CN108153972B - 一种缆索吊装全过程分析方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种缆索吊装全过程分析方法，包括:根据施工图纸建立无主缆与索鞍的缆索吊装分析模型；先以柔性迭代法得到重力作用下主缆的初始悬链线方程，再将施工中可能与索鞍接触的主缆部分选出、以柔性的壳单元模拟，主缆的其余部分则以杆单元模拟，并以刚性的壳单元模拟索鞍，以构建出索鞍‑主缆简化模型；在索鞍‑主缆简化模型中，在索鞍壳单元上建立方向向外的目标单元，在主缆壳单元上建立方向向内的接触单元，从而建立起以索鞍为目标单元、主缆为接触单元的摩擦接触对模型；建立缆索吊装全过程分析的整体模型。本申请能够较为精确的模拟缆‑拱‑索‑塔各构件在施工过程中的力学状态，为结构设计、结构安全以及拱肋安装线性控制提供更加可靠的依据。

Description

一种缆索吊装全过程分析方法
技术领域
本申请涉及建筑工程领域，尤其涉及一种缆索吊装全过程分析方法。
背景技术
近年来，斜拉扣挂缆索吊装系统在大跨度拱桥无支架施工中得到了广泛应用，其中缆扣一体化已成为发展趋势。由于主缆与扣索共用一个塔架，导致斜拉扣挂系统与缆索吊装系统相互耦合，缆、索、塔、拱四者之间相互影响，力学状态非常复杂，其设计与计算通常借助于数值分析，因此建立精确的数值分析模型是研究斜拉扣挂缆索吊装系统力学状态的关键。但是在模型创建过程中，受限于软件自身功能和实际结构的复杂性，数值模型很难模拟以下两种行为：主缆在吊装拱肋节段时呈现出极强的几何非线性大变形能力、主缆在索鞍处表现出的大范围摩擦接触滑动行为。因此一般采取简化处理，即在数值模拟时把缆索吊装系统与斜拉扣挂系统分开建模，斜拉扣挂模型中只考虑拱肋、塔架及扣索[1-3]，缆索吊装过程一般采用理论分析方法，通过理论计算获得不同吊装工况下主缆在塔顶的竖向力和水平力，然后再把该力以外荷载的形式引入到斜拉扣挂模型中。目前尚未见有能同时考虑斜拉扣挂与缆索吊装两个过程的仿真模型研究，特别是如何模拟可滑动索鞍一直是仿真模拟的关键，同时也是建立统一仿真模型的关键。对于索鞍的数值模拟多见于悬索桥的相关文献中，如早期范立础等采用多个杆单元模拟[4]，后魏建东等[5][6]取索两端及索与鞍座固定接触点为节点，建立了一种3节点索-鞍座单元；齐东春等[7][8]也建立了一种3节点单元以模拟主缆、鞍座和桥塔顶的相互关系。同时有少数学者以考虑索在转向处切点的变化情况来进行分析[9-11]，但此类分析中只单纯考虑了缆索的受力滑动，没有考虑塔架顶部会发生水平位移而导致原有的参考点发生了变化，没有考虑与塔架、主拱等的相关作用。
参考文献：
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[5]魏建东,刘忠玉.具有滑移式散索鞍的悬索桥主缆架设分析[J].计算力学学报,2005
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发明内容
本申请目的是：针对现有技术的不足，提出一种缆索吊装全过程分析方法，其采用通用有限元软件，考虑缆索、索鞍与塔架、主拱等的相关作用，对斜拉扣挂过程与缆索吊装过程的进行全过程仿真分析，能够较为精确的模拟缆-拱-索-塔各构件在施工过程中的力学状态，为结构设计、结构安全以及拱肋安装线性控制提供更加可靠的依据。
本申请的技术方案是：
一种缆索吊装全过程分析方法，包括:
S1、根据施工图纸建立无主缆与索鞍的缆索吊装分析模型；
S2、先以柔性迭代法得到重力作用下主缆的初始悬链线方程，再将施工中可能与索鞍接触的主缆部分选出、以柔性的壳单元模拟，主缆的其余部分则以杆单元模拟，并以刚性的壳单元模拟索鞍，以构建出索鞍-主缆简化模型；
S3、在所述索鞍-主缆简化模型中，在索鞍壳单元上建立方向向外的目标单元，在主缆壳单元上建立方向向内的接触单元，从而建立起以索鞍为目标单元、主缆为接触单元的摩擦接触对模型，实现主缆在索鞍上滑移行为的模拟分析；
S4、将所述缆索吊装分析模型与所述摩擦接触对模型相融合而建立缆索吊装全过程分析的整体模型。
本申请在上述技术方案的基础上，还包括以下优选方案：
所述步骤S5建立的缆索吊装全过程分析的整体模型，根据实际施工方案进行缆索吊装的相关计算。
所述步骤S1中建立的所述缆索吊装分析模型包括拱肋模型。
所述步骤S1中建立的所述缆索吊装分析模型包括塔架模型。
所述步骤S1中建立的所述缆索吊装分析模型包括扣索模型。
所述步骤S1中建立的所述缆索吊装分析模型包括锚索模型。
所述步骤S1中建立的所述缆索吊装分析模型包括通风缆模型。
模拟所述主缆的所述柔性壳单元为矩形的柔性壳单元。
本申请具有以下有益效果：
1、对于缆扣一体化施工的拱桥而言，塔架、吊装主缆、扣锚索和拱肋共同组成了完整的吊装体系，体系各部分之间相互影响，力学状态非常复杂。而体系各个部分的力学状态是缆扣一体化设计的基础，如何获得体系中各个组成部分的力学状态是缆扣一体化安全施工的关键。而本申请通过在斜拉扣挂模型(传统的缆索吊装分析模型)基础上引入主缆单元，考虑主缆-索鞍接触行为的全过程精细化仿真模型，能够较为精确的模拟缆-拱-索-塔各构件在施工过程中的力学状态，不仅为结构设计和结构安全提供更加可靠地依据，同时也是拱肋安装线形控制的基础。
2、利用主缆-索鞍接触滑动模型不仅可以解决主缆吊装问题，同样还可以应用于斜拉扣挂时扣索穿过塔架索鞍转为锚索的仿真研究和体外预应力束的仿真分析。或者对接触模式进行修正，使之可以模拟悬索桥中主缆与索鞍的力学行为，进而为悬索桥的精细化数值模拟奠定了分析基础，值得推广和应用。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步介绍：
图1为本申请实施例中缆索吊装系统的施工图纸；
图2为图1中塔架部分的侧视图；
图3为本申请实施例步骤S1所构建的缆索吊装分析模型图
图4为本申请实施例步骤S2所构建的索鞍-主缆简化模型图；
图5为本申请实施例步骤S3所构建的索鞍-主缆摩擦接触对模型图；
图6为本申请实施例步骤S4所构建的索吊装全过程分析整体模型图。
其中：1-索鞍壳单元，2-主缆壳单元，3-主缆杆单元。
具体实施方式
本实施例这种缆索吊装全过程分析方法主要包括分别进行的以下四个步骤，分别是：:
S1、首先根据图1和图2所示的施工图纸建立无主缆与索鞍的传统的缆索吊装分析模型，所建立的该缆索吊装分析模型如图3所示，其包含塔架、主拱、扣、锚索及通风缆等部件的模型。
S2、考虑到索鞍与主缆实际通过滑轮相互作用，以刚性的壳单元模拟索鞍，索鞍的底部与塔架相连，索鞍的外表面与主缆相接触，先以柔性迭代法得到重力作用下主缆的初始悬链线方程，再将施工中可能与索鞍接触的主缆部分选出并以矩形的柔性的壳单元模拟，而主缆的其余部分(也即施工中不会与索鞍接触的部分)则以杆单元模拟，如此建立处索鞍-主缆简化模型，如图4。
S3、在步骤S2建立的索鞍-主缆简化模型中，在索鞍壳单元1(即上述模拟索鞍的壳单元)上建立方向向外的目标单元，在主缆壳单元2(即上述模拟主缆的柔性壳单元)上建立方向向内的接触单元，从而建立起以索鞍为目标单元、主缆为接触单元的摩擦接触对模型，如图5，如此实现主缆在索鞍上滑移行为的模拟分析，考虑了索鞍与主缆之间的接触滑移作用。
S4、将步骤S1建立的缆索吊装分析模型与步骤S3建立的摩擦接触对模型相融合，而构建出缆索吊装全过程分析的整体模型，如图6。
这样，我们就可以借助所构建出的上述整体模型，根据实际施工方案进行缆索吊装的相关计算。
当然，上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让人们能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡根据本申请主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种缆索吊装全过程分析方法，其特征在于,包括:
S1、根据施工图纸建立无主缆与索鞍的缆索吊装分析模型；步骤S1中建立的所述缆索吊装分析模型包括拱肋模型；
S2、先以柔性迭代法得到重力作用下主缆的初始悬链线方程，再将施工中与索鞍接触的主缆部分选出、以柔性的壳单元模拟，主缆的其余部分则以杆单元模拟，并以刚性的壳单元模拟索鞍，以构建出索鞍-主缆简化模型；
S3、在所述索鞍-主缆简化模型中，在索鞍壳单元上建立方向向外的目标单元，在主缆壳单元上建立方向向内的接触单元，从而建立起以索鞍为目标单元、主缆为接触单元的摩擦接触对模型，实现主缆在索鞍上滑移行为的模拟分析；
S4、将所述缆索吊装分析模型与所述摩擦接触对模型相融合而建立缆索吊装全过程分析的整体模型。
2.根据权利要求1所述的缆索吊装全过程分析方法，其特征在于,所述步骤S4建立的缆索吊装全过程分析的整体模型，根据实际施工方案进行缆索吊装的相关计算。
3.根据权利要求1所述的缆索吊装全过程分析方法，其特征在于,所述步骤S1中建立的所述缆索吊装分析模型包括塔架模型。
4.根据权利要求3所述的缆索吊装全过程分析方法，其特征在于,所述步骤S1中建立的所述缆索吊装分析模型包括扣索模型。
5.根据权利要求4所述的缆索吊装全过程分析方法，其特征在于,所述步骤S1中建立的所述缆索吊装分析模型包括锚索模型。
6.根据权利要求5所述的缆索吊装全过程分析方法，其特征在于,所述步骤S1中建立的所述缆索吊装分析模型包括通风缆模型。
7.根据权利要求1所述的缆索吊装全过程分析方法，其特征在于,模拟所述主缆的所述柔性的壳单元为矩形的柔性的壳单元。
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