CN112064384A - 一种悬索桥主缆挤圆前的排布结构及编排方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种悬索桥主缆挤圆前的排布结构及编排方法，涉及桥梁工程技术领域，排布结构包含两种规格的丝股，且小规格丝股设置于大规格丝股外围；所述编排方法包含：选定大规格丝股和小规格丝股；根据设计主缆面积进行试算；基于大规格丝股和小规格丝股的数目之和满足正六边形，且小规格丝股的数目是六的倍数，计算出多个计算钢丝直径；选定与计算钢丝直径最相近的标准钢丝直径、及对应的一组大规格丝股和小规格丝股数目，直至实际主缆面积与设计主缆面积在预先设定的误差范围内。本申请利用标准化直径钢丝组合成两种不同规格的丝股，混合编制悬索桥主缆，形成利于挤圆的排布结构，解决了容易乱丝以及主缆钢丝直径规格繁多的技术问题。

Description

一种悬索桥主缆挤圆前的排布结构及编排方法

技术领域

本申请涉及桥梁工程领域，特别涉及一种悬索桥主缆挤圆前的排布结构及编排方法。

背景技术

在悬索桥工程领域，主缆是其最为重要的构件之一。目前，国内悬索桥主缆大多采用预制平行丝股法，其主缆由若干根丝股排列而成，而每根丝股由一定数量的高强钢丝排列组编而成。为减小主缆孔隙率，方便架设，丝股内的钢丝一般编排成正六边形，钢丝数目一般为37丝、61丝、91丝(见图1)、127丝或169丝等。主缆编排的过程中，先将若干正六边形丝股分别采用定型绑扎带定型，之后将若干丝股编排成正六边形的主缆(见图2)。主缆各丝股架设过程为由下向上逐根架设，所有丝股架设完成后，外缘丝股拆除掉定型绑扎带，再进行梳理挤圆施工。梳理挤圆至关重要，因为后续的架设索夹吊索、主缆缠丝以及主缆防护等工序都要以圆形的主缆为前提。

由于悬索桥跨度、荷载各不相同，因此所需的主缆面积也不相同，为准确控制主缆面积，做到经济合理，且主缆尽量接近圆形(即主缆梳理挤圆后接近等效直径圆)，主缆需要精确编排设计。

相关技术中，主缆的编排方式分为两种，第一种主缆编排方式是以主缆各丝股正六边形排列为基础，去掉部分丝股或不去掉丝股，进行挤圆施工，达到设计要求的主缆面积；第二种主缆编排方式是以主缆各丝股正六边形排列为基础，调整丝股内钢丝的直径大小，直到选取合适规格的钢丝，编排成主缆之后进行挤圆施工，达到设计要求的主缆面积。

但是，第一种主缆编排方式，容易导致在梳理挤圆过程中，部分外层丝股的钢丝沿主缆断面径向移动距离较大，易导致乱丝等情况。第二种主缆编排方式，在设计悬索桥的主缆时，需要预先准备的标准钢丝直径较繁杂，目前通过不同钢丝直径达到调整主缆面积的方法，钢丝直径分布为4.5mm～7.0mm，级差为0.05mm，钢丝规格达50余种，增加了原料的复杂性；同时还会使得多种钢丝后续生产过程复杂化，具体地，丝股的钢丝由钢丝盘条经多次拉拔而成，钢丝盘条直径较大，需经多道预热、拉拔等程序后制成钢丝，每道拉拔程序都需要不同孔径的制丝模具。对于钢丝上游生产而言，钢丝规格种数较多时，生产过程更为复杂，制造每种直径钢丝均需对生产线进行重新设计调整，甚至试验，这种编排方式经济性差。

发明内容

本申请实施例提供一种悬索桥主缆挤圆前的排布结构及编排方法，利用标准化直径钢丝组合成两种不同规格的丝股，混合编制悬索桥主缆，形成更加利于挤圆施工挤圆前的排布结构，解决了容易乱丝以及主缆钢丝直径规格繁多的技术问题。

第一方面，本申请提供了一种悬索桥主缆挤圆前的排布结构，所述排布结构的断面以及组成排布结构的丝股均呈正六边形，所有所述丝股呈中心对称，且均采用相同规格标准化直径的钢丝；所述排布结构包含两种规格的丝股，且小规格丝股设置于大规格丝股外围。

一些实施例中，所述排布结构最外层全部或部分为小规格丝股，其余丝股均为大规格丝股。

一些实施例中，所述排布结构最外层六个角点的丝股为小规格丝股，其余丝股为大规格丝股。

一些实施例中，所述排布结构最外层的六条边的任意一条边至少包含两个以上小规格丝股，且每条边的小规格丝股的数目相同。

第二方面，一种基于上述悬索桥主缆挤圆前的排布结构的编排方法，包含以下步骤：

选定大规格丝股和小规格丝股；

根据要求的设计主缆面积，结合孔隙率选定多组大规格丝股数目和小规格丝股数目进行试算；基于所述大规格丝股和小规格丝股的数目之和满足正六边形排布，且所述小规格丝股的数目是六的倍数，计算出多个计算钢丝直径；

将所有计算钢丝直径与标准钢丝直径进行对比，选定与计算钢丝直径最相近的标准钢丝直径、及对应的一组大规格丝股和小规格丝股数目；

根据标准钢丝直径、大规格丝股数目和小规格丝股数目计算实际主缆面积，直至实际主缆面积与设计主缆面积在预先设定的误差范围内。

一些实施例中，当保持一定的计算精度，存在两个或两个以上与标准钢丝直径最相近的计算钢丝直径时，首先选定小规格丝股的数目较少的一组大规格丝股和小规格丝股的数目，其次选定丝股总数目较少的一组大规格丝股和小规格丝股的数目。

一些实施例中，实际主缆面积S的计算方法：

S＝(n₁m₁+n₂m₂)*πd²/(4-4v)

其中，m₁为所述大规格丝股包含的钢丝根数，n₁为所述大规格丝股的数目；m₂为所述小规格丝股包含的钢丝根数，n₂为所述小规格丝股的数目；v为所述主缆的孔隙率；d为标准钢丝直径。

一些实施例中，所述排布结构最外层六个角点的丝股规格小于其余层的丝股规格。

一些实施例中，所述预先设定的误差范围为-1％～1％。

一些实施例中，所述标准钢丝直径为4.5mm、5.0mm、5.5mm、6.0mm、6.5mm或7.0mm。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供了一种悬索桥主缆挤圆前的排布结构及编排方法，采用一种标准化直径的钢丝，组合成两种不同规格的丝股，形成更加利于挤圆施工挤圆前的排布结构，使得挤圆时，外层钢丝径向移动距离小，解决了传统主缆编排方式外层钢丝径向移动距离大易导致乱丝的技术问题，并且在满足设计主缆面积的同时，由于引入了不同规格的丝股，面积控制更加灵活，在设计主缆时需要准备的标准钢丝的种类大大减少，简化了主缆的设计过程以及后续钢丝生产过程，节省了经济成本，提高了设计效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为用相同规格钢丝编制形成的不同规格的丝股示意图。

图2为传统悬索桥主缆挤圆前的排布结构。

图3为本申请实施例提供挤圆前的排布结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请公开了一种悬索桥主缆挤圆前的排布结构的实施例，排布结构由丝股编排而成，丝股由钢丝编排而成，排布结构的断面成正六边形，组成排布结构的丝股同样成正六边形(见图1)。

如图3所示，在排布结构中，所有丝股呈中心对称，即以一个丝股为中心，其余所有丝股以该丝股为中心，对称布置。所有丝股均采用相同规格的标准化直径的钢丝编排而成。

在本实施例中，排布结构包含两种规格的丝股，且小规格的丝股设置于大规格丝股外围。在其余的实施例中，排布结构还可以包含三种或四种规格的丝股。

排布结构是以一个丝股为中心，中心对称，一层层布置而成。在本实施例中，如设定位于中心的丝股为0层，从里到外依次1层、2层、3层……、n层，小规格丝股所在的层数大于大规格丝股所在的层数。最外层(即n层)可以一部分是小规格丝股，另一部分是大规格丝股；还可以全部是小规格丝股。当最外层(即n层)全部是小规格丝股时，第n-1层，可以一部分是小规格丝股，另一部分是大规格丝股；依次类推。

进一步地，排布结构最外围的全部或部分为小规格的丝股，其余丝股为大规格丝股。

如图3所示，在一个实施例中，只是最外层的部分丝股为小规格丝股。进一步地，最外层六个角点的丝股为小规格丝股，其余丝股为大规格丝股。

在另一个实施例中，排布结构的最外层的六条边的任意一条边，至少包含两个以上小规格丝股，且每条边包含小规格丝股的数目相同。例如，最外层的正六边形的丝股，每条边有两个丝股是小规格丝股。

本申请还公开了一种基于上述悬索桥主缆挤圆前的排布结构的编排方法，包含以下步骤：

选定小规格丝股和大规格丝股；例如小规格丝股包含91丝，大规格丝股包含127丝。在本实施例中，本申请的编排方法大规格丝股从127丝开始，缩小计算；小规格丝股从91丝开始，缩小计算。

根据要求的设计主缆面积，结合孔隙率，选定多组大规格丝股数目和小规格丝股数目进行试算；基于大规格丝股和小规格丝股的数目之和满足正六边形排布(大规格丝股和小规格丝股正好能够排列成正六边形)，且小规格丝股的数目是六的倍数，计算出多个计算钢丝直径。

将所有计算钢丝直径与标准钢丝直径进行对比，选定与计算钢丝直径最相近的标准钢丝直径、及对应的一组大规格丝股和小规格丝股数目，相当于通过正向计算得到计算钢丝直径，并选出标准钢丝直径。

在正向计算之后，还需要通过反向计算进行主缆面积的验证。具体地，根据标准钢丝直径、大规格丝股数目和小规格丝股数目计算实际主缆面积，直至实际主缆面积与设计主缆面积在预先设定的误差范围内。

在计算时，还存在特殊情况，在保持一定的计算精度时(例如，单位为mm，保持小数点后两位)，当两个或两个以上计算钢丝直径相同，且均与标准钢丝直径最相近时，选定丝股总数较少的一组大规格丝股和小规格丝股的数目。

在本实施例中，实际主缆面积S的计算方法：

S＝(n₁m₁+n₂m₂)*πd²/(4-4v)

其中，m₁为大规格丝股包含的钢丝根数，n₁为大规格丝股的数目；m₂为小规格丝股包含的钢丝根数，n₂为小规格丝股的数目；v为主缆的孔隙率；d为标准钢丝直径。

如图3所示，在一个实施例中，只是最外层的部分丝股为小规格丝股。进一步地，最外层六个角点的丝股为小规格丝股，其余丝股为大规格丝股。在另一个实施例中，排布结构的最外层的六条边的任意一条边，至少包含两个以上小规格丝股，且每条边包含小规格丝股的数目相同。例如，最外层的正六边形的丝股，每条边有两个丝股是小规格丝股。

在本实施例中，预先设定的误差范围为-1％～1％。标准钢丝直径为4.5mm、5.0mm、5.5mm、6.0mm、6.5mm或7.0mm。

本申请还公开了一个具体的设计实施例，并与传统的主缆编排方法进行对比。在一个具体的工程实例中，要求设计主缆面积为0.3125m²，孔隙率为20％，则计算得出排布结构的钢丝断面纯面积为0.3125m²×(1-20％)＝0.25m²。

一、如图2所示，采用传统的编排方法，步骤如下：

主缆面积公式为

S₀＝n₁×m₁×A₀

其中，S₀为设计主缆面积，m₁为丝股规格(每个丝股包含钢丝的根数)，n₁为丝股数目，A₀为设计钢丝面积。

考虑到m₁过小，单个丝股偏小，导致n₁过多，主缆假设效率过低，m₁从127(根据经验，若选择169，数目有点偏多)开始，往小计算。钢丝直径选择为4.5～7.0级差0.05mm。(因目前钢丝拉拔生产工艺，钢丝直径只能在4.5～7.0mm之间选择)。

进行试算，试算结果见表1.1，计算时，保留小数点后两位。

试算列表1.1

见表1.1所示，选择单个丝股规格为m₁＝127丝(每个丝股包含127根钢丝)，从n₁＝19开始试算，根据公式S₀＝n₁×m₁×A₀，计算得出A₀，并进一步计算出计算钢丝直径为11.49；因为标准钢丝直径的范围为4.5～7.0mm，计算钢丝直径过大，所以n₁需要继续增大，依次进行n₁＝37、n₁＝61、n₁＝91和n₁＝127的计算，并分别得出计算钢丝直径；当得出计算钢丝直径为4.44时，因为标准钢丝直径的范围为4.5～7.0mm，故无需进行n₁＝169的计算。同理，依靠上述思路，当单个丝股规格为m₁＝91丝，重复上述计算，得出整个表1.1。

从表1.1可以看出，在这个工程实例中，用传统的编排方法，满足钢丝直径在4.5～7.0mm且级差0.05mm的结果如下：

当m₁＝127、n₁＝91时，计算钢丝直径为5.25mm(四舍五入原则，保留精度为小数点后两位)；

当m₁＝91、n₁＝91时，计算钢丝直径为6.20mm；

当m₁＝91、n₁＝127时，计算钢丝直径为5.25mm；

根据设计原则：当两个以上计算钢丝直径均等于标准钢丝直径时，首先考虑n₁较小，其次考虑m₁较大的原则，选取最优的编排方案。

即最优的编排方案m₁＝127、n₁＝91时，计算钢丝直径为5.25mm。

通过反向计算进行主缆面积的验证，丝股面积A₀＝π*5.25*5.25/4＝0.0000216475m²。

主缆的实际面积为S₀＝91*127*A0＝0.250181m²，基本满足前面根据设计主缆面积计算得到的排布结构的钢丝断面纯面积0.25m²，偏大0.001，满足精度要求。

二、采用本申请的编排方法，步骤如下：

主缆面积公式为

S₀＝n₁×m₁×A₀+n₂×m₂×A₀

其中，S₀为设计主缆面积，m₁为大规格丝股包含的钢丝根数，n₁为大规格丝股的数目；m₂为小规格丝股包含的钢丝根数，n₂为小规格丝股的数目。

m₁从127(根据经验，若选择169，单个丝股包含的钢丝数目有点偏多，导致丝股重量偏大，不利于运输和安装)开始，往小计算；m₂比m₁要小，m₂从91开始选取。n₂为6的倍数，且n₁与n₂之和满足正六边形排布，即n₁+n₂等于19、37、61、91、127或169。具体地，主缆丝股在工厂内逐根制造，存贮，一般通过车运或船运运输，单根丝股钢丝数目采用169时，往往会造成运输安装环节比较困难。

进行试算，试算结果见表1.2。计算时，保留小数点后两位。

试算列表1.2

见表1.2，选定n₂＝6、12、18、24、30等进行试算(表中选择性列举了n₂等于6、18和30的情形)。

从表1.2可以看出，满足标准钢丝直径在4.5～7.0mm且级差0.5mm的结果如下：

n₁＝55、n₂＝6、计算钢丝直径为6.5mm；

n₁＝61、n₂＝30、计算钢丝直径为5.5mm；

根据设计原则：当两个以上计算钢丝直径均等于标准钢丝直径时，首先考虑n₁较小，其次考虑n₁+n₂较小的原则，选取最优的编排方案。

得出最优编排方案，m₁＝127、m₂＝91、n₁＝55、n₂＝6，计算钢丝直径为6.5mm。

在实际编排设计的过程中，选择与计算钢丝直径最相近的标准钢丝直径，分为三种情况：

当只有一个计算钢丝直径等于标准钢丝直径时，该计算钢丝直径，对应的m₁、m₂、n₁和n₂为最终编排方案；

当有两个以上计算钢丝直径等于标准钢丝直径时，首先考虑n₁较小，其次考虑n₁+n₂较小的原则，选取最优的编排方案。

当经过计算之后，发现没有一个计算钢丝直径满足4.5～7.0mm且级差0.5mm，根据最接近标准钢丝直径的计算钢丝直径，选定对应的一组m₁、m₂、n₁和n₂，加上该标准钢丝直径为最终编排方案；

在得到最优的编排方案之后，需要反向验证，计算实际主缆面积S＝(n₁m₁+n₂m₂)*πd²/(4-4v)，并与设计主缆面积S₀进行对比，当误差在预先设定的误差范围时，验证合格。

根据实际工程经验，当计算过程当中，计算钢丝直径等于标准钢丝直径时，用选定的标准钢丝直径反向验证实际主缆面积均验证合格；当计算过程当中，计算钢丝直径均不等于标准钢丝直径时，根据最接近标准钢丝直径的计算钢丝直径，选定标准钢丝直径，同样能够得到符合预先设定的误差范围-1％～1％的编排方案。

对比传统的编排方法以及本申请的编排方法，显而易见地，本申请的编排方法，主缆挤圆前的排布结构更接近圆形，角点处突出挤圆后的边缘线较少，挤圆更加容易；同时采用一种标准化直径的钢丝，组合成两种不同规格的丝股，形成更加利于挤圆施工挤圆前的排布结构，使得挤圆时，外层钢丝径向移动距离小，解决了传统主缆编排方式外层钢丝径向移动距离大易导致乱丝的技术问题。

此外，从公式S₀＝n₁×m₁×A₀和S₀＝n₁×m₁×A₀+n₂×m₂×A₀对比可知，本申请的编排方法组合方式更多，在已知设计主缆面积的前提下，总能找出符合要求的标准钢丝直径，也因此本申请在设计时只需要预先准备可选用的钢丝4.5～7.0mm且级差0.5mm即可，相对于传统设计方法，需要预先准备可选用的钢丝4.5～7.0mm且级差0.05mm，本申请大大减少了钢丝直径规格，便于质量控制和规模生产。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种悬索桥主缆挤圆前的排布结构，所述排布结构的断面以及组成排布结构的丝股均呈正六边形，其特征在于：所有所述丝股呈中心对称，且均采用相同规格标准化直径的钢丝；所述排布结构包含两种规格的丝股，且小规格丝股设置于大规格丝股外围。

2.如权利要求1所述的一种悬索桥主缆挤圆前的排布结构，其特征在于：所述排布结构最外层全部或部分为小规格丝股，其余丝股均为大规格丝股。

3.如权利要求2所述的一种悬索桥主缆挤圆前的排布结构，其特征在于：所述排布结构最外层六个角点的丝股为小规格丝股，其余丝股为大规格丝股。

4.如权利要求2所述的一种悬索桥主缆挤圆前的排布结构，其特征在于：所述排布结构最外层的六条边的任意一条边至少包含两个以上小规格丝股，且每条边的小规格丝股的数目相同。

5.一种基于权利要求1所述悬索桥主缆挤圆前的排布结构的编排方法，其特征在于，包含以下步骤：

选定大规格丝股和小规格丝股；

根据要求的设计主缆面积，结合孔隙率选定多组大规格丝股数目和小规格丝股数目进行试算；基于所述大规格丝股和小规格丝股的数目之和满足正六边形排布，且所述小规格丝股的数目是六的倍数，计算出多个计算钢丝直径；

将所有计算钢丝直径与标准钢丝直径进行对比，选定与计算钢丝直径最相近的标准钢丝直径、及对应的一组大规格丝股和小规格丝股数目；

根据标准钢丝直径、大规格丝股数目和小规格丝股数目计算实际主缆面积，直至实际主缆面积与设计主缆面积在预先设定的误差范围内。

6.如权利要求5所述悬索桥主缆挤圆前的排布结构的编排方法，其特征在于：当保持一定的计算精度，存在两个或两个以上与标准钢丝直径最相近的计算钢丝直径时，首先选定小规格丝股的数目较少的一组大规格丝股和小规格丝股的数目，其次选定丝股总数目较少的一组大规格丝股和小规格丝股的数目。

7.如权利要求5所述悬索桥主缆挤圆前的排布结构的编排方法，其特征在于，实际主缆面积S的计算方法：

S＝(n₁m₁+n₂m₂)*πd²/(4-4v)

其中，m₁为所述大规格丝股包含的钢丝根数，n₁为所述大规格丝股的数目；m₂为所述小规格丝股包含的钢丝根数，n₂为所述小规格丝股的数目；v为所述主缆的孔隙率；d为标准钢丝直径。

8.如权利要求5所述悬索桥主缆挤圆前的排布结构的编排方法，其特征在于：所述排布结构最外层六个角点的丝股规格小于其余层的丝股规格。

9.如权利要求5所述悬索桥主缆挤圆前的排布结构的编排方法，其特征在于：所述预先设定的误差范围为-1％～1％。

10.如权利要求5-9任意一项所述悬索桥主缆挤圆前的排布结构的编排方法，其特征在于：所述标准钢丝直径为4.5mm、5.0mm、5.5mm、6.0mm、6.5mm或7.0mm。

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