CN108460229A - 连续桥面结构桥梁拉索内力的调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种连续桥面结构桥梁拉索内力的调整方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.在桥梁全部拉索初次张拉后，采用频率法识别各拉索实际内力；步骤2.建立桥梁结构有限元模型；步骤3.考虑温度影响，基于桥梁结构有限元模型分析计算出桥梁各拉索在施调内力作用下的最终拉伸量；步骤4.依据各拉索最终拉伸量进行桥梁拉索内力调整：将各拉索拉伸量转化为拉索锚头螺母的旋转角度，根据计算出的螺母旋转角度实施桥梁拉索内力调整。本方法既能够保证拉索内力调整的精度，同时又能够大幅度提高拉索的张拉效率，并且实施也非常便捷，在新建桥梁或旧桥换索工程的拉索内力调整中具有很好的推广应用价值。

Description

连续桥面结构桥梁拉索内力的调整方法

技术领域

本发明属于桥梁施工和检测领域，具体涉及一种连续桥面结构桥梁拉索内力的调整方法。

技术背景

随着国民经济的快速发展，国家对交通基础建设的投入也不断加大，铁路网和公路网当中的桥梁建设占比越来越高，桥梁在跨越河流、峡谷、既有交通线路和其他各类特定建筑物时必须采取几百米甚至上千米的大跨度缆索体系桥梁。对于斜拉桥、悬索桥或拱桥等同时具有拉索受力构件和连续桥面的结构，为保证其成桥线形和内力达到较为理想的设计状态，桥梁拉索内力的合理调整是十分关键的施工环节。

理论上来说，桥梁拉索初次张拉后，以其最终内力为控制目标，若将所有拉索同时张拉，则拉索内力可一步调整到目标值。而实际工程中，桥梁拉索同时张拉施工的可行性几乎不存在(在施工过程中无法提供较多千斤顶同时张拉施工)。桥梁拉索内力调整是通过控制成桥拉索内力，按照设计好的调整顺序逐一张拉；其任一拉索内力的改变，都将导致全桥其余拉索内力的重分布，从而不得不反复张拉，逐步逼近于拉索设计内力。这样必将大大增加拉索内力调整的工作量，同时拉索最终内力往往很难达到预期的目标。考虑到桥梁拉索在张拉时必然会有一定的弹性伸长，同时桥梁其它结构也将产生相应的弹性变形。因此，拉索拉伸量与其弹性变形和桥梁结构拉索锚固端的相对变形是密切相关的。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种连续桥面结构桥梁拉索内力的调整方法，既能够保证拉索内力调整的精度，同时又能够大幅度提高拉索的张拉效率，并且实施也非常便捷。本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

本发明提供一种连续桥面结构桥梁拉索内力的调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.在桥梁全部拉索初次张拉后，采用频率法识别各拉索实际内力{T_e}：

对于斜拉桥、悬索桥或拱桥等同时具有拉索(斜拉索或吊杆)受力构件和连续桥面的结构，为保证其成桥线形和内力达到较为理想的设计状态，桥梁拉索内力的合理调整是十分关键的施工环节。在桥梁全部拉索初张拉之后，采用频率法对其实际内力进行准确的识别。

其中频率法识别桥梁拉索内力是指在拉索上布设加速度传感器，然后通过人为或环境激励，识别出拉索的振动频率，再利用振动频率和索力的简化公式作近似处理获得索力。对于长索，拉索内力识别精度较高；而对于短索，要修正拉索边界约束条件、拉索弯曲刚度等因素对拉索内力识别的影响，这样才能保证此方法运用的可靠性。

步骤2.建立桥梁结构有限元模型：

为了获得桥梁结构各拉索在施调内力作用下最终拉伸量，必须准确建立桥梁结构有限元模型。本发明运用结构有限元分析软件MIDAS Civil建立桥梁结构有限元分析模型，进而获得桥梁结构拉索锚固端在施调内力作用下的相对变形。

步骤3.基于桥梁结构有限元模型分析计算出桥梁各拉索在施调内力{ΔT}作用下的最终拉伸量，包含以下子步骤：

步骤3-1.计算各拉索在施调内力{ΔT}作用下的弹性伸长量步骤3-2.若施工环境温度和桥梁设计温度存在温差Δt，则考虑拉索自身由于温度影响产生的伸长量Δl_t＝αΔt，式中α为拉索材料热膨胀系数；在施工阶段环境温度与桥梁设计温度存在差异的情况下，应在桥梁结构有限元分析模型中施加温度荷载(温升Δt＝t_e-t₀，t₀为设计温度，t_e为施工环境温度)，将施调内力{ΔT}以平衡力的形式分别施加在桥梁结构有限元分析模型各拉索锚固端(此时在模型中拉索不再是桥梁结构的构件)，计算除拉索以外的桥梁结构在温度荷载和施调内力{ΔT}作用下的变形，在Midas civil里面施加施调内力和温度荷载时，拉索需要断开，之后，在拉索锚固端施加等大反向的相对力，力的大小是施调内力的大小；步骤3-3.桥梁拉索的拉伸量为{Δl}＝{Δl_e}+{Δl_r}+{Δl_t}，式中{Δl_e}为施调内力作用下拉索的弹性伸长量，{Δl_r}为施调内力和温度荷载共同作用下拉索锚固端的相对变形，{Δl_t}为温度荷载作用下拉索伸长量；

步骤4.依据各拉索最终拉伸量进行桥梁拉索内力调整：

将各拉索拉伸量转化为拉索锚头螺母的旋转角度，设第i根拉索锚头螺母螺距为t_i，则对应的螺母旋转角度为：根据计算出的螺母旋转角度实施桥梁拉索内力调整。

优选地，本发明提供的连续桥面结构桥梁拉索内力的调整方法，还可以具有以下特征：在步骤3-1中，对于拱桥和悬索桥，吊杆内力和其弹性伸长量呈线性关系，通过下列公式计算弹性伸长量：

式中为第i根拉索的弹性伸长量，ΔT_i为第i根拉索的内力调整量，l_i为第i根拉索的设计长度，为第i根拉索的等效弹性模量，A_i为第i根拉索的截面面积。

优选地，本发明提供的连续桥面结构桥梁拉索内力的调整方法，还可以具有以下特征：在步骤3-1中，对于斜拉桥，由于斜拉索自重对垂度的影响，斜拉索内力与其弹性伸长量呈非线性关系，通过如下公式修正斜拉索材料的弹性模量：

式中为第i根拉索的等效弹性模量，E_i为第i根斜拉索材料的弹性模量，W_i为第i根斜拉索单位长度的重量，L_xi为第i根斜拉索设计长度的水平投影长度，A_i为第i根拉索的截面面积，T_i为第i根斜拉索的实际内力。

优选地，本发明提供的连续桥面结构桥梁拉索内力的调整方法，还可以具有以下特征：在利用该技术实施桥梁拉索内力调整过程中，如果拉索的施调内力与目标值相差不大，则只需对全部拉索都实施一次张拉便可有效地将拉索内力调整到目标值；如果相差较大，待调整拉索的拉伸量较大，则可将拉索的拉伸量分成多级，分批逐根张拉。对于斜拉索来说，由于斜拉索弹性伸长量与其内力之间的非线性关系，分级张拉尤为必要。由此便可十分顺利地将拉索内力调整到预期目标值。

优选地，本发明提供的连续桥面结构桥梁拉索内力的调整方法，还可以具有以下特征：在步骤4中，若实际内力与目标值相差在20％之内，则只需对全部拉索都实施一次张拉便可有效地将拉索内力调整到目标值；若相差超过20％，则将拉索的拉伸量按照等力的原则分成多级，分批张拉，并且每一级的张拉力不超过目标值的20％。索塔顺桥向两侧的拉索和桥横向对称的拉索必须对称同步张拉，一般是两根拉索同时张拉。

发明的作用与效果

(1)本方法基于结构分析理论，结合桥梁结构有限元分析，建立了拉索内力增量作用下拉索拉伸量与其弹性变形和桥梁结构拉索锚固端相对变形三者之间的几何关系，将拉索内力为控制量调整其内力转化为拉索拉伸量控制，不仅能保证拉索内力调整的精度，而且还能大幅度提高拉索的张拉效率，并且实施非常便捷。

(2)本方法不受拉索张拉次序的影响，可以根据施工情况灵活调整拉索张拉次序，如果待调整拉索的拉伸量较大，从桥梁结构安全的角度考虑，则可将拉索的拉伸量分成多级，分批逐根张拉，最终各拉索内力都可达到预期的目标。

综上，本发明所提出的桥梁拉索内力调整方法实施方便，效率高，能够有效地将拉索内力调整到预期目标值，因而在新建桥梁或旧桥换索工程的拉索内力调整中具有很好的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例所涉及的连续桥面结构桥梁拉索内力的调整方法的流程图；

图2为本发明实施例所涉及的斜拉桥拉索内力调整前后锚固端位移的示意图图；

图3为本发明实施例所涉及的拱桥吊杆编号图；

图4为本发明实施例所涉及的拱桥结构有限元分析模型的示意图；

图5为本发明实施例所涉及的吊杆实测内力与设计内力的对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的连续桥面结构桥梁拉索内力的调整方法的具体实施方案进行详细地说明。

<实施例>

如图1所示，本实施例所提供的连续桥面结构桥梁拉索内力的调整方法包括以下步骤：

步骤一：桥梁全部拉索初次张拉后，采用频率法识别各拉索实际内力{T_e}：

对于斜拉桥、悬索桥或拱桥等同时具有拉索(斜拉索或吊杆)受力构件和连续桥面的结构，为保证其成桥线形和内力达到较为理想的设计状态，桥梁拉索内力的合理调整是十分关键的施工环节。按照设计资料给定的初张力对桥梁全部拉索初张拉之后，采用频率法对其实际内力进行准确的识别。

其中频率法识别桥梁拉索内力是指在拉索上布设加速度传感器，然后通过人工或环境激励，识别出拉索的振动频率，再利用振动频率和索力的简化公式作近似处理获得索力。对于长索，拉索内力识别精度较高；而对于短索，要修正拉索边界约束条件、拉索弯曲刚度等因素对拉索内力识别的影响，这样才能保证此方法运用的可靠性。

步骤二：建立桥梁结构有限元模型：

为了获得桥梁结构各拉索在施调内力作用下最终拉伸量，必须准确建立桥梁结构有限元模型。本发明运用结构有限元分析软件MIDAS Civil建立桥梁结构有限元分析模型，进而获得桥梁结构拉索锚固端在施调内力作用下的相对变形。

所述桥梁结构有限元分析软件MIDAS Civil是韩国远光(POSCO)集团研发的针对土木结构，特别是预应力箱型桥梁、悬索桥、斜拉桥等特殊的桥梁结构，能够对其迅速、准确地完成类似结构的分析和设计。

步骤三：结合结构线弹性理论和结构有限元分析计算桥梁各拉索在施调内力{ΔT}作用下的最终拉伸量：

首先由结构线弹性理论可以计算出各拉索在施调内力{ΔT}作用下的弹性伸长量(为第i根拉索的弹性伸长量；ΔT_i为第i根拉索的内力调整量；l_i为第i根拉索的设计长度；A_i为第i根拉索的截面面积；为第i根拉索的等效弹性模量)。若施工环境温度和设计温度存在温差Δt，则应考虑拉索自身由于温度影响产生的伸长量Δl_t＝αΔt(其中α为拉索材料热膨胀系数)，然后将{ΔT}以平衡力的形式分别施加在原桥梁结构有限元分析模型各拉索锚固端(此时在模型中拉索不再是桥梁结构的构件)。若施工阶段环境温度与桥梁设计温度存在一定的差异，应在桥梁结构有限元分析模型中施加温度荷载(温升Δt＝t_e-t₀，t₀为设计温度，t_e为施工环境温度)。由结构有限元分析可计算出桥梁每根拉索锚固端之间的相对变形{Δl_r}。那么，桥梁拉索的拉伸量为{Δl}＝{Δl_e}+{Δl_r}+{Δl_t}，其中{Δl_e}为施调内力作用下拉索的弹性伸长量；{Δl_r}为施调内力和温度荷载共同作用下拉索锚固端的相对变形；{Δl_t}为温度荷载作用下拉索伸长量。

需要注意的是，对于拱桥和悬索桥，吊杆内力和其弹性伸长量呈线性关系，吊杆弹性伸长量可由上面提到的公式获得。而对于斜拉桥，由于斜拉索自重对垂度的影响，斜拉索内力与其弹性伸长量呈非线性关系，一般需通过修正斜拉索材料的弹性模量来解决，即

其中E_i为第i根斜拉索材料的弹性模量；W_i为第i根斜拉索单位长度的重量；L_xi为第i根斜拉索设计长度的水平投影长度；T_i为第i根斜拉索的实际内力。

以斜拉桥为例，利用Midas Civil结构有限元分析软件建立斜拉桥结构有限元分析模型。如图2所示，在斜拉桥全部拉索初次张拉后，对于第i根拉索，上、下锚固点的坐标分别为A_i(x₁,y₁,z₁)和B_i(x₂,y₂,z₂)，其锚固端之间的距离为l_i。将施调内力{ΔT}和温度荷载施加于桥梁结构，由结构有限元分析可获得拉索上、下锚固点的坐标为A′_i(x′₁,y′₁,z′₁)和B′_i(x′₂,y′₂,z′₂)，则第i根拉索锚固端之间的距离变为l_i'。那么有：

第i根斜拉索锚固端之间的相对变形量为

通过结构有限元分析，由式可计算出第i根拉索锚固端之间的相对变形由式Δl_t＝αΔt可计算出拉索由于温度影响产生的伸长量；同时由式计算出第i根拉索的弹性伸长量由式{Δl}＝{Δl_e}+{Δl_r}+{Δl_t}，第i根拉索的拉伸量为

步骤三：依据各拉索最终拉伸量进行桥梁拉索内力调整

由步骤二获得桥梁各拉索在施调内力作用下的最终拉伸量之后，可将各拉索拉伸量转化为拉索锚头螺母的旋转角度方便在施工现场的实施。若第i根拉索锚头螺母螺距为t_i，则对应的螺母旋转角度为在利用该方法实施桥梁拉索内力调整过程中，如果拉索的实际内力与目标值相差不大，则只需对全部拉索实施一次张拉便可有效地将拉索内力调整到目标值；如果待调整拉索的拉伸量较大，从桥梁结构安全的角度考虑，则可将拉索的拉伸量分成多级，分批逐根张拉。对于斜拉索来说，由于斜拉索弹性伸长量与其内力之间的非线性关系，分级张拉尤为必要。由此便可十分顺利地将拉索内力调整到预期目标值。

本实施例中对下承式拱桥进行模拟调整吊杆内力。某下承式钢管混凝土拱桥，计算跨径为60.0m，矢高为15.0m，矢跨比为1:4。其拱轴线为二次抛物线，拱肋为倒三角的钢管拱，截面宽度为1.5m，高度呈线形变化(其中跨中高度为1.5m，拱脚高度为1.8m)；两侧拱肋间设置3道钢管横撑。预应力混凝土连续桥面采用满堂支架施工，其由2根T形预应力混凝土系梁、13根T形预应力混凝土中横梁、2根矩形中空预应力混凝土端横梁和钢筋混凝土桥面板构成。13对吊杆采用平行高强钢丝预制索股，沿纵桥向间距为4m对称布置；吊杆上端为固定式冷铸锚头，下端为可张拉式冷铸锚头；锚头螺母螺距为10mm。桥面宽32.7m，桥梁总长62.4m。如图3所示为吊杆布置编号。吊杆设计参数见表1：

表1吊杆设计参数

如图4所示，运用结构有限元分析软件MIDAS Civil建立拱桥结构空间计算模型。

在全部吊杆初张拉后，可由频率法识别出吊杆的实际内力(吊杆索股横截面面积为23.48cm2，弹性模量为195GPa。)。将施调内力施加于桥梁结构有限元分析模型中，可得到各吊杆上锚固点(拱肋)竖向位移{z_t}及下锚固点(桥面)竖向位移{z_b}(拱桥吊杆锚固点的位移基本由竖向位移引起)。由式计算出吊杆在施调内力作用下的弹性伸长量{Δl_e}(当环境温度接近设计温度时，可不考虑温度的影响)。然后由式和式计算得各吊杆的拉伸量以及相应的螺母旋转角θ。依据各吊杆螺母旋转角θ进行调整各吊杆内力。若吊杆拉伸量为正值时，表示吊杆实际内力小于设计值，反之亦然。

待全部吊杆内力调整完毕后，采用频率法识别出各吊杆的实际内力。吊杆实测内力与设计内力对比如图5所示，其内力最大相对误差为4.5％。结果表明：利用该方法调整吊杆内力不仅能保证吊杆内力的调整精度，而且实施便捷，能大幅度提高吊杆的张拉效率。

值得提及的是，利用此方法调整桥梁拉索内力时，必须建立准确的桥梁结构有限元分析模型，并能精确识别桥梁各拉索的实际内力。对于短索，要修正拉索边界约束条件、拉索弯曲刚度等因素对拉索内力识别的影响，这样才能保证该方法运用的可靠性，同时各拉索的调整顺序也可根据实际情况灵活调整，最终各拉索内力都可达到预期的目标。该技术在新建桥梁或旧桥换索工程的拉索内力调整中具有很好的推广应用价值。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的连续桥面结构桥梁拉索内力的调整方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (4)

1.一种连续桥面结构桥梁拉索内力的调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.在桥梁全部拉索初次张拉后，采用频率法识别各拉索实际内力{T_e}；

步骤2.建立桥梁结构有限元模型；

步骤3.基于桥梁结构有限元模型分析计算出桥梁各拉索在施调内力{ΔT}作用下的最终拉伸量，包含以下子步骤：

步骤3-1.计算各拉索在施调内力{ΔT}作用下的弹性伸长量

步骤3-2.若施工环境温度和桥梁设计温度存在温差Δt，则应考虑拉索自身由于温度影响产生的伸长量Δl_t＝αΔt，式中α为拉索材料热膨胀系数；然后将施调内力{ΔT}以平衡力的形式分别施加在桥梁结构有限元分析模型各拉索锚固端，计算除拉索以外的桥梁结构在温度荷载和施调内力{ΔT}作用下的变形；

步骤3-3.桥梁拉索的拉伸量为{Δl}＝{Δl_e}+{Δl_r}+{Δl_t}，式中{Δl_e}为施调内力作用下拉索的弹性伸长量，{Δl_r}为施调内力和温度荷载共同作用下拉索锚固端的相对变形，{Δl_t}为温度荷载作用下拉索伸长量；

步骤4.依据各拉索最终拉伸量进行桥梁拉索内力调整：

将各拉索拉伸量转化为拉索锚头螺母的旋转角度，设第i根拉索锚头螺母螺距为t_i，则对应的螺母旋转角度为：

根据计算出的螺母旋转角度实施桥梁拉索内力调整。

2.根据权利要求1所述的连续桥面结构桥梁拉索内力的调整方法，其特征在于：

其中，在步骤3-1中，对于拱桥和悬索桥通过如下公式计算弹性伸长量：

式中为第i根拉索的弹性伸长量，ΔT_i为第i根拉索的内力调整量，l_i为第i根拉索的设计长度，为第i根拉索的等效弹性模量，A_i为第i根拉索的截面面积。

3.根据权利要求1所述的连续桥面结构桥梁拉索内力的调整方法，其特征在于：

其中，在步骤3-1中，对于斜拉桥，由于斜拉索自重对垂度的影响，斜拉索内力与其弹性伸长量呈非线性关系，通过如下公式修正斜拉索材料的弹性模量：

式中为第i根拉索的等效弹性模量，E_i为第i根斜拉索材料的弹性模量，W_i为第i根斜拉索单位长度的重量，L_xi为第i根斜拉索设计长度的水平投影长度，A_i为第i根拉索的截面面积，T_i为第i根斜拉索的实际内力。

4.根据权利要求1所述的连续桥面结构桥梁拉索内力的调整方法，其特征在于：

其中，在步骤4中，若施调内力与目标值相差在20％之内，则只需对全部拉索都实施一次张拉；若相差超过20％，则将拉索的拉伸量分成多级，分批张拉，并且每一级的张拉力不超过目标值的20％。