CN110345890B - 一种成桥状态散索鞍位置和锚跨线形的联合确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种成桥状态散索鞍位置和锚跨线形的联合确定方法,涉及悬索桥技术领域,包括步骤:根据IP点边跨侧三向分力计算IP点锚跨侧三向分力初始值;根据IP点边跨侧三向分力和锚跨侧三向分力,计算得到初始的散索鞍圆心坐标和锚跨线形,再通过计算得到散索鞍处的不平衡力、锚固点竖坐标和横坐标与预设值的差值;基于IP点锚跨侧三向分力的影响矩阵,对IP点锚跨侧三向分力初始值进行优化,直至不平衡力满足预设精度,且竖坐标和横坐标与预设值的差值均满足预设精度,得到最终的散索鞍圆心坐标和锚跨线形。本发明,将成桥状态下锚跨线形的确定与散索鞍位置的确定关联起来,使得到的散索鞍位置完全适应锚跨线形,结果精确可靠。
Description
技术领域
本发明涉及悬索桥技术领域,具体涉及一种成桥状态散索鞍位置和锚跨线形的联合确定方法。
背景技术
悬索桥设计时,一般是根据主缆的理论交点(IP点)的位置,采用解析表达式法计算各跨主缆的成桥线形,然后根据成桥线形确定鞍座的位置。这种确定方法属于分离法,具有先后顺序,而进行成桥线形计算时与鞍座位置没有任何关系,计算过程相对独立。对于沿斜面滑动或绕转轴转动的散索鞍,在计算锚跨成桥线形时存在以下问题:
1、在计算锚跨成桥线形时,由于鞍座的位置尚未确定,平衡条件只能建立在虚拟的IP点处,和散索鞍鞍座没有关系,而真正的平衡条件应是鞍座的平衡,因此分离法只能满足在IP点处的虚拟平衡,并不是真正的平衡;
2、上述方法计算鞍座位置的思路是鞍座位置要适应锚跨和边跨的线形,因此鞍座位置的精确度完全取决于锚跨和边跨线形的精度,而在计算锚跨设计线形时存在多种假设,锚跨线形的精度无法保证,进而影响鞍座位置的精度;
3、采用分离法建立平衡条件时,由于尚未确定散索鞍的位置,散索鞍自重产生的力矩就不能准确计算,往往需要忽略自重的影响,因此会产生误差。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷之一,本发明的目的在于提供一种成桥状态散索鞍位置和锚跨线形的联合确定方法,将成桥状态下锚跨线形的确定与散索鞍位置的确定关联起来,结果精确可靠。
为达到以上目的,本发明采取的技术方案是:一种成桥状态散索鞍位置和锚跨线形的联合确定方法,其包括步骤:
基于主缆边跨侧和锚跨侧在散索鞍IP点处索力相等的条件,根据IP点边跨侧三向分力计算IP点锚跨侧三向分力初始值;
根据IP点边跨侧三向分力和锚跨侧三向分力,计算得到初始的散索鞍圆心坐标和锚跨线形,再通过计算得到散索鞍处的不平衡力、锚固点竖坐标和横坐标与预设值的差值;
基于IP点锚跨侧三向分力的影响矩阵,对该IP点锚跨侧三向分力初始值进行优化,直至不平衡力满足预设精度,且竖坐标和横坐标与预设值的差值均满足预设精度,得到最终的散索鞍圆心坐标和锚跨线形。
在上述技术方案的基础上,通过建立悬链线方程、切点几何位置方程、相切关系方程及圆心位置方程,计算得到散索鞍圆心坐标、锚跨切点坐标、IP点到锚跨切点的悬链线无应力长度、以及IP点到边跨切点的悬链线无应力长度;
再根据锚跨切点坐标和IP点到锚跨切点的悬链线无应力长度得到锚跨线形。
在上述技术方案的基础上,计算散索鞍处的不平衡力,具体包括:
根据主缆位于散索鞍IP点边跨侧三向分力和锚跨侧三向分力、IP点到锚跨切点的悬链线无应力长度、以及IP点到边跨切点的悬链线无应力长度,计算锚跨切点和边跨切点的三向分力;
根据锚跨切点和边跨切点的三向分力,并在考虑散索鞍自重影响的条件下,计算散索鞍处的不平衡力。
在上述技术方案的基础上,对于滑移式散索鞍,散索鞍处的不平衡力为锚跨切点和边跨切点的三向分力、以及散索鞍自重在滑移面上的合力;
ΔF=(QXL*cos(α)+QYL*sin(α))+(QXR*cos(α)+QYR*sin(α))+G*sin(α)其中,ΔF为散索鞍处的不平衡力,QXL为锚跨切点的X向分力,QYL为锚跨切点的Y向分力,QXR为边跨切点的X向分力,QYR为边跨切点的Y向分力,α为滑移面的倾斜角度,G为散索鞍自重。
在上述技术方案的基础上,对于摇轴式散索鞍,散索鞍处的不平衡力为锚跨切点和边跨切点的三向分力、以及散索鞍自重相对摇轴中心的力矩之和;
ΔF=(QXL*hl-QYL*ll)+(QXR*hr-QYR*lr)+G*lg
其中,ΔF为散索鞍处的不平衡力,hl为锚跨切点相对摇轴中心的高差,ll为锚跨切点相对摇轴中心的水平距离,hr为边跨切点相对摇轴中心的高差,lr为边跨切点相对摇轴中心的水平距离,lg为散索鞍重心相对摇轴中心的水平距离。
在上述技术方案的基础上,锚固点竖坐标和横坐标,由锚跨切点的三向分力、锚跨切点坐标和已知的锚固点纵坐标,通过悬链线方程计算得到。
在上述技术方案的基础上,散索鞍IP点边跨侧三向分力根据主索鞍的平衡条件计算得到。
在上述技术方案的基础上,主索鞍的平衡条件包括:主索鞍IP点边跨侧纵向分力与主索鞍IP点主跨侧纵向分力相等。
在上述技术方案的基础上,根据主索鞍的平衡条件确定边跨线形。
在上述技术方案的基础上,基于IP点锚跨侧三向分力的影响矩阵,对IP点锚跨侧三向分力进行优化,具体包括:
对IP点锚跨侧三向分力依次增加一定值,计算不平衡力、竖坐标差值和横坐标差值,得到三向分力影响矩阵;
通过三向分力影响矩阵得到IP点锚跨侧新的三向分力。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
(1)本发明的成桥状态散索鞍位置和锚跨线形的联合确定方法,将成桥状态下锚跨线形的确定与散索鞍位置的确定关联起来,进行整体迭代,二者计算过程相互不独立,使得到的散索鞍位置完全适应锚跨线形,结果精确可靠。
(2)本发明的成桥状态散索鞍位置和锚跨线形的联合确定方法,散索鞍处的不平衡力是在考虑散索鞍自重影响的条件下,通过散索鞍两侧的锚跨切点和边跨切点的三向分力确定;即影响散索鞍平衡的因素是散索鞍自重、锚跨切点和边跨切点的索力,而不是现有计算过程中,将平衡条件建立在虚拟的IP点处,以IP点边跨侧和锚跨侧索力为影响因素。
附图说明
图1为本发明实施例中成桥状态散索鞍位置和锚跨线形的联合确定方法的流程图;
图2为本发明实施例中成桥状态的散索鞍示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示,本发明实施例提供一种成桥状态散索鞍位置和锚跨线形的联合确定方法,其包括步骤:
S1.基于主缆边跨侧和锚跨侧在散索鞍IP点处索力相等的条件,根据IP点边跨侧三向分力(FXR、FYR、FZR)计算IP点锚跨侧三向分力(FXL、FYL、FZL)的初始值。
S2.根据IP点边跨侧三向分力(FXR、FYR、FZR)和锚跨侧三向分力(FXL、FYL、FZL),计算得到初始的散索鞍圆心坐标(XC、YC、ZC)和锚跨线形,再通过计算得到散索鞍处的不平衡力ΔF、锚固点竖坐标Ym和横坐标Zm分别与预设值的差值。
S3.基于IP点锚跨侧三向分力的影响矩阵,对IP点锚跨侧三向分力初始值进行优化,直至不平衡力满足预设精度,且竖坐标和横坐标的计算值与预设值的差值均满足预设精度,得到最终的散索鞍圆心坐标和锚跨线形;根据最终的散索鞍圆心坐标即可确定散索鞍的安装位置。
本实施例中,需要由设计人员预先设置一个可允许的最大不平衡力,作为不平衡力的阈值,以及对锚固点的竖坐标和横坐标分别设置一个可允许的计算值与预设值的最大差值,作为差值的阈值。假设不平衡力的阈值为0.001kN,锚固点的竖坐标和横坐标的计算值与预设值的最大差值均为0.001m。当计算得到的不平衡力的绝对值不大于0.001kN时,不平衡力满足预设精度。当锚固点的竖坐标计算值与预设值的差值的绝对值不大于0.001m,且锚固点的横坐标计算值与预设值的差值的绝对值不大于0.001m时,竖坐标计算值与预设值的差值、以及横坐标计算值与预设值的差值满足预设精度。
本实施例中,将成桥状态下锚跨线形的确定与散索鞍位置的确定关联起来,不分先后顺序进行整体迭代,二者计算过程相互不独立,使得到的散索鞍位置完全适应锚跨线形,结果精确可靠。
本实施例中,通过建立悬链线方程、切点几何位置方程、相切关系方程及圆心位置方程,计算得到散索鞍圆心坐标、锚跨切点坐标、IP点到锚跨切点的悬链线无应力长度、以及IP点到边跨切点的悬链线无应力长度;再根据锚跨切点坐标和IP点到锚跨切点的悬链线无应力长度即可得到锚跨线形。
优选地,本实施例需要建立6个悬链线方程、2个切点几何位置方程、2个相切关系方程及1个圆心位置方程,以此构成求解空间散索鞍位置和锚跨线形的11元非线性方程组,采用拟牛顿法来求解非线性方程组,即可得到散索鞍圆心坐标(XC、YC、ZC)、锚跨切点坐标(XL、YL、ZL)、边跨切点坐标(XR、YR、ZR)、IP点到锚跨切点的悬链线无应力长度SL、以及IP点到边跨切点的悬链线无应力长度SR,共11个未知量。
其中,11元非线性方程组可表达为:
(XL-XC)2+(YL-YC)2+(ZL-ZC)2=R2
(XR-XC)2+(YR-YC)2+(ZR-ZC)2=R2
m(XC-XIP)+n(YC-YIP)+l(ZC-ZIP)=0
上述步骤S2中,计算散索鞍处的不平衡力,具体包括:
首先根据散索鞍IP点边跨侧三向分力和锚跨侧三向分力、IP点到锚跨切点的悬链线无应力长度、以及IP点到边跨切点的悬链线无应力长度,计算锚跨切点和边跨切点的三向分力。
其中,锚跨切点的三向分力(QXL、QYL、QZL)分别为:
QXL=-FXL
QYL=-FYL-w*SL
QZL=-FZL
边跨切点的三向分力(QXR、QYR、QZR)分别为:
QXR=-FXR
QYR=-FYR-w*SR
QZR=-FZR
由于影响散索鞍平衡的因素是散索鞍自重、锚跨切点和边跨切点的索力,因此,需要根据锚跨切点和边跨切点的三向分力,并在考虑散索鞍自重影响的条件下,计算散索鞍处的不平衡力。现有计算过程中,多是将散索鞍平衡条件建立在虚拟的IP点处,以IP点边跨侧和锚跨侧索力为影响因素,且忽略了散索鞍自重对平衡的影响,因此,得到的散索鞍位置仍然存在一定误差。
对于滑移式散索鞍,散索鞍处的不平衡力ΔF为锚跨切点和边跨切点的三向分力、以及散索鞍自重在滑移面上的合力,即
ΔF=(QXL*cos(α)+QYL*sin(α))+(QXR*cos(α)+QYR*sin(α))+G*sin(α)
其中,QXL为锚跨切点的X向分力,QYL为锚跨切点的Y向分力,QXR为边跨切点的X向分力,QYR为边跨切点的Y向分力,α为滑移面的倾斜角度,G为散索鞍自重。
因此,对于滑移式散索鞍,散索鞍的理想平衡条件为锚跨切点和边跨切点的三向分力、以及散索鞍自重在滑移面上的合力为0。
对于摇轴式散索鞍,散索鞍处的不平衡力ΔF为锚跨切点和边跨切点的三向分力、以及散索鞍自重相对摇轴中心的力矩之和;
ΔF=(QXL*hl-QYL*ll)+(QXR*hr-QYR*lr)+G*lg
其中,hl为锚跨切点相对摇轴中心的高差,ll为锚跨点相对摇轴中心的水平距离,hr为边跨切点相对摇轴中心的高差,lr为边跨切点相对摇轴中心的水平距离,lg为散索鞍重心相对摇轴中心的水平距离。
因此,对于摇轴式散索鞍,散索鞍的理想平衡条件为锚跨切点和边跨切点的三向分力、以及散索鞍自重相对摇轴中心的力矩之和为0。
本实施例中,锚固点坐标是由设计人员根据地质条件、边中跨比等事先指定的,作为锚固点的坐标的预设值。
上述步骤S2中,锚固点竖坐标和横坐标的计算值,由锚跨切点的三向分力、锚跨切点坐标和已知的锚固点纵坐标,通过已知的悬链线方程计算得到。进而可以得到竖坐标计算值与预设值的差值ΔYm、以及横坐标计算值与预设值的差值ΔZm。
当计算得到的不平衡力ΔF、竖坐标计算值与预设值的差值ΔYm、以及横坐标计算值与预设值的差值ΔZm满足精度要求,则计算终止,该计算过程中得到的锚跨线形和散索鞍的安装位置即为所需结果。
当计算得到的不平衡力ΔF、竖坐标计算值与预设值的差值ΔYm、以及横坐标计算值与预设值的差值ΔZm任一不满足精度要求,则需要基于IP点锚跨侧三向分力的影响矩阵,对IP点锚跨侧三向分力初始值进行优化,具体包括:
首先对IP点锚跨侧三向分力依次增加一定值,计算不平衡力、竖坐标差值和横坐标差值,得到三向分力影响矩阵。
然后通过三向分力影响矩阵得到IP点锚跨侧新的三向分力。
本实施例优化过程中,对IP点锚跨侧三向分力初始值依次加1。因此,上述得到三向分力影响矩阵,具体包括:
首先,采用FXL+1、FYL、FZL为初始值,计算得到第一组ΔF1、ΔYm1、以及ΔZm1;
然后,采用FXL、FYL+1、FZL为初始值,计算得到第二组ΔF2、ΔYm2、以及ΔZm2;
最后,采用FXL、FYL、FZL+1为初始值,计算得到第三组ΔF3、ΔYm3、以及ΔZm3。
以上述三组结果形成三向分力影响矩阵[K],由[K]·{ΔFΔYmΔZm}T得到ΔFXL、ΔFYL、ΔFZL,进而得到新的IP点锚跨侧三向分力(FXL+ΔFXL,FYL+ΔFYL,FZL+ΔFZL)。随后,即可通过新的IP点锚跨侧三向分力进行迭代计算,直至不平衡力ΔF、竖坐标计算值与预设值的差值ΔYm、以及横坐标计算值与预设值的差值ΔZm满足精度要求,得到最终的锚跨线形和散索鞍的安装位置。
本实施例中,散索鞍IP点边跨侧三向分力根据已知的主索鞍的平衡条件计算得到,同时根据主索鞍的平衡条件还可确定边跨线形。主索鞍的平衡条件包括:主索鞍IP点边跨侧纵向分力与主索鞍IP点主跨侧纵向分力相等。
参见图2所示,下面以某悬索桥在设计阶段锚跨成桥线形及散索鞍位置的确定过程为例进行详述。
已知条件:锚固点坐标(-130.0,175.0,0),滑移式散索鞍IP点坐标(-119.0,183.205,0),主索鞍IP点坐标(-65.0,213.535,0),主缆容重82.0kN/m3,横截面积0.06611076m2,弹性模量为200000MPa,散索鞍滑移面的倾斜角为28.7525°,散索鞍半径为3.1m,自重100kN。
具体步骤如下:
1、通过主索鞍的平衡条件计算得到散索鞍IP点边跨侧的分力为FXR=463.888255kN、FYR=-99.137485kN、FZR=0.0kN;
2、基于主缆边跨侧和锚跨侧在散索鞍IP点处索力相等的条件,计算散索鞍IP点锚跨侧三向分力的迭代初始值FXL=-361.325789kN、FYL=-307.350335kN、FZL=0.0kN;
3、根据IP点锚跨侧和边跨侧的三向分力,建立11元非线性方程组,得到锚跨侧切点坐标为(-119.6,182.7,0.0),边跨侧切点坐标为(-118.3,183.4,0.0),散索鞍圆心坐标为(-117.6,180.3,0.0),IP点到锚跨切点的悬链线无应力长度SL为0.759377m,IP点到边跨切点的悬链线无应力长度SR为0.756668m。
4、在步骤3的基础上,计算得到锚跨切点的三向分力为(-361.33,-303.23,0.0),以及边跨侧切点的三向分力为(463.89,103.24,0.0),单位均为kN;然后在考虑散索鞍自重影响的条件下,计算得到不平衡力ΔF=-54.388234kN;
5、根据悬链线方程迭代求解锚固点的竖坐标Ym和横坐标Zm,进而得到竖坐标差值ΔYm=0.001920m,横坐标差值ΔZm=0.0m;
6、判断ΔF、ΔYm、以及ΔZm的结果不满足精度要求,对IP点锚跨侧三向分力初始值依次加1计算三组不平衡力、锚固点竖坐标差值和横坐标差值,形成三向分力影响矩阵,更新IP点锚跨侧三向分力的迭代值,重复步骤3-5,直到满足收敛条件,计算结束。
通过3次迭代,得到不平衡力ΔF=0.000kN,竖坐标差值ΔYm=0.000m,横坐标差值ΔZm=0.000m,并以最后一次计算得到的锚跨切点坐标、锚跨切点的三向分力、散索鞍处的不平衡力及散索鞍圆心坐标为结果。
本实施例与现有方法的结果对比见表1。由表1可见,本实施例得到的锚跨侧切点纵坐标与现有方法的结果相差0.49cm,竖坐标相差1.23cm;本实施例得到的散索鞍圆心纵坐标与现有方法的结果相差1.31cm,竖坐标相差0.29cm。现有方法计算的散索鞍两侧的切点力在滑移面上仍然存在较为明显的不平衡力(-54.388234),而本实施例在滑移面上可实现完全平衡。
表1结果对比
本实施例的联合确定方法,将成桥状态下锚跨线形的确定与散索鞍位置的确定关联起来,使锚跨线形和散索鞍位置同时去适应边跨线形和锚固点坐标,且得到的散索鞍位置完全适应得到的锚跨线形,结果精确可靠。
本发明已成功应用于主跨1700m的武汉杨泗港长江大桥的设计中,在设计阶段实现锚跨线形和散索鞍位置完全适应边跨线形和锚固点坐标。
本发明不局限于上述实施方式,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种成桥状态散索鞍位置和锚跨线形的联合确定方法,其特征在于,其包括步骤:
基于主缆边跨侧和锚跨侧在散索鞍IP点处索力相等的条件,根据IP点边跨侧三向分力计算IP点锚跨侧三向分力初始值;
根据所述IP点边跨侧三向分力和锚跨侧三向分力,计算得到初始的散索鞍圆心坐标和锚跨线形,再通过计算得到散索鞍处的不平衡力、锚固点竖坐标和横坐标与预设值的差值;
基于所述IP点锚跨侧三向分力的影响矩阵,对所述IP点锚跨侧三向分力初始值进行优化,直至所述不平衡力满足预设精度,且所述竖坐标和横坐标与预设值的差值均满足预设精度,得到最终的散索鞍圆心坐标和所述锚跨线形。
2.如权利要求1所述的成桥状态散索鞍位置和锚跨线形的联合确定方法,其特征在于:通过建立悬链线方程、切点几何位置方程、相切关系方程及圆心位置方程,计算得到所述散索鞍圆心坐标、锚跨切点坐标、所述IP点到锚跨切点的悬链线无应力长度、以及所述IP点到边跨切点的悬链线无应力长度;
再根据所述锚跨切点坐标和所述IP点到锚跨切点的悬链线无应力长度得到所述锚跨线形。
3.如权利要求2所述的成桥状态散索鞍位置和锚跨线形的联合确定方法,其特征在于,计算散索鞍处的不平衡力,具体包括:
根据主缆位于散索鞍IP点边跨侧三向分力和锚跨侧三向分力、所述IP点到锚跨切点的悬链线无应力长度、以及所述IP点到边跨切点的悬链线无应力长度,计算锚跨切点和边跨切点的三向分力;
根据所述锚跨切点和边跨切点的三向分力,并在考虑散索鞍自重影响的条件下,计算散索鞍处的不平衡力。
4.如权利要求3所述的成桥状态散索鞍位置和锚跨线形的联合确定方法,其特征在于:对于滑移式散索鞍,所述散索鞍处的不平衡力为所述锚跨切点和边跨切点的三向分力、以及散索鞍自重在滑移面上的合力;
ΔF=(QXL*cos(α)+QYL*sin(α))+(QXR*cos(α)+QYR*sin(α))+G*sin(α)
其中,ΔF为散索鞍处的不平衡力,QXL为锚跨切点的X向分力,QYL为锚跨切点的Y向分力,QXR为边跨切点的X向分力,QYR为边跨切点的Y向分力,α为滑移面的倾斜角度,G为散索鞍自重。
5.如权利要求3所述的成桥状态散索鞍位置和锚跨线形的联合确定方法,其特征在于:对于摇轴式散索鞍,所述散索鞍处的不平衡力为锚跨切点和边跨切点的三向分力、以及散索鞍自重相对摇轴中心的力矩之和;
ΔF=(QXL*hl-QYL*ll)+(QXR*hr-QYR*lr)+G*lg
其中,ΔF为散索鞍处的不平衡力,hl为锚跨切点相对摇轴中心的高差,ll为锚跨切点相对摇轴中心的水平距离,hr为边跨切点相对摇轴中心的高差,lr为边跨切点相对摇轴中心的水平距离,lg为散索鞍重心相对摇轴中心的水平距离,QXL为锚跨切点的X向分力,QYL为锚跨切点的Y向分力,QXR为边跨切点的X向分力,QYR为边跨切点的Y向分力,G为散索鞍自重。
6.如权利要求3所述的成桥状态散索鞍位置和锚跨线形的联合确定方法,其特征在于:所述锚固点竖坐标和横坐标,由所述锚跨切点的三向分力、锚跨切点坐标和已知的锚固点纵坐标,通过悬链线方程计算得到。
7.如权利要求1所述的成桥状态散索鞍位置和锚跨线形的联合确定方法,其特征在于:所述散索鞍IP点边跨侧三向分力根据主索鞍的平衡条件计算得到。
8.如权利要求7所述的成桥状态散索鞍位置和锚跨线形的联合确定方法,其特征在于,所述主索鞍的平衡条件包括:主索鞍IP点边跨侧纵向分力与主索鞍IP点主跨侧纵向分力相等。
9.如权利要求7所述的成桥状态散索鞍位置和锚跨线形的联合确定方法,其特征在于:根据主索鞍的平衡条件确定所述边跨线形。
10.如权利要求1所述的成桥状态散索鞍位置和锚跨线形的联合确定方法,其特征在于,基于所述IP点锚跨侧三向分力的影响矩阵,对所述IP点锚跨侧三向分力进行优化,具体包括:
对所述IP点锚跨侧三向分力依次增加一定值,计算所述不平衡力、竖坐标差值和横坐标差值,得到三向分力影响矩阵;
通过所述三向分力影响矩阵得到所述IP点锚跨侧新的三向分力。
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