CN111209625A - 一种协作体系桥斜拉吊索重叠区索力分配比例的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种协作体系桥斜拉吊索重叠区索力分配比例的确定方法，涉及桥梁工程技术领域，具体包括以下步骤：假定协作体系桥重叠区内吊索和斜拉索的竖向分力按各占梁段重量的50％进行分配，并初步确定斜拉索、吊索、主缆的索力及主缆传递给塔顶的竖向轴压力，建立协作体系桥的有限元模型；在有限元模型中计算单位竖向力沿重叠区内梁段的纵向移动时，各吊点的吊索和斜拉索的索力影响线；根据单位竖向力作用于重叠区内吊点位置处的索力影响线值的大小，确定重叠区内不同吊点的吊索和斜拉索的索力分配比例值，本发明能够快速确定重叠区内与刚度协调匹配的吊索和斜拉索的索力分配比例。

Description

一种协作体系桥斜拉吊索重叠区索力分配比例的确定方法

技术领域

本发明涉及桥梁工程技术领域，具体涉及一种协作体系桥斜拉吊索重叠区索力分配比例的确定方法。

背景技术

协作体系桥梁由斜拉段、悬吊段及两者间的重叠区组成。斜拉段刚度大，悬吊段刚度小，往往会在斜拉段和悬吊段之间设置一定长度的斜拉-悬索重叠区段，使斜拉侧的大刚度与悬吊侧的小刚度过渡匀顺，并改善变形协调性。

斜拉-悬索重叠区内纵向同一个吊点位置既有斜拉索又有吊索，该吊点处的斜拉索和吊索的索力不如常规的斜拉桥和悬索桥那样明确，需通过对同吊点的吊索和斜拉索进行索力分配比例进行确定。

申请号为CN201510719382.8的中国发明专利公开了一种考虑刚度分配的协作桥合理成桥状态确定方法；其中，通过构造一系列重叠区段内吊索与斜拉索的分配比例系数a和(1-a)；并逐个确定合理成桥状态并计算活载效应，通过选定特定的比选指标(如平均应力幅，均方根应力幅等)，选择出一组最优的分配比例。但是，上述专利中提到的确定分配比例的方法还具有以下两个方面的问题：①斜拉-悬索重叠区起两侧斜拉段和悬吊段刚度协调过渡的作用，对重叠区每根吊索根据其位置取不同的分配比例值才更能与刚度协调匹配。上述提到的公开专利中对重叠区段内的吊索均采用同一分配比例值，显然不与刚度协调过渡的原则相匹配。②该专利中为了确定最优的分配比例需先预设一系列的分配比例值，并通过有限元逐个计算，效率太低。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种协作体系桥斜拉吊索重叠区索力分配比例的确定方法，能够快速确定重叠区内与刚度协调匹配的吊索和斜拉索的索力分配比例。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

提供一种协作体系桥斜拉吊索重叠区索力分配比例的确定方法，具体包括以下步骤：

假定协作体系桥重叠区内吊索和斜拉索的竖向分力按各占梁段重量的50％进行分配，并初步确定斜拉索、吊索、主缆的索力及主缆传递给塔顶的竖向轴压力，建立协作体系桥的有限元模型；

在有限元模型中计算单位竖向力沿重叠区内梁段的纵向移动时，各吊点的吊索和斜拉索的索力影响线；

根据单位竖向力作用于重叠区内吊点位置处的索力影响线值的大小，确定重叠区内不同吊点的吊索和斜拉索的索力分配比例值。

在上述技术方案的基础上，建立协作体系桥的有限元模型，具体包括以下步骤：

S101，协作体系桥重叠区内吊索和斜拉索的竖向分力按各占梁段重量的50％进行分配，以及获取初步确定的斜拉索、吊索、主缆的索力及主缆传递给塔顶的竖向轴压力；

S102，将协作体系模型沿主缆分开，形成斜拉部分和悬索部分；

S103，斜拉部分中去掉主缆，并约束吊索顶端，形成斜拉桥分析模型，模型塔顶施加主缆的竖向分力，考虑结构的几何非线性效应，确定斜拉索索力和吊索索力；

S104，悬索部分中只保留主缆和吊索，形成悬索桥分析模型，悬索部分将步骤S103中的吊索索力作为荷载施加至吊索底，并对主缆进行重新找形更新主缆的线形和内力；

S105，更新斜拉部分模型中主缆传递至塔顶的竖向分力，将S103中确定的斜拉索索力及S104中确定的吊索索力和主缆内力施加至整体模型中，形成协作体系桥的有限元模型。

在上述技术方案的基础上，确定重叠区内不同吊点的吊索和斜拉索的索力分配比例值后，根据确定的吊索和斜拉索的索力分配比例值，形成最终的有限元模型，对吊索和斜拉索的索力分配比例值进行微调。

在上述技术方案的基础上，形成最终的有限元模型，具体包括以下步骤：

S201，获取确定的重叠区内不同吊点的吊索和斜拉索的索力分配比例值，以及初步确定的斜拉索、吊索、主缆的索力及主缆传递给塔顶的竖向轴压力；

S202，将协作体系模型沿主缆分开，形成斜拉部分和悬索部分；

S203，斜拉部分中去掉主缆，并约束吊索顶端，形成斜拉桥分析模型，模型塔顶施加主缆的竖向分力，考虑结构的几何非线性效应，确定斜拉索索力和吊索索力；

S204，悬索部分中只保留主缆和吊索，形成悬索桥分析模型，悬索部分将步骤S203中的吊索索力作为荷载施加至吊索底，并对主缆进行重新找形更新主缆的线形和内力；

S205，更新斜拉部分模型中主缆传递至塔顶的竖向分力，重复步骤S203和S204，直至误差满足要求，将S203中确定的斜拉索索力及S204中确定的吊索索力和主缆内力施加至整体模型中，形成协作体系桥的有限元模型。

在上述技术方案的基础上，重复步骤S203和S204，直至误差满足要求，确定的吊索索力和主缆内力施加至整体模型中，形成协作体系桥的有限元模型，具体包括以下步骤：判断主缆传递至塔顶的竖向力与前次计算所给的竖向力值的偏差是否小于设定误差值，如果小于设定误差值，将形成斜拉桥分析模型时确定的斜拉索索力，以及形成悬索桥分析模型时确定的吊索索力和主缆内力施加至整体模型中，进行结构分析，如果不小于设定误差值，则重复形成斜拉桥分析模型和悬索桥分析模型，并确定确定斜拉索索力、吊索索力、以及主缆的线形和内力。

在上述技术方案的基础上，重叠区内不同吊点的吊索的索力分配比例值进行线性拟合处理。

在上述技术方案的基础上，初步确定斜拉索、吊索、主缆的索力及主缆传递给塔顶的竖向轴压力，具体包括以下步骤：根据梁段的节段重量，通过恒载平衡法初步确定斜拉索的索力及吊索索力，再根据吊索索力和矢跨比确定主缆的索力。

在上述技术方案的基础上，吊索和斜拉索的索力，满足以下公式：

Ts+Tc×sinθ＝Wg

Ts＝γWg

Tc＝(1-γ)Wg/sinθ

式中，Wg为梁段的节段重量，Ts为吊索的索力，Tc为斜拉索的索力，γ为吊索的竖向分力分配比例，θ为斜拉索与梁段的夹角。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的一种协作体系桥斜拉吊索重叠区索力分配比例的确定方法，通过建立协作体系桥的有限元模型，并根据模型计算吊索和斜拉索的索力影响线，再根据索力影响线值的大小，最终确定重叠区内不同吊点的吊索和斜拉索的索力分配比例值，从而能够快速确定重叠区内与刚度协调匹配的吊索和斜拉索的索力分配比例。

附图说明

图1为本发明实施例中确定方法的流程图；

图2为本发明实施例中协作体系桥的结构示意图；

图3为本发明实施例中重叠区的结构示意图。

图中：1-吊索，2-主缆，3-斜拉索，4-梁段。

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至图3所示，本发明实施例提供一种协作体系桥斜拉吊索重叠区索力分配比例的确定方法，具体包括以下步骤：

假定协作体系桥重叠区内吊索1和斜拉索3的竖向分力按各占梁段4重量的50％进行分配，并初步确定斜拉索3、吊索1、主缆2的索力及主缆2传递给塔顶的竖向轴压力，建立协作体系桥的有限元模型；

在有限元模型中计算单位竖向力沿重叠区内梁段4的纵向移动时，各吊点的吊索1和斜拉索3的索力影响线；

根据单位竖向力作用于重叠区内吊点位置处的索力影响线值的大小，确定重叠区内不同吊点的吊索1和斜拉索3的索力分配比例值。

通过建立协作体系桥的有限元模型，并根据模型计算吊索1和斜拉索3的索力影响线，再根据索力影响线值的大小，最终确定重叠区内不同吊点的吊索1和斜拉索3的索力分配比例值，从而能够快速确定重叠区内与刚度协调匹配的吊索1和斜拉索3的索力分配比例，同时，本发明实施例中通过影响线值确定吊索1分配比例的方法更符合重叠区刚度过渡为一个渐变过程的实际情况，且仅需一次计算即可，计算更加高效。

参见图2和3所示，建立协作体系桥的有限元模型，具体包括以下步骤：

S101，协作体系桥重叠区内吊索1和斜拉索3的竖向分力按各占梁段4重量的50％进行分配，以及获取初步确定的斜拉索3、吊索1、主缆2的索力及主缆2传递给塔顶的竖向轴压力；

S102，将协作体系模型沿主缆2分开，形成斜拉部分和悬索部分；

S103，斜拉部分中去掉主缆2，并约束吊索1顶端，形成斜拉桥分析模型，模型塔顶施加主缆2的竖向分力，考虑结构的几何非线性效应，确定斜拉索3索力和吊索1索力；

S104，悬索部分中只保留主缆2和吊索1，形成悬索桥分析模型，悬索部分将步骤S103中的吊索1索力作为荷载施加至吊索1底，并对主缆2进行重新找形更新主缆2的线形和内力；

S105，更新斜拉部分模型中主缆2传递至塔顶的竖向分力，将S103中确定的斜拉索3索力及S104中确定的吊索1索力和主缆2内力施加至整体模型中，形成协作体系桥的有限元模型。

通过上述步骤，能完成协作体系桥的有限元模型的建立，从而能够进一步完成后续的吊索1和斜拉索3的索力影响线计算，并最终完成对重叠区内不同吊点的吊索1和斜拉索3的索力分配比例值的确定。

确定重叠区内不同吊点的吊索1和斜拉索3的索力分配比例值后，根据确定的吊索1和斜拉索3的索力分配比例值，形成最终的有限元模型，对吊索1和斜拉索3的索力分配比例值进行微调。

形成最终的有限元模型，具体包括以下步骤：

S201，获取确定的重叠区内不同吊点的吊索1和斜拉索3的索力分配比例值，以及初步确定的斜拉索3、吊索1、主缆2的索力及主缆2传递给塔顶的竖向轴压力；

S202，将协作体系模型沿主缆2分开，形成斜拉部分和悬索部分；

S203，斜拉部分中去掉主缆2，并约束吊索1顶端，形成斜拉桥分析模型，模型塔顶施加主缆2的竖向分力，考虑结构的几何非线性效应，确定斜拉索3索力和吊索1索力；

S204，悬索部分中只保留主缆2和吊索1，形成悬索桥分析模型，悬索部分将步骤S203中的吊索1索力作为荷载施加至吊索1底，并对主缆2进行重新找形更新主缆2的线形和内力；

S205，更新斜拉部分模型中主缆2传递至塔顶的竖向分力，重复步骤S203和S204，直至误差满足要求，将S203中确定的斜拉索3索力及S204中确定的吊索1索力和主缆2内力施加至整体模型中，形成协作体系桥的有限元模型。

通过上述步骤，能够完成对协作体系桥有限元模型的最终确定，并根据最终确定的有限元模型生成对应的吊索1和斜拉索3的索力影响线，并根据重叠区内吊点位置处的索力影响线值的大小，最终确定重叠区内不同吊点的吊索1和斜拉索3的索力分配比例值，通过最终确定的吊索1和斜拉索3的索力分配比例值，完成对原确定的重叠区内不同吊点的吊索1和斜拉索3的索力分配比例值的微调，能够提高确定的吊索1和斜拉索3的索力分配比例值的准确性。

悬索部分中只保留主缆2和吊杆，形成悬索桥分析模型，悬索部分将步骤S103或S203中的吊杆力作为荷载施加至吊杆底，并对主缆2进行重新找形更新主缆2的线形和内力，主缆2的内力通过恒载平衡法进行初步确定，其中找形是桥梁的专业术语，是针对悬索桥主缆2节点坐标的计算方法。

重复步骤S203和S204，直至误差满足要求，确定的吊索1索力和主缆2内力施加至整体模型中，形成协作体系桥的有限元模型，具体包括以下步骤：判断主缆2传递至塔顶的竖向力与前次计算所给的竖向力值的偏差是否小于设定误差值，如果小于设定误差值，将形成斜拉桥分析模型时确定的斜拉索3索力，以及形成悬索桥分析模型时确定的吊索1索力和主缆2内力施加至整体模型中，进行结构分析，如果不小于设定误差值，则重复形成斜拉桥分析模型和悬索桥分析模型，并确定确定斜拉索3索力、吊索1索力、以及主缆2的线形和内力。

其中，主缆2传递至塔顶的竖向分力与步骤S201中初步确定的值偏差不大，且斜拉部分模型位于理想状态时，塔处于小偏位状态，P-Δ效应不明显，因此可不迭代，以增加效率。

进一步的，重叠区内不同吊点的吊索1的索力分配比例值进行线性拟合处理，线性化处理后，能够更简洁，也方便其他类似桥梁借鉴使用，从而提高该协作体系桥斜拉吊索1重叠区索力分配比例的确定方法的适用性。

初步确定斜拉索3、吊索1、主缆2的索力及主缆2传递给塔顶的竖向轴压力，具体包括以下步骤：根据梁段4的节段重量，通过恒载平衡法初步确定斜拉索3的索力及吊索1索力，再根据吊索1索力和矢跨比确定主缆2的索力。

参见3所示，吊索1和斜拉索3的索力，满足以下公式：

Ts+Tc×sinθ＝Wg

Ts＝γWg

Tc＝(1-γ)Wg/sinθ

式中，Wg为梁段4的节段重量，Ts为吊索1的索力，Tc为斜拉索3的索力，γ为吊索1的竖向分力分配比例，θ为斜拉索3与梁段4的夹角。

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 (8)

1.一种协作体系桥斜拉吊索重叠区索力分配比例的确定方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

假定协作体系桥重叠区内吊索和斜拉索的竖向分力按各占梁段重量的50％进行分配，并初步确定斜拉索、吊索、主缆的索力及主缆传递给塔顶的竖向轴压力，建立协作体系桥的有限元模型；

在有限元模型中计算单位竖向力沿重叠区内梁段的纵向移动时，各吊点的吊索和斜拉索的索力影响线；

根据单位竖向力作用于重叠区内吊点位置处的索力影响线值的大小，确定重叠区内不同吊点的吊索和斜拉索的索力分配比例值。

2.如权利要求1所述的一种协作体系桥斜拉吊索重叠区索力分配比例的确定方法，其特征在于，建立协作体系桥的有限元模型，具体包括以下步骤：

S101，协作体系桥重叠区内吊索和斜拉索的竖向分力按各占梁段重量的50％进行分配，以及获取初步确定的斜拉索、吊索、主缆的索力及主缆传递给塔顶的竖向轴压力；

S102，将协作体系模型沿主缆分开，形成斜拉部分和悬索部分；

S103，斜拉部分中去掉主缆，并约束吊索顶端，形成斜拉桥分析模型，模型塔顶施加主缆的竖向分力，考虑结构的几何非线性效应，确定斜拉索索力和吊索索力；

S104，悬索部分中只保留主缆和吊索，形成悬索桥分析模型，悬索部分将步骤S103中的吊索索力作为荷载施加至吊索底，并对主缆进行重新找形更新主缆的线形和内力；

S105，更新斜拉部分模型中主缆传递至塔顶的竖向分力，将S103中确定的斜拉索索力及S104中确定的吊索索力和主缆内力施加至整体模型中，形成协作体系桥的有限元模型。

3.如权利要求1所述的一种协作体系桥斜拉吊索重叠区索力分配比例的确定方法，其特征在于：确定重叠区内不同吊点的吊索和斜拉索的索力分配比例值后，根据确定的吊索和斜拉索的索力分配比例值，形成最终的有限元模型，对吊索和斜拉索的索力分配比例值进行微调。

4.如权利要求3所述的一种协作体系桥斜拉吊索重叠区索力分配比例的确定方法，其特征在于，形成最终的有限元模型，具体包括以下步骤：

S201，获取确定的重叠区内不同吊点的吊索和斜拉索的索力分配比例值，以及初步确定的斜拉索、吊索、主缆的索力及主缆传递给塔顶的竖向轴压力；

S202，将协作体系模型沿主缆分开，形成斜拉部分和悬索部分；

S203，斜拉部分中去掉主缆，并约束吊索顶端，形成斜拉桥分析模型，模型塔顶施加主缆的竖向分力，考虑结构的几何非线性效应，确定斜拉索索力和吊索索力；

S204，悬索部分中只保留主缆和吊索，形成悬索桥分析模型，悬索部分将步骤S203中的吊索索力作为荷载施加至吊索底，并对主缆进行重新找形更新主缆的线形和内力；

S205，更新斜拉部分模型中主缆传递至塔顶的竖向分力，重复步骤S203和S204，直至误差满足要求，将S203中确定的斜拉索索力及S204中确定的吊索索力和主缆内力施加至整体模型中，形成协作体系桥的有限元模型。

5.如权利要求4中所述的一种协作体系桥斜拉吊索重叠区索力分配比例的确定方法，其特征在于，重复步骤S203和S204，直至误差满足要求，确定的吊索索力和主缆内力施加至整体模型中，形成协作体系桥的有限元模型，具体包括以下步骤：判断主缆传递至塔顶的竖向力与前次计算所给的竖向力值的偏差是否小于设定误差值，如果小于设定误差值，将形成斜拉桥分析模型时确定的斜拉索索力，以及形成悬索桥分析模型时确定的吊索索力和主缆内力施加至整体模型中，进行结构分析，如果不小于设定误差值，则重复形成斜拉桥分析模型和悬索桥分析模型，并确定确定斜拉索索力、吊索索力、以及主缆的线形和内力。

6.如权利要求1所述的一种协作体系桥斜拉吊索重叠区索力分配比例的确定方法，其特征在于：重叠区内不同吊点的吊索的索力分配比例值进行线性拟合处理。

7.如权利要求1所述的一种协作体系桥斜拉吊索重叠区索力分配比例的确定方法，其特征在于，初步确定斜拉索、吊索、主缆的索力及主缆传递给塔顶的竖向轴压力，具体包括以下步骤：根据梁段的节段重量，通过恒载平衡法初步确定斜拉索的索力及吊索索力，再根据吊索索力和矢跨比确定主缆的索力。

8.如权利要求1所述的一种协作体系桥斜拉吊索重叠区索力分配比例的确定方法，其特征在于，吊索和斜拉索的索力，满足以下公式：

Ts+Tc×sinθ＝Wg

Ts＝γWg

Tc＝(1-γ)Wg/sinθ

式中，Wg为梁段的节段重量，Ts为吊索的索力，Tc为斜拉索的索力，γ为吊索的竖向分力分配比例，θ为斜拉索与梁段的夹角。

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