，然后再进行步骤S1-S2，直至所述检算结果为满足要求。
本发明实施例提供的一种钢桁梁桥杆件检算方法，通过计算待检算杆件的控制内力值，并将控制内力作为预设杆件检算模型输入，输出待检算杆件的检算结果，即可获知待检算杆件的设计是否满足要求，实现了自动检算，且检算结果准确客观。
在上述实施例中，在步骤S1之前还包括：
建立所述待设计钢桁梁桥模型，获取所述待设计钢桁梁桥的结构参数。
其中，所述结构参数包括：所述待设计钢桁梁桥的跨度、所述主桁架的几何图式、所述主桁架的高度、节间长度、所述主桁架中心距以及斜杆倾角。
所述待设计钢桁梁桥的跨度根据实际需求获取。所述主桁架的几何图式是由主桁架各杆件轴线所形成的几何图形，通常有三角形、斜杆型、双重腹杆型等，可以根据实际需求选取。根据钢桁梁桥的跨度以及主桁架的几何图式，设定主桁架的高度。
所述节间长度是指两个节点之间的间隔距离，根据钢桁梁桥的跨度L和钢桁梁的承载方式选取，例如，铁路钢桁梁桥中，中小跨径的钢桁梁，上承式桁架的节间长度一般设定为3～6米，下承式桁架的节间长度一般设定为6～10米，跨径较大的下承式钢桁梁节间可设置为12～15米；相应地，公路钢桁梁桥的节间长度相较于铁路钢桁梁桥可以适当增大。
斜杆倾角有主桁高度和节间长度的比值决定，有竖杆的钢桁梁的斜杆倾角设置在50°左右，无竖杆的钢桁梁的斜杆倾角设置在60°左右，斜杆倾角与主桁高、节间长度有矛盾时，可在合理范围内对斜杆倾角进行调整。
主桁中心距由钢桁梁的横向刚度和稳定性决定，下承式钢桁梁桥的主桁中心距还应满足桥梁建筑限界的而要求，上承式钢桁梁桥的主桁中心距还要考虑横向倾覆稳定性的要求，抗倾覆稳定安全系数不得小于1.3。
具体地，在设定上述参数时，要综合考虑各种影响因子，相互协调，尽可能采用标准化和模数化，以使得设计、制造、安装、养护和更换工作简单方便。
在上述实施例中，所述荷载包括恒载、活载和附加力荷载。
其中，所述恒载和所述活载产生的内力为主力产生的内力，恒载是指钢桁梁桥的自重产生的荷载，一般包括钢桁梁桥面系的自重和主桁的自重。在铁路钢桁梁桥中作用在主桁架上活载主要有列车竖向活载和列车横向摇摆力及公路荷载，列车竖向活载采用“中-活载”。附加力一般包括横向风力和制动力。
具体地，恒载的计算一般有两种方式，第一种是根据已有设计资料估算钢桁梁桥的自重，第二种是根据理论公式计算钢桁梁桥的自重。
在上述实施例中，如图2所示，所述步骤S1具体包括：S11，根据所述结构参数计算所述待检算杆件的影响线面积；S12，根据所述影响线面积和所述荷载计算所述待检算杆件的控制内力值。
在S11中，分别作出恒载、活载和附加力荷载的影响线，并计算对应的影响线面积。主桁架的中杆件的类型不同，作出的杆件的影响线也不同，对应的影响线面积也不同。
例如，参考图3，假设某一待设计钢桁梁桥采用的主桁架几何图式为三角形，主桁架中斜杆的影响线如图3a所示，弦杆的影响线如图3b所示。其中弦杆的影响线面积计算公式如下：
斜杆影响线面积根据如下公式计算：
∑Ω＝Ω1+Ω2
其中：
影响线面积为正说明杆件作为受拉杆件，影响线面积为负表明杆件为受压杆件。
在步骤S12中，恒载产生的内力为：
Np＝pΩ0
其中，p为每片主桁的均布恒载
活载产生的内力为：
Nk＝ηk(1+μ)mekΩk+m人p人Ωk
其中，(1+μ)为活载冲击系数，ηk为活载发展均衡系数，me为车辆横向分布系数，k为车辆荷载强度，m人为人群横向分布系数，p人为车辆荷载强度，Ωk为活载作用下杆件的影响线面积。
在算出荷载产生的杆件主力及附加力荷载产生的杆件附加力后，要将他们按主力或主力+附加力进行组合，从而确定杆件的控制内力值。
在上述实施例中，所述预设杆件检算模型具体为：
以所述待检算杆件的控制内力值和截面特性值为输入，通过相关验算后，以所述待检算杆件的检算结果为输出构建的模型；其中，所述相关验算包括刚度验算、强度验算和稳定验算中的一种或多种。
其中，主桁架中杆件截面可采用H型和箱形，所述截面特性是指截面形式中竖板和腹板的尺寸。在进行杆件检算前，需先将所述待检算杆件的截面形式选定并设计好。那么，所述控制内力值和所述截面特性值在进行杆件检算前都为已知。所述强度验算包括拉力强度验算和疲劳强度验算，所述稳定验算包括总体稳定验算和局部稳定验算。所述预设杆件检算模型中的所述相关验算的内容需根据所述待检算杆件的类型进行选取，例如，在主桁架几何形式为三角形的钢桁梁桥中，上弦杆对应的所述相关验算包括刚度验算、总体稳定验算和局部稳定验算。
具体地，在利用所述预设杆件检算模型进行杆件检算时，先根据所要检算的杆件类型选取对应的所述相关验算内容，再将待检算杆件的控制内力值和截面特性值输入所述预设杆件模型，对所述待检算杆件进行选取好的相关验算，最终输出对应的杆件检算结果。
进一步地，待检算杆件强度验算必须满足实际选择的毛截面面积Am不小于所需的毛截面面积Amx，即：Am≥Amx，其中，H型杆件毛截面积Am计算公式
其中，S_L为竖板宽，S_B为竖板厚，H_L为腹板宽，H_B为腹板厚，Q为待检算杆件基本允许应力。
待检算杆件的稳定验算包括总体稳定验算和局部稳定验算，其中，总体稳定验算必须满足实际承受的应力Qs不大于基本允许应力Q，即：QS≤Q，其中，
其中，Zjx为x轴截面折减系数。
局部稳定验算必须满足实际宽厚比不大于允许宽厚比。
待检算杆件的刚度验算必须满足实际长细比Lsx不大于允许长细比Ls，即：Lsx≤Ls，其中，
其中，Rx为待检算杆件的回转半径。
在上述实施例中，所述检算结果包括满足要求和不满足要求，其中，
所述检算结果为满足要求时，对应的所述相关验算全部通过；
所述检算结果为不满足要求时，对应的所述相关验算中至少有一项不通过。
具体地，所述待检算杆件要满足要求，必须通过所述相关验算的全部项目，若有一项不通过时，就必须对相关参数进行调整后再次进行验算，直至每项通过后输出的检算结果为满足要求，进而保证待检算杆件的安全可靠。
图4为本发明实施例提供的一种钢桁梁桥杆件检算系统的结构框图，所述系统包括：内力计算模块41和检算模块42，其中：
内力计算模块41用于基于待设计钢桁梁桥的结构参数和荷载，计算所述钢桁梁桥主桁架中待检算杆件的控制内力值。检算模块42用于基于所述控制内力值，利用预设杆件检算模型获取所述待检算杆件的检算结果。
其中，所述待设计钢桁梁桥的结构参数和荷载需要根据实际情况进行设计和选定，例如所述钢桁梁桥的建造环境、地势以及用途等。所述主桁架中包含多根杆件，一般包括上弦杆、下弦杆和腹杆，需要对每根杆件进行一一检算以保证桥梁的安全可靠。所述控制内力值是指待检算杆件安全可靠工作前提下能够承受的最大内力值，是进行杆件检算的基础。另外，所述预设杆件检算模型以所述待检算杆件的控制内力值和其他已知参数为输入，输出所述待检算杆件的检算结果，即判断所述待检算杆件是否满足要求。
具体地，选取待检算杆件，确定所述待检算杆件的类型，内力计算模块41根据结构参数和荷载计算出待检算杆件的控制内力值，最终计算出主桁架中每根杆件的控制内力值，在实际实现时，可以将主桁架中的杆件和对应的控制内力值以表格的形式存储，以供后续检算模块42检算时调用。
通过检算模块42判断所述待检算杆件是否满足要求，若满足要求则说明该带检算杆件设计合理，能够保证投入使用后安全可靠。判断为不满足要求，则需要对杆件的其他已知参数进行调整，然后再用检算模块42进行检算，直至所述检算结果为满足要求；或者对待设计钢桁梁桥的结构参数进行重新设计，然后再用内力计算模块41计算待检算杆件的控制内力值，再基于所述控制内力值，经检算模块42检算，直至所述检算结果为满足要求。
本发明实施例提供的一种钢桁梁桥杆件检算系统，通过内力计算模块计算待检算杆件的控制内力值，并将控制内力作为预设杆件检算模型输入，输出待检算杆件的检算结果，即可获知待检算杆件的设计是否满足要求，实现了自动检算，且检算结果准确客观。
在上述实施例中，所述系统还包括建模模块，用于建立所述待设计钢桁梁桥模型，获取所述待设计钢桁梁桥的结构参数。
其中，所述结构参数包括：所述待设计钢桁梁桥的跨度、所述主桁架的几何图式、所述主桁架的高度、节间长度、所述主桁架中心距以及斜杆倾角。
所述待设计钢桁梁桥的跨度根据实际需求获取。所述主桁架的几何图式是由主桁架各杆件轴线所形成的几何图形，通常有三角形、斜杆型、双重腹杆型等，可以根据实际需求选取。根据钢桁梁桥的跨度以及主桁架的几何图式，设定主桁架的高度。
所述节间长度是指两个节点之间的间隔距离，根据钢桁梁桥的跨度L和钢桁梁的承载方式选取，例如，铁路钢桁梁桥中，中小跨径的钢桁梁，上承式桁架的节间长度一般设定为3～6米，下承式桁架的节间长度一般设定为6～10米，跨径较大的下承式钢桁梁节间可设置为12～15米；相应地，公路钢桁梁桥的节间长度相较于铁路钢桁梁桥可以适当增大。
斜杆倾角有主桁高度和节间长度的比值决定，有竖杆的钢桁梁的斜杆倾角设置在50°左右，无竖杆的钢桁梁的斜杆倾角设置在60°左右，斜杆倾角与主桁高、节间长度有矛盾时，可在合理范围内对斜杆倾角进行调整。
主桁中心距由钢桁梁的横向刚度和稳定性决定，下承式钢桁梁桥的主桁中心距还应满足桥梁建筑限界的而要求，上承式钢桁梁桥的主桁中心距还要考虑横向倾覆稳定性的要求，抗倾覆稳定安全系数不得小于1.3。
具体地，在建模模块中设定上述参数时，要综合考虑各种影响因子，相互协调，尽可能采用标准化和模数化，以使得设计、制造、安装、养护和更换工作简单方便。
在上述实施例中，所述内力计算模块具体用于：
根据所述结构参数计算所述待检算杆件的影响线面积；
根据所述所述影响线面积和所述荷载计算所述待检算杆件的控制内力值。
具体地，在算出荷载产生的杆件主力及附加力荷载产生的杆件附加力后，要将他们按主力或主力+附加力进行组合，从而确定杆件的控制内力值。
在上述实施例中，所述检算模块进一步包括：
输入子模块，用于输入所述待检算杆件的控制内力值和截面特性值；
验算子模块，用于对所述待检算杆件进行相关验算，所述相关验算包括刚度验算、强度验算和稳定验算中的一种或多种；
输出子模块，用于输出所述待检算杆件的检算结果。
其中，主桁架中杆件截面可采用H型和箱型，所述截面特性是指截面形式中竖板和腹板的尺寸。在进行杆件检算前，需先将所述待检算杆件的截面形式选定并设计好。那么，所述控制内力值和所述截面特性值在进行杆件检算前都为已知。所述强度验算包括拉力强度验算和疲劳强度验算，所述稳定验算包括总体稳定验算和局部稳定验算。所述预设杆件检算模型中的所述相关验算的内容需根据所述待检算杆件的类型进行选取，例如，在主桁架几何形式为三角形的钢桁梁桥中，上弦杆对应的所述相关验算包括强度验算、刚度验算、总体稳定验算和局部稳定验算。
具体地，在利用所述预设杆件检算模型进行杆件检算时，先根据所要检算的杆件类型选取对应的所述相关验算内容，再将待检算杆件的控制内力值和截面特性值输入所述预设杆件模型，对所述待检算杆件进行选取好的相关验算，最终输出对应的杆件检算结果。
下面通过实例来对本发明实施例进行进一步说明，本发明实施例中的系统通过.net语言编程实现。在对如图5所示的单跨8m×8钢桁梁桥检测过程中内力计算结果如表1所示，杆件检算结果如表2所示。
表1单跨8m×8钢桁梁内力计算结果
在表1中，第1行为恒载的值，第2行为活载的值，第3行为(1.1恒载+1.4活载)的值，第4行为(1.1恒载+1.4活载+1.4摇摆力)的值，第5行为(1.1恒载+1.4活载+1.2摇摆力+1.1风力+1.1桥门架受力)的值，第6行为(1×恒载+1×活载+1×摇摆力+1制动力+1×风力+1×桥门架受力)的值，第7行为控制内力值。
表2单跨8m×8钢桁梁杆件检算结果
在表2中，第A列为翼板截面值，第B列为腹板截面值，第C列为杆件的截面积值，第D列为杆件的惯性值，第E列为回转半径值，第F列为验算结果，第G列为杆件的体积值，第H列为承受应力值。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种钢桁梁桥杆件检算方法，其特征在于，包括：
步骤1，基于待设计钢桁梁桥的结构参数和荷载，计算所述钢桁梁桥主桁架中待检算杆件的控制内力值；
步骤2，基于所述控制内力值，利用预设杆件检算模型获取所述待检算杆件的检算结果。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在步骤1之前还包括：
建立所述待设计钢桁梁桥模型，获取所述待设计钢桁梁桥的结构参数。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述荷载包括恒载、活载和附加力荷载。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
根据所述结构参数计算所述待检算杆件的影响线面积；
根据所述影响线面积和所述荷载计算所述待检算杆件的控制内力值。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述预设杆件检算模型具体为：
以所述待检算杆件的控制内力值和截面特性值为输入，通过相关验算后，以所述待检算杆件的检算结果为输出构建的模型；其中，所述相关验算包括刚度验算、强度验算和稳定验算中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述检算结果包括满足要求和不满足要求，其中，
所述检算结果为满足要求时，对应的所述相关验算全部通过；
所述检算结果为不满足要求时，对应的所述相关验算中至少有一项不通过。
7.一种钢桁梁桥杆件检算系统，其特征在于，包括：
内力计算模块，用于基于待设计钢桁梁桥的结构参数和荷载，计算所述钢桁梁桥主桁架中待检算杆件的控制内力值；
检算模块，用于基于所述控制内力值，利用预设杆件检算模型获取所述待检算杆件的检算结果。
8.根据权利要求7所述系统，其特征在于，所述系统还包括建模模块，用于建立所述待设计钢桁梁桥模型，获取所述待设计钢桁梁桥的结构参数。
9.根据权利要求7所述系统，其特征在于，所述内力计算模块具体用于：
根据所述结构参数计算所述待检算杆件的影响线面积；
根据所述所述影响线面积和所述荷载计算所述待检算杆件的控制内力值。
10.根据权利要求7所述系统，其特征在于，所述检算模块进一步包括：
输入子模块，用于输入所述待检算杆件的控制内力值和截面特性值；
验算子模块，用于对所述待检算杆件进行相关验算，所述相关验算包括刚度验算、强度验算和稳定验算中的一种或多种；
输出子模块，用于输出所述待检算杆件的检算结果。
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