CN110222417B - 一种大跨度钢管混凝土拱桥拱肋稳定性的测试与判别方法 - Google Patents

一种大跨度钢管混凝土拱桥拱肋稳定性的测试与判别方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种大跨度钢管混凝土拱桥拱肋稳定性的测试与判别方法，将大跨度钢管混凝土拱桥拱肋与其三维有限元模型中每根钢管、每个测试截面分别一一对应编号；将每个测试截面对应每个钢管的位置作为监控位移点；获取大跨度钢管混凝土拱桥拱肋与其三维有限元模型分别在自重荷载工况下和指定研究荷载工况下每个监控位移测点三个方向的坐标值，分别计算在自重荷载工况下和在指定研究荷载工况下的理论曲率和实测曲率，再分别计算出其理论曲率差和实测曲率差，对比理论曲率差和实测曲率差判断拱肋的失稳状态。本发明对大跨度钢管混凝土拱桥拱肋和其他桥型拱肋的稳定性监测与评判具有可操作性强，计算效率高，准确率高，实时性强和适用性强等优点。

Description

一种大跨度钢管混凝土拱桥拱肋稳定性的测试与判别方法
技术领域
本发明涉及拱桥拱肋稳定性的测试与判别方法，尤其涉及一种大跨度钢管混凝土拱桥拱肋稳定性的测试与判别方法。
背景技术
拱肋是大跨度钢管混凝土拱桥的关键受力部位，其安全性和稳定性直接影响整桥的安全性和稳定性，目前解决拱肋稳定性问题的方法主要是理论方法，例如中性平衡法、轴心压杆的高阶微分方程法、能量法、变分法、势能驻值法、瑞利-里兹法、伽辽金法、差分法等，这些方法主要存在以下问题：
计算理论复杂，计算前提和计算假设比较多，这些理论方法在求解简单结构的稳定问题时候能够取到良好的效果，但对大型复杂结构的适用性差。由于大跨度钢管混凝土拱桥拱肋的杆件数量繁多，构造比较复杂，稳定性影响因素多，采用这些理论方法计算非常繁琐，甚至无法求解；
无法有效解决考虑几何非线性和材料非线性的稳定问题。采用线弹性稳定分析求解出的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋的稳定结果偏不安全，必须进行考虑几何非线性和材料非线性的非线性稳定分析，才能得出与结构受力相符的结果；
由于计算中存在大量的微积分等复杂数学运算，计算过程繁琐，计算效率低，同时不便于编制计算软件，难以实现结构稳定性的高效求解，也无法充分利用计算机的计算优势；
这些理论方法不能有效考虑大跨度钢管混凝土拱桥工程中面临的问题，例如初应力、温度和风荷载的影响，同时由于杆件两端约束条件并非力学中理想的固定端、铰支端和自由端，而是介于这些理想边界条件之间的约束，此外杆件中还存在制作误差、加工误差、初始偏心等缺陷，杆件的数量也繁多，因此采用这些理论方法求解繁琐，甚至无法求解，且偏差比较大；
这些判定结构稳定性的方法难以用于大跨度钢管混凝土拱桥的工程实践，尤其是大跨度混凝土拱桥的施工阶段和成桥阶段的稳定性测试，存在较大的局限性。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种大跨度钢管混凝土拱桥拱肋稳定性的测试与判别方法，技术方案如下：
一种大跨度钢管混凝土拱桥拱肋稳定性的测试与判别方法，包括以下步骤：
包括以下步骤：
(1)根据大跨度钢管混凝土拱桥拱肋的设计图纸和施工资料，将大跨度钢管混凝土拱桥拱肋中m根钢管分别编号为Ri，Ri表示拱肋中第i根钢管；将所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋按等距或不等距划分为n个测试截面，所述n个测试截面分别编号为Sj，Sj表示第j个测试截面；将所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋中每根钢管Ri对应每个测试截面Sj的位置设为监控位移测点，或者拱肋腹杆与拱肋弦杆的连接处作为监控位移测点；所述每个监控位移测点编号为Mi,j，Mi,j表示第i根钢管的第j个测试截面对应的监控位移测点；
(2)根据所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋的设计图纸和施工资料，通过有限元软件建立大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型；根据所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋的成桥荷载试验，再通过有限元模型修正方法对所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型进行模型修正，获得修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型；
所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型分别获取与所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋中一一对应的钢管编号Ri、测试截面编号Sj和监控位移测点编号Mi,j；
(3)对所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型进行几何非线性和材料非线性的双重非线性稳定分析，确定自重荷载工况作用下的失稳模态，在有限元软件计算提取所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型自重荷载工况作用下失稳模态曲线中每个监控位移测点Mi,j三个方向的理论坐标值x、y和z，计算出所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的理论初始曲率
Figure BDA0002086136560000021
对所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型进行几何非线性和材料非线性的双重非线性稳定分析，确定指定研究荷载工况作用下的失稳模态，在有限元软件计算提取指定研究荷载工况作用下对应失稳模态曲线中每个监控位移测点Mi,j三个方向的理论坐标值x、y和z；再根据非线性稳定分析结果中指定研究荷载工况作用下对应所述失稳模态曲线中每个监控位移测点Mi,j的理论坐标值x、y和z，计算出所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在指定研究荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的理论曲率
Figure BDA0002086136560000022
(4)获取所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j三个方向的实测坐标值x、y和z，计算出所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的实测初始曲率
Figure BDA0002086136560000031
获取所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在指定研究荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的实测坐标值x、y和z，计算出所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在指定研究荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的实测曲率
Figure BDA0002086136560000032
(5)根据步骤(3)计算出所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型中每个监控位移测点Mi,j的理论曲率差
Figure BDA0002086136560000033
其计算公式为：
Figure BDA0002086136560000034
根据步骤(4)计算出所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋中每个监控位移测点Mi,j的实测曲率差
Figure BDA0002086136560000035
其计算公式为：
Figure BDA0002086136560000036
(6)根据步骤(5)所得的理论曲率差
Figure BDA0002086136560000037
和实测曲率差
Figure BDA0002086136560000038
判断拱肋的失稳状态，具体判断方法如下：
当
Figure BDA0002086136560000039
则拱肋处于非线性稳定状态；
当
Figure BDA00020861365600000310
则拱肋处于非线性失稳状态；
当
Figure BDA00020861365600000311
则拱肋处于非线性稳定临界状态。
进一步地，在所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋中每个监控位移测点Mi,j设置位移传感器，所述位移传感器用于分别采集所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j三个方向的实测坐标值和所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在指定研究荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j三个方向的实测坐标值；
在所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型设置对应的每个监控位移测点Mi,j，分别用于有限元软件计算提取拱肋失稳模态曲线中在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j对应三个方向的理论坐标值和在指定研究工况作用下每个监控位移测点Mi,j对应三个方向的理论坐标值。
进一步地，步骤(3)中所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的理论初始曲率
Figure BDA0002086136560000041
其计算公式为：
Figure BDA0002086136560000042
式①中，
Figure BDA0002086136560000043
表示所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况下每个监控位移测点Mi,j的理论初始曲率，
Figure BDA0002086136560000044
和
Figure BDA0002086136560000045
分别表示所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况下每个监控位移测点Mi,j拱肋轴线方程的1阶导数和2阶导数；
所述1阶导数
Figure BDA0002086136560000046
的计算公式为：
Figure BDA0002086136560000047
所述2阶导数
Figure BDA0002086136560000048
的计算公式为：
Figure BDA0002086136560000049
式②和式③中，
Figure BDA00020861365600000410
表示所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况下每个监控位移测点Mi,j在x方向的理论坐标值；
Figure BDA00020861365600000411
表示所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况下每个监控位移测点Mi,j在y方向的理论坐标值；
Figure BDA00020861365600000412
分别为所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况下每个监控位移测点Mi,j在z方向的理论坐标值；
式②各分量的方程按式④～式⑥求解：
Figure BDA00020861365600000413
Figure BDA00020861365600000414
Figure BDA00020861365600000415
式③中各分量的方程按式⑦～式⑨求解：
Figure BDA0002086136560000051
Figure BDA0002086136560000052
Figure BDA0002086136560000053
式④至式⑨中，
Figure BDA0002086136560000054
表示第i根钢管中第j-1个测试截面对应监控位移测点与第j个测试截面对应监控位移测点之间的距离；
Figure BDA0002086136560000055
表示第i根钢管中第j个测试截面对应监控位移测点与第j+1个测试截面对应监控位移测点之间的距离；
同理，参照计算公式①至⑨，分别计算出步骤(3)和步骤(4)所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在指定研究荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的理论曲率
Figure BDA0002086136560000056
所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的实测初始曲率
Figure BDA0002086136560000057
和所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在指定研究荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的实测曲率
Figure BDA0002086136560000058
进一步地，所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋为单圆管拱肋、哑铃形拱肋或桁式拱肋。
进一步地，步骤(2)和步骤(3)中，所述有限元软件为ANSYS有限元软件或Abaqus有限元软件或Midas Civil有限元软件或桥梁博士有限元软件。
进一步地，步骤(2)中，所述有限元模型修正方法为基于灵敏度分析的结构有限元模型修正方法或基于频响函数的结构有限元模型修正方法或基于神经网络的非线性结构有限元模型修正方法或基于遗传算法的有限元模型修正方法。
本发明的优点
(1)针对大跨度钢管混凝土拱桥拱肋的稳定问题，既能够单独考虑线弹性稳定、几何非线性稳定、材料非线性稳定，又能同时考虑几何非线性稳定和材料非线性稳定，实现拱肋的线弹性稳定测试与判别、几何非线性稳定测试与判别、材料非线性稳定测试与判别以及同时考虑几何非线性和材料非线性的稳定测试与判别。
(2)本发明测试与判断大跨度钢管混凝土拱桥拱肋稳定性的理论简单，计算效率高，便于编制计算机软件，能够充分发挥计算机的计算优势。
(3)本发明能够同时考虑几何非线性和材料非线性，因此结构的稳定分析结果与结构的稳定性吻合度比较高，可以实现大跨度钢管混凝土拱桥拱肋稳定性的准确评判。
(4)本发明能够高效的利用现有的测试技术，实现拱肋稳定监测数据的全天候采集和评判，能够有效地保证大跨度钢管混凝土拱桥施工和成桥阶段的稳定性。
(5)本发明使得大跨度钢管混凝土拱桥拱肋稳定性的监测与评判具有可操作性，既能用于施工阶段，又能用于成桥阶段，既能用于单圆管拱肋，又能用于哑铃形拱肋和桁式拱肋，既能用于测试与评判大跨度钢管混凝土拱桥拱肋结构的稳定性，又能用于测试和评判其它桥型和材料拱桥拱肋的稳定性，适用性强。
附图说明
图1为本发明大跨度钢管混凝土拱桥拱肋稳定性的测试与判别方法的流程框图。
图2(a)为本发明的单圆管拱肋纵桥向测试截面布置示意图。
图2(b)为本发明的单圆管拱肋横桥向监控位移测点布置示意图。
图3(a)为本发明的哑铃形拱肋纵桥向测试截面布置示意图。
图3(b)为本发明的哑铃形拱肋横桥向监控位移测点布置示意图。
图4(a)为本发明的桁式拱肋纵桥向测试截面布置示意图。
图4(b)为本发明的桁式拱肋横桥向监控位移测点布置示意图。
图5(a)为本发明的桁式拱肋纵桥向测试截面布置示意图。
图5(b)为本发明的桁式拱肋横桥向监控位移测点布置示意图。
图中：
1：混凝土；2：腹腔钢板；3：腹腔内混凝土；4：腹杆；5：横联杆；
R1：第1根钢管；R2：第2根钢管；R3：第3根钢管；R4：第4根钢管；R5：第5根钢管；R6：第6根钢管；R7：第7根钢管；R8：第8根钢管；
S1，S2，S3，…，Sj，…，Sn-2，Sn-1，Sn：n表示测试截面的数量，Sj表示第j个测试截面；
M1,j：第1根钢管第j个截面对应的监控位移测点；
M2,j：第2根钢管第j个截面对应的监控位移测点；
M3,j：第3根钢管第j个截面对应的监控位移测点；
M4,j：第4根钢管第j个截面对应的监控位移测点；
M5,j：第5根钢管第j个截面对应的监控位移测点；
M6,j：第6根钢管第j个截面对应的监控位移测点；
M7,j：第7根钢管第j个截面对应的监控位移测点；
M8,j：第8根钢管第j个截面对应的监控位移测点。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细说明，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。
如图1所示，一种大跨度钢管混凝土拱桥拱肋稳定性的测试与判别方法，包括以下步骤：
(1)根据大跨度钢管混凝土拱桥拱肋的设计图纸和施工资料，将大跨度钢管混凝土拱桥拱肋中的每根钢管进行编号，编号分别设为R1，…，Ri，…，Rm，m表示钢管的数量，Ri表示第i根钢管；优选地，每根钢管编号与每根钢管内混凝土罐注顺序的编号一致；
将大跨度钢管混凝土拱桥拱肋按等距或不等距划分为n个测试截面，n个测试截面分别编号设为S1，…，Sj，…，Sn，n表示测试截面的数量，Sj表示第j个测试截面；
将大跨度钢管混凝土拱桥拱肋中钢管Ri对应测试截面Sj的位置设为监控位移测点Mi,j，或者将拱肋腹杆与拱肋弦杆的连接处作为监控位移测点Mi,j，Mi,j表示第i根钢管的第j个测试截面对应的监控位移测点；
在大跨度钢管混凝土拱桥拱肋中每个监控位移测点Mi,j设置位移传感器，位移传感器用于分别采集大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在指定研究荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j三个方向的实测坐标值和大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j三个方向的实测坐标值；
在修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型设置对应的每个监控位移测点Mi,j，分别用于有限元软件计算提取拱肋失稳模态曲线中在指定研究工况作用下每个监控位移测点Mi,j对应三个方向的理论坐标值和在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j对应三个方向的理论坐标值。
(2)根据大跨度钢管混凝土拱桥拱肋的设计图纸和施工资料，通过ANSYS有限元软件或Abaqus有限元软件或Midas Civil有限元软件或桥梁博士有限元软件建立大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型；根据大跨度钢管混凝土拱桥拱肋的成桥荷载试验，再通过基于灵敏度分析的结构有限元模型修正方法或基于频响函数的结构有限元模型修正方法或基于神经网络的非线性结构有限元模型修正方法或基于遗传算法的有限元模型修正方法对大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型进行模型修正，获得修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型；
修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型分别获取与大跨度钢管混凝土拱桥拱肋中一一对应的每根钢管编号Ri、每个测试截面编号Sj和每个监控位移测点编号Mi,j；
如图2所示，大跨度钢管混凝土拱桥拱肋为单圆管拱肋，单圆管拱肋钢管内灌注有混凝土1，将每根钢管分别编号为R1，R2，将测试截面分别编号为S1，S2，S3，…，Sj，…，Sn-2，Sn-1，Sn，以截面Sj为例，钢管R1在测试截面Sj处的监控位移测点编号为M1,j，钢管R2在测试截面Sj处的监控位移测点编号为M2,j。
通过ANSYS有限元软件或Abaqus有限元软件或Midas Civil有限元软件或桥梁博士有限元软件建立与单圆管拱肋相同的单圆管拱肋三维有限元模型，单圆管拱肋三维有限元模型分别获取与单圆管拱肋中一一对应的每根钢管编号，每个测试截面编号和每个监控位移测点编号。
如图3所示，大跨度钢管混凝土拱桥拱肋为哑铃形拱肋，哑铃形拱肋中各钢管编号和钢管位置分别对应或者不对应；哑铃形拱肋中钢管内设有混凝土1，将每根钢管分别编号为R1、R2、R3、R4；钢管R1和钢管R4通过腹腔钢板2连接，钢管R2和钢管R3通过腹腔钢板2连接，分别形成哑铃形状，腹腔钢板2内设有腹腔钢板混凝土3，将测试截面分别编号为S1，S2，S3，…，Sj，…，Sn-2，Sn-1，Sn，以截面Sj为例，钢管R1在测试截面Sj处的监控位移测点编号为M1,j，钢管R2在测试截面Sj处的监控位移测点编号为M2,j，钢管R3在测试截面Sj处的监控位移测点编号为M3,j，钢管R4在测试截面Sj处的监控位移测点编号为M4,j。
通过ANSYS有限元软件或Abaqus有限元软件或Midas Civil有限元软件或桥梁博士有限元软件建立与哑铃形拱肋相同的哑铃形拱肋三维有限元模型，哑铃形拱肋三维有限元模型分别获取与哑铃形拱肋中一一对应的每根钢管编号、每个测试截面编号和每个监控位移测点编号。
如图4所示，大跨度钢管混凝土拱桥拱肋为桁式拱肋，桁式拱肋中各钢管编号和钢管位置分别对应或者不对应；桁式拱肋中钢管内设有混凝土1，将每根钢管分别编号为R1、R2、R3、R4、R5、R6；钢管R1和钢管R4与通过腹杆4连接，钢管R4和钢管R5通过腹杆4连接，钢管R5和钢管R1通过横联杆5连接，形成第一个三角形桁式拱肋；钢管R2和钢管R3与通过腹杆4连接，钢管R3和钢管R6通过腹杆4连接，钢管R6和钢管R2通过横联杆5连接，形成第二个三角形桁式拱肋；将测试截面分别编号为S1，S2，S3，…，Sj，…，Sn-2，Sn-1，Sn，以截面Sj为例，钢管R1在测试截面Sj处的监控位移测点编号为M1,j，钢管R2在测试截面Sj处的监控位移测点编号为M2,j，钢管R3在测试截面Sj处的监控位移测点编号为M3,j，钢管R4在测试截面Sj处的监控位移测点编号为M4,j，钢管R5在测试截面Sj处的监控位移测点编号为M5,j，钢管R6在测试截面Sj处的监控位移测点编号为M6,j。
通过ANSYS有限元软件或Abaqus有限元软件或Midas Civil有限元软件或桥梁博士有限元软件建立与桁式拱肋相同的桁式拱肋三维有限元模型，桁式拱肋三维有限元模型分别获取与桁式拱肋中一一对应的每根钢管编号、每个测试截面编号和每个监控位移测点编号。
如图5所示，大跨度钢管混凝土拱桥拱肋为桁式拱肋，桁式拱肋中各钢管编号和钢管位置分别对应或者不对应；桁式拱肋中钢管内设有混凝土1，将每根钢管分别编号为R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8；钢管R1和钢管R4与通过腹杆4连接，钢管R4和钢管R8通过横联杆5，钢管R8和钢管R5通过腹杆4连接，钢管R5和钢管R1通过横联杆5连接，形成第一个四边形桁式拱肋；钢管R2和钢管R3与通过腹杆4连接，钢管R3和钢管R7通过横联杆5连接，钢管R7和钢管R6通过腹杆4连接，钢管R6和钢管R2通过横联杆5连接，形成第二个四边形桁式拱肋；将测试截面分别编号为S1，S2，S3，…，Sj，…，Sn-2，Sn-1，Sn，以截面Sj为例，以截面Sj为例，钢管R1在测试截面Sj处的监控位移测点编号为M1,j，钢管R2在测试截面Sj处的监控位移测点编号为M2,j，钢管R3在测试截面Sj处的监控位移测点编号为M3,j，钢管R4在测试截面Sj处的监控位移测点编号为M4,j，钢管R5在测试截面Sj处的监控位移测点编号为M5,j，钢管R6在测试截面Sj处的监控位移测点编号为M6,j，钢管R7在测试截面Sj处的监控位移测点编号为M7,j，钢管R8在测试截面Sj处的监控位移测点编号为M8,j。
通过ANSYS有限元软件或Abaqus有限元软件或Midas Civil有限元软件或桥梁博士有限元软件建立与桁式拱肋相同的桁式拱肋三维有限元模型，桁式拱肋三维有限元模型分别获取与桁式拱肋中一一对应的每根钢管编号、每个测试截面编号和每个监控位移测点编号。
(3)对修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型进行几何非线性和材料非线性的双重非线性稳定分析，确定自重荷载工况作用下的失稳模态，在有限元软件计算提取所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型自重荷载工况作用下失稳模态曲线中每个监控位移测点Mi,j三个方向的理论坐标值x、y和z，计算出修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的理论初始曲率
Figure BDA0002086136560000101
其计算公式为：
Figure BDA0002086136560000102
式①中，
Figure BDA0002086136560000103
表示修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的理论初始曲率；r表示拱肋轴线；
Figure BDA0002086136560000104
和
Figure BDA0002086136560000105
分别表示修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况下每个监控位移测点Mi,j的拱肋轴线方程的1阶导数和2阶导数；
1阶导数的
Figure BDA0002086136560000106
的计算公式为：
Figure BDA0002086136560000107
2阶导数
Figure BDA0002086136560000108
的计算公式为：
Figure BDA0002086136560000109
式②和式③中，
Figure BDA00020861365600001010
表示所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况下每个监控位移测点Mi,j在x方向的理论坐标值；
Figure BDA00020861365600001011
表示所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况下每个监控位移测点Mi,j在y方向的理论坐标值；
Figure BDA00020861365600001012
分别为所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况下每个监控位移测点Mi,j在z方向的理论坐标值；
式②各分量的方程按式④～式⑥求解：
Figure BDA0002086136560000111
Figure BDA0002086136560000112
Figure BDA0002086136560000113
式③中各分量的方程按式⑦～式⑨求解：
Figure BDA0002086136560000114
Figure BDA0002086136560000115
Figure BDA0002086136560000116
式④至式⑨中，
Figure BDA0002086136560000117
表示第i根钢管中第j-1个测试截面对应监控位移测点与第j个测试截面对应监控位移测点之间的距离；
Figure BDA0002086136560000118
表示第i根钢管中第j个测试截面对应监控位移测点与第j+1个测试截面对应监控位移测点之间的距离；
对修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型进行几何非线性和材料非线性的双重非线性稳定分析，确定指定研究荷载工况作用下的失稳模态，在有限元软件计算提取指定研究荷载工况作用下对应失稳模态曲线中每个监控位移测点Mi,j三个方向的理论坐标值x、y和z；再根据非线性稳定分析结果中指定研究荷载工况作用下对应所述失稳模态曲线中每个监控位移测点Mi,j三个方向的理论坐标值x、y和z，参照计算公式①至⑨计算出修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在指定研究荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的理论曲率
Figure BDA0002086136560000119
非线性稳定分析结果包括屈曲稳定系数和对应的失稳模态曲线。
(4)获取大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j三个方向的实测坐标值x、y和z，参照步骤(3)的计算公式①至⑨计算出大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的实测初始曲率
Figure BDA00020861365600001110
获取大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在指定研究荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j三个方向的实测坐标值x、y和z，参照步骤(3)的参照计算公式①至⑨计算出大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在指定研究荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的实测曲率
Figure BDA0002086136560000121
(5)根据步骤(3)计算出修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型中每个监控位移测点Mi,j的理论曲率差
Figure BDA0002086136560000122
其计算公式为：
Figure BDA0002086136560000123
根据步骤(4)计算出大跨度钢管混凝土拱桥拱肋中每个监控位移测点Mi,j的实测曲率差
Figure BDA0002086136560000124
其计算公式为：
Figure BDA0002086136560000125
Figure BDA0002086136560000126
表示修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的理论初始曲率；
Figure BDA0002086136560000127
表示大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的实测初始曲率；
Figure BDA0002086136560000128
表示修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在指定研究荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的理论曲率；
Figure BDA0002086136560000129
表示大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在指定研究荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的实测曲率；
Figure BDA00020861365600001210
表示修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型中每个监控位移测点在Mi,j的理论曲率差；
Figure BDA00020861365600001211
表示大跨度钢管混凝土拱桥拱肋中每个监控位移测点在Mi,j的实测曲率差。
(6)根据步骤(5)所得的理论曲率差
Figure BDA00020861365600001212
和实测曲率差
Figure BDA00020861365600001213
判断拱肋的失稳状态，具体判断方法如下：
当
Figure BDA00020861365600001214
则拱肋处于非线性稳定状态；
当
Figure BDA0002086136560000131
则拱肋处于非线性失稳状态；
当
Figure BDA0002086136560000132
则拱肋处于非线性稳定临界状态。
优选地，若在大跨度钢管混凝土拱桥竣工试运行阶段时，对其拱肋的失稳状态进行判断，则采用步骤(4)所得的实测初始曲率
Figure BDA0002086136560000133
按照步骤(5)的计算公式算出理论曲率差
Figure BDA0002086136560000134
和实测曲率差
Figure BDA0002086136560000135
再按照步骤(6)的判断方法判断失稳状态。
优选地，由于多年后大跨度钢管混凝土拱桥拱肋的拱肋轴线在基础沉降、车辆荷载等因素作用下出现偏差，使在步骤(4)所得的实测初始曲率
Figure BDA0002086136560000136
不准确，因此，对运行多年后的大跨度钢管混凝土拱桥进行拱肋失稳状态判断时，采用步骤(3)所得的理论初始曲率
Figure BDA0002086136560000137
来代替步骤(4)的实测初始曲率
Figure BDA0002086136560000138
参照步骤(5)的计算公式算出理论曲率差
Figure BDA0002086136560000139
和实测曲率差
Figure BDA00020861365600001310
再按照步骤(6)的判断方法判断失稳状态。

Claims (6)

1.一种大跨度钢管混凝土拱桥拱肋稳定性的测试与判别方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据大跨度钢管混凝土拱桥拱肋的设计图纸和施工资料，将大跨度钢管混凝土拱桥拱肋中m根钢管分别编号为Ri，Ri表示拱肋中第i根钢管；将所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋按等距或不等距划分为n个测试截面，所述n个测试截面分别编号为Sj，Sj表示第j个测试截面；将所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋中每根钢管Ri对应每个测试截面Sj的位置设为监控位移测点，或者拱肋腹杆与拱肋弦杆的连接处作为监控位移测点；所述监控位移测点编号为Mi,j，Mi,j表示第i根钢管的第j个测试截面对应的监控位移测点；
(2)根据所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋的设计图纸和施工资料，通过有限元软件建立大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型；根据所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋的成桥荷载试验，再通过有限元模型修正方法对所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型进行模型修正，获得修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型；
所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型分别获取与所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋中一一对应的钢管编号Ri、测试截面编号Sj和监控位移测点编号Mi,j；
(3)对所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型进行几何非线性和材料非线性的双重非线性稳定分析，确定自重荷载工况作用下的失稳模态，在有限元软件计算提取所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况作用下失稳模态曲线中每个监控位移测点Mi,j三个方向的理论坐标值x、y和z，计算出所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的理论初始曲率
Figure FDA0003982277770000011
对所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型进行几何非线性和材料非线性的双重非线性稳定分析，确定指定研究荷载工况作用下的失稳模态，在有限元软件计算提取指定研究荷载工况作用下对应失稳模态曲线中每个监控位移测点Mi,j三个方向的理论坐标值x、y和z；再根据非线性稳定分析结果中指定研究荷载工况作用下对应所述失稳模态曲线中每个监控位移测点Mi,j的理论坐标值x、y和z，计算出所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在指定研究荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的理论曲率
Figure FDA0003982277770000012
(4)获取所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j三个方向的实测坐标值x、y和z，计算出所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的实测初始曲率
Figure FDA0003982277770000021
获取所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在指定研究荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j三个方向的实测坐标值x、y和z，计算出所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在指定研究荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的实测曲率
Figure FDA0003982277770000022
(5)根据步骤(3)计算出所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型中每个监控位移测点Mi,j的理论曲率差
Figure FDA0003982277770000023
其计算公式为：
Figure FDA0003982277770000024
根据步骤(4)计算出所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋中每个监控位移测点Mi,j的实测曲率差
Figure FDA0003982277770000025
其计算公式为：
Figure FDA0003982277770000026
(6)根据步骤(5)所得的理论曲率差
Figure FDA0003982277770000027
和实测曲率差
Figure FDA0003982277770000028
判断拱肋的失稳状态，具体判断方法如下：
当
Figure FDA0003982277770000029
则拱肋处于非线性稳定状态；
当
Figure FDA00039822777700000210
则拱肋处于非线性失稳状态；
当
Figure FDA00039822777700000211
则拱肋处于非线性稳定临界状态。
2.根据权利要求1所述一种大跨度钢管混凝土拱桥拱肋稳定性的测试与判别方法，其特征在于，在所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋中每个监控位移测点Mi,j设置位移传感器，所述位移传感器用于分别采集所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j三个方向的实测坐标值和所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在指定研究荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j三个方向的实测坐标值；
在所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型设置对应的每个监控位移测点Mi,j，分别用于有限元软件计算提取拱肋失稳模态曲线中在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j三个方向的理论坐标值和在指定研究工况作用下每个监控位移测点Mi,j三个方向的理论坐标值。
3.根据权利要求1所述一种大跨度钢管混凝土拱桥拱肋稳定性的测试与判别方法，其特征在于，步骤(3)中所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的理论初始曲率
Figure FDA0003982277770000031
的计算公式为：
Figure FDA0003982277770000032
式①中，
Figure FDA0003982277770000033
表示所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况下每个监控位移测点Mi,j的理论初始曲率，
Figure FDA0003982277770000034
和
Figure FDA0003982277770000035
分别表示所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况下每个监控位移测点Mi,j拱肋轴线方程的1阶导数和2阶导数；
所述1阶导数
Figure FDA0003982277770000036
的计算公式为：
Figure FDA0003982277770000037
所述2阶导数
Figure FDA0003982277770000038
的计算公式为：
Figure FDA0003982277770000039
式②和式③中，
Figure FDA00039822777700000310
表示所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况下每个监控位移测点Mi,j在x方向的理论坐标值；
Figure FDA00039822777700000311
表示所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况下每个监控位移测点Mi,j在y方向的理论坐标值；
Figure FDA00039822777700000312
分别为所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况下每个监控位移测点Mi,j在z方向的理论坐标值；
式②各分量的方程按式④～式⑥求解：
Figure FDA00039822777700000313
Figure FDA00039822777700000314
Figure FDA0003982277770000041
式③中各分量的方程按式⑦～式⑨求解：
Figure FDA0003982277770000042
Figure FDA0003982277770000043
Figure FDA0003982277770000044
式④至式⑨中，
Figure FDA0003982277770000045
表示第i根钢管中第j-1个测试截面对应监控位移测点与第j个测试截面对应监控位移测点之间的距离；
Figure FDA0003982277770000046
表示第i根钢管中第j个测试截面对应监控位移测点与第j+1个测试截面对应监控位移测点之间的距离；
同理，参照计算公式①至⑨，分别计算出步骤(3)和步骤(4)所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在指定研究荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的理论曲率
Figure FDA0003982277770000047
所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的实测初始曲率
Figure FDA0003982277770000048
和所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在指定研究荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的实测曲率
Figure FDA0003982277770000049
4.根据权利要求1至3任意一项所述一种大跨度钢管混凝土拱桥拱肋稳定性的测试与判别方法，其特征在于，所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋为单圆管拱肋、哑铃形拱肋或桁式拱肋。
5.根据权利要求1所述一种大跨度钢管混凝土拱桥拱肋稳定性的测试与判别方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(3)中，所述有限元软件为ANSYS有限元软件或Abaqus有限元软件或MidasCivil有限元软件或桥梁博士有限元软件。
6.根据权利要求1所述一种大跨度钢管混凝土拱桥拱肋稳定性的测试与判别方法，其特征在于，步骤(2)中，所述有限元模型修正方法为基于灵敏度分析的结构有限元模型修正方法或基于频响函数的结构有限元模型修正方法或基于神经网络的非线性结构有限元模型修正方法或基于遗传算法的有限元模型修正方法。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105678010A (zh) * 2016-01-26 2016-06-15 华北水利水电大学 一种钢管混凝土拱桥振动频率计算方法
CN106777848A (zh) * 2017-03-29 2017-05-31 辽宁工程技术大学 一种基于模糊综合评价的拱肋提升施工稳定性评价方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105678010A (zh) * 2016-01-26 2016-06-15 华北水利水电大学 一种钢管混凝土拱桥振动频率计算方法
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