CN112926128B - 一种面向斜拉桥索塔截面的自动化精细设计方法 - Google Patents

一种面向斜拉桥索塔截面的自动化精细设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向斜拉桥索塔截面的自动化精细设计方法，包括以下步骤：初步拟定桥塔外形；拟定桥塔截面尺寸；创建桥塔有限元模型，完成全桥整体计算；提取桥塔控制工况下内力；基于AutoCAD平台的桥塔截面核心区自动分析；计算桥塔设计控制指标；判断桥塔设计控制指标是否满足要求；修改桥塔截面尺寸并更新到有限元模型，直至桥塔目标优化指标刚好满足要求。本发明的提供了一种高效开展索塔方案设计的手段，高效地实现了桥塔截面循环试算过程，采用截面核心区自动分析、有限元模型截面自动更新等智能手段，可以在较短时间内确定好桥塔的最优结构尺寸，从而使设计者可以将更多的时间用于创新外观、结构形式等方案精细化设计上。

Description

一种面向斜拉桥索塔截面的自动化精细设计方法
技术领域
本发明属于桥梁设计技术领域，具体涉及一种面向斜拉桥索塔截面的自动化精细设计方法。
背景技术
索塔是悬索、斜索等结构体系桥梁的主要受力构件，其外形美观性、结构安全性往往是索塔设计考虑的主要问题。
索塔因其结构外形、截面形式多变，结构设计中需要经历多轮的比选研究才能最终确定索塔的结构方案，其方案设计过程可简要概括为“初拟尺寸、试算、修正尺寸、……试算直到满足要求”，该过程是一个循环试算的过程，采用截面核心区自动分析、有限元模型截面自动更新等智能手段，可以在较短时间内确定好桥塔的最优结构尺寸。
以上述问题为出发点发明的一种面向斜拉桥索塔截面的自动化精细设计方法，是一种高效开展索塔方案设计的手段，设计者可以将更多的时间用于创新外观、结构形式等方案精细化设计上。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种面向斜拉桥索塔截面的自动化精细设计方法。
本发明的技术方案是：一种面向斜拉桥索塔截面的自动化精细设计方法，包括以下步骤：
ⅰ.初步拟定桥塔外形
ⅱ.拟定桥塔截面尺寸
ⅲ.创建桥塔有限元模型，完成全桥整体计算
ⅳ.提取桥塔控制工况下内力
ⅴ.基于AutoCAD平台的桥塔截面核心区自动分析
ⅵ.计算桥塔设计控制指标
ⅶ.判断桥塔设计控制指标是否满足要求
ⅷ.修改桥塔截面尺寸并更新到有限元模型，直至桥塔目标优化指标刚好满足要求。
更进一步的，步骤ⅰ中桥塔外形为单柱式、倒Y式、宝塔式、花瓶式、A式、H式、钻石式中的一种。
更进一步的，步骤ⅱ中桥塔截面为H形截面、箱形截面中的一种。
更进一步的，步骤ⅲ中创建桥塔有限元模型的具体过程如下：
首先，根据桥塔上的锚固位置、桥塔变截面位置沿塔轴线划分节点；
然后，在AutoCAD平台中绘制多条多段线，多段线依次包含桥塔节点的轴线、外轮廓、内轮廓；
最后，基于AutoCAD二次开发绘制出桥塔每个节点处的截面，且生成能接入有限元程序MIDAS的节点、单元、截面数据文件，从而完成桥塔截面的有限元建模。
更进一步的，步骤ⅳ中提取内力包括提取控制截面内力以及确定合力作用点。
更进一步的，步骤ⅴ中基于AutoCAD平台的桥塔截面核心区自动分析，具体过程如下：
首先，快速确定任意截面的截面核心区；
然后，根据控制工况下并发内力中的轴力、横向弯矩、纵向弯矩找到合力作用点在核心区的位置；
最后，若合力作用点落在核心区范围内，则桥塔截面全截面受压，执行步骤ⅵ；
若合力作用点落在核心区范围外，说明桥塔截面受拉，根据合力作用点位置，需返回步骤ⅱ修改截面尺寸，使修改后的截面核心区扩大至覆盖合力作用点位置后，执行步骤ⅵ。
更进一步的，步骤ⅵ中计算的桥塔设计控制指标包括如下指标：桥塔最大应力、最小应力、截面均匀受压系数、位移、承载力。
更进一步的，步骤ⅶ判断桥塔设计控制指标是否满足要求，包括如下判断结果：
结果一，当确定的桥塔控制指标刚好满足要求时，则本次桥塔设计结束，所确定的桥塔截面尺寸为最优方案；
结果二，当确定的桥塔控制指标满足要求并且有较大富余时，则根据合力作用点位置与截面核心区的位置关系，适当减小截面尺寸，继续执行步骤ⅷ；
结果三，当确定的桥塔控制指标不满足要求时，则根据合力作用点位置与截面核心区的位置关系，适当增大截面尺寸，继续执行步骤ⅷ。
更进一步的，步骤ⅶ中的结果二、结果三需重新修改多段线，然后更新桥塔有限元模型截面，依次完成上述桥塔截面核心区自动分析，并判断桥塔设计控制指标是否满足要求。
本发明的一种面向斜拉桥索塔截面的自动化精细设计方法提供了一种高效开展索塔方案设计的手段，高效地实现了桥塔截面循环试算过程，采用截面核心区自动分析、有限元模型截面自动更新等智能手段，可以在较短时间内确定好桥塔的最优结构尺寸，从而使设计者可以将更多的时间用于创新外观、结构形式等方案精细化设计上。
附图说明
图1是本发明的方法流程图一；
图2是本发明的方法流程图二；
图3是本发明实施例一中塔结构布置图；
图4是本发明中桥塔轴线、外轮廓、内轮廓示意图；
图5是本发明中截面区分析示意图。
具体实施方式
以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：
如图1～5所示，一种面向斜拉桥索塔截面的自动化精细设计方法，包括以下步骤：
ⅰ.初步拟定桥塔外形
ⅱ.拟定桥塔截面尺寸
ⅲ.创建桥塔有限元模型，完成全桥整体计算
ⅳ.提取桥塔控制工况下内力
ⅴ.基于AutoCAD平台的桥塔截面核心区自动分析
ⅵ.计算桥塔设计控制指标
ⅶ.判断桥塔设计控制指标是否满足要求
ⅷ.修改桥塔截面尺寸并更新到有限元模型，直至桥塔目标优化指标刚好满足要求。
步骤ⅰ中桥塔外形为单柱式、倒Y式、宝塔式、花瓶式、A式、H式、钻石式中的一种。
步骤ⅱ中桥塔截面为H形截面、箱形截面中的一种。
步骤ⅲ中创建桥塔有限元模型的具体过程如下：
首先，根据桥塔上的锚固位置、桥塔变截面位置沿塔轴线划分节点；
然后，在AutoCAD平台中绘制多条多段线，多段线依次包含桥塔节点的轴线、外轮廓、内轮廓；
最后，基于AutoCAD二次开发绘制出桥塔每个节点处的截面，且生成能接入有限元程序MIDAS的节点、单元、截面数据文件，从而完成桥塔截面的有限元建模。
步骤ⅳ中提取内力包括提取控制截面内力以及确定合力作用点。
步骤ⅴ中基于AutoCAD平台的桥塔截面核心区自动分析，具体过程如下：
首先，快速确定任意截面的截面核心区；
然后，根据控制工况下并发内力中的轴力、横向弯矩、纵向弯矩找到合力作用点在核心区的位置；
最后，若合力作用点落在核心区范围内，则桥塔截面全截面受压，执行步骤ⅵ；
若合力作用点落在核心区范围外，说明桥塔截面受拉，根据合力作用点位置，需返回步骤ⅱ修改截面尺寸，使修改后的截面核心区扩大至覆盖合力作用点位置后，执行步骤ⅵ。
步骤ⅵ中计算的桥塔设计控制指标包括如下指标：桥塔最大应力、最小应力、截面均匀受压系数、位移、承载力。
步骤ⅶ判断桥塔设计控制指标是否满足要求，包括如下判断结果：
结果一，当确定的桥塔控制指标刚好满足要求时，则本次桥塔设计结束，所确定的桥塔截面尺寸为最优方案；
结果二，当确定的桥塔控制指标满足要求并且有较大富余时，则根据合力作用点位置与截面核心区的位置关系，适当减小截面尺寸，继续执行步骤ⅷ；
结果三，当确定的桥塔控制指标不满足要求时，则根据合力作用点位置与截面核心区的位置关系，适当增大截面尺寸，继续执行步骤ⅷ。
步骤ⅶ中的结果二、结果三需重新修改多段线，然后更新桥塔有限元模型截面，依次完成上述桥塔截面核心区自动分析，并判断桥塔设计控制指标是否满足要求。
步骤ⅲ中，外轮廓包括沿横向外轮廓和沿纵向外轮廓，相应的，内轮廓包括沿横向内轮廓和沿纵向内轮廓。
步骤ⅲ中，全桥整体计算一般按桥塔横梁设置情况确定横梁处的桥塔截面为控制截面，将主+附或其他正常使用工况确定为最不利工况，提取控制截面最不利工况下的并发内力组合。
步骤ⅷ一般迭代2～4次可以得到桥塔最优的截面尺寸。
又一实施例
结合数据进行说明，铁路项目某特大桥采用(75+255+600+255+75)m大跨度斜拉桥跨越河道主河槽，本桥塔高218.5m。其中桥面以上部分高186.2m，与主跨比例为0.31。采用C55混凝土材料。
首先，拟定主塔塔型为H形索塔，如图3所示，上塔柱下塔柱各设置一处横梁，上、中、下塔柱高分别为41.55m、163.41m、13.5m，截面为单箱单室截面，主塔柱均内倾2.49°。
然后，拟定桥塔截面尺寸，桥塔截面采用八角形多边形，最小截面宽7.0m，长9.6m，最大截面宽9.6m，长16.0m，上塔柱纵桥向、横桥向壁厚分别为1.3m，1.1m；中塔柱纵桥向、横桥向壁厚分别为1.2m，1.1m；下塔柱纵桥向、横桥向壁厚分别为1.5～2.0m，1.5m。
再后，根据初拟桥塔尺寸绘制出桥塔外轮廓、内轮廓多段线，并划分好节点，基于AutoCAD二次开发绘制出桥塔每个节点处的截面，并且生成能接入有限元程序MIDAS的节点、单元、截面数据文件，从而自动完成桥塔截面的有限元建模；完成桥梁整体计算，一般按桥塔横梁设置情况确定横梁处的桥塔截面为控制截面，将主+附或其他正常使用工况确定为最不利工况，提取控制截面最不利工况下的并发内力组合。
再后，快速确定任意截面的截面核心区；根据控制工况下并发内力中的轴力、横向弯矩、纵向弯矩找到合力作用点在核心区的位置，合力作用点落在核心区范围内，说明桥塔截面全截面受压，如图5所示。
再后，将桥塔最大应力、最小应力、截面均匀受压系数(弯曲应力与轴向应力比，本实例取0.8)、位移、承载力作为桥塔计算的控制目标，其中桥塔最大应力最为控制，进一步分析可知，桥塔主+附下应力较大，需要加强截面，如图5所示，主+附下合力作用点分布形状为纵向分布，表明横向受力不控制，因此可通过增加纵向截面尺寸对截面进行加强，第一次计算将纵向壁厚增加0.2m。
最后，将图4中内轮廓(纵向)内部多段线向中心线移动0.2m，重新绘制系列截面并输出MIDAS软件的截面文件，完成有限元模型的更新。返回至步骤ⅲ，进行两次迭代计算，最大应力、最小应力、截面均匀受压系数、位移、承载力满足要求，最后确定桥塔截面尺寸纵向壁厚增加0.4m。
本发明的一种面向斜拉桥索塔截面的自动化精细设计方法提供了一种高效开展索塔方案设计的手段，高效地实现了桥塔截面循环试算过程，采用截面核心区自动分析、有限元模型截面自动更新等智能手段，可以在较短时间内确定好桥塔的最优结构尺寸，从而使设计者可以将更多的时间用于创新外观、结构形式等方案精细化设计上。

Claims (8)

1.一种面向斜拉桥索塔截面的自动化精细设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
（ⅰ）初步拟定桥塔外形
（ⅱ）拟定桥塔截面尺寸
（ⅲ）创建桥塔有限元模型，完成全桥整体计算
（ⅳ）提取桥塔控制工况下内力
（ⅴ）基于AutoCAD平台的桥塔截面核心区自动分析
（ⅵ）计算桥塔设计控制指标
（ⅶ）判断桥塔设计控制指标是否满足要求
（ⅷ）修改桥塔截面尺寸并更新到有限元模型，直至桥塔目标优化指标刚好满足要求；
步骤（ⅴ）中基于AutoCAD平台的桥塔截面核心区自动分析，具体过程如下：
首先，快速确定任意截面的截面核心区；
然后，根据控制工况下并发内力中的轴力、横向弯矩、纵向弯矩找到合力作用点在核心区的位置；
最后，若合力作用点落在核心区范围内，则桥塔截面全截面受压，执行步骤（ⅵ）；
若合力作用点落在核心区范围外，说明桥塔截面受拉，根据合力作用点位置，需返回步骤(ⅱ) 修改截面尺寸，使修改后的截面核心区扩大至覆盖合力作用点位置后，执行步骤（ⅵ）。
2.根据权利要求1所述的一种面向斜拉桥索塔截面的自动化精细设计方法，其特征在于：步骤（ⅰ）中桥塔外形为单柱式、倒Y式、宝塔式、花瓶式、A式、H式、钻石式中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种面向斜拉桥索塔截面的自动化精细设计方法，其特征在于：步骤（ⅱ）中桥塔截面为H形截面、箱形截面中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种面向斜拉桥索塔截面的自动化精细设计方法，其特征在于：步骤（ⅲ）中创建桥塔有限元模型的具体过程如下：
首先，根据桥塔上的锚固位置、桥塔变截面位置沿塔轴线划分节点；
然后，在AutoCAD平台中绘制多条多段线，多段线依次包含桥塔节点的轴线、外轮廓、内轮廓；
最后，基于AutoCAD二次开发绘制出桥塔每个节点处的截面，且生成能接入有限元程序MIDAS的节点、单元、截面数据文件，从而完成桥塔截面的有限元建模。
5.根据权利要求1所述的一种面向斜拉桥索塔截面的自动化精细设计方法，其特征在于：步骤（ⅳ）中提取内力包括提取控制截面内力以及确定合力作用点。
6.根据权利要求1所述的一种面向斜拉桥索塔截面的自动化精细设计方法，其特征在于：步骤（ⅵ）中计算的桥塔设计控制指标包括如下指标：桥塔最大应力、最小应力、截面均匀受压系数、位移、承载力。
7.根据权利要求1所述的一种面向斜拉桥索塔截面的自动化精细设计方法，其特征在于：步骤（ⅶ）判断桥塔设计控制指标是否满足要求，包括如下判断结果：
结果一，当确定的桥塔控制指标刚好满足要求时，则本次桥塔设计结束，所确定的桥塔截面尺寸为最优方案；
结果二，当确定的桥塔控制指标满足要求并且有较大富余时，则根据合力作用点位置与截面核心区的位置关系，适当减小截面尺寸，继续执行步骤(ⅷ)；
结果三，当确定的桥塔控制指标不满足要求时，则根据合力作用点位置与截面核心区的位置关系，适当增大截面尺寸，继续执行步骤(ⅷ)。
8.根据权利要求7所述的一种面向斜拉桥索塔截面的自动化精细设计方法，其特征在于：步骤（ⅶ）中的结果二、结果三需重新修改多段线，然后更新桥塔有限元模型截面，依次完成上述桥塔截面核心区自动分析，并判断桥塔设计控制指标是否满足要求。
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