CN113221230A - 一种悬索桥加劲梁下缘开口量的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种悬索桥加劲梁下缘开口量的计算方法，包括以下步骤：确定大跨度悬索桥合理的成桥目标状态，且根据大跨度悬索桥的成桥目标状态，建立大跨度悬索桥相应的鱼骨梁模型，即初始模型；根据加劲梁实际施工中的分段情况、保持虚拟单主梁参数不变以及根据加劲梁吊装工序，对所述初始模型进行修正，建立虚拟框架梁的施工阶段有限元模型，得最终模型；提取各工况下相邻两个加劲梁梁段之间的下缘节点之间的间距，即下缘开口量。本发明解决了运用鱼骨梁模型在计算加劲梁下缘开口量时容易存在畸形单元、出现单元内力计算失真和难以收敛的问题，最终计算得到各工况下梁段间的下缘开口量及其发展规律，节省了加劲梁刚接时间，大大提高施工工效。
Description
技术领域
本发明涉及悬索桥加劲梁下缘开口量的计算领域。更具体地说，本发明涉及一种悬索桥加劲梁下缘开口量的计算方法和装置。
背景技术
大跨度悬索桥加劲梁吊装过程中，加劲梁下缘开口量、临时连接内力和桥塔偏位是工程师们最为关注的内容。了解加劲梁吊装过程下缘开口量的变化规律，有利于合理安排加劲梁下缘刚接时机，节约施工时间，提高施工工效。目前，加劲梁吊装过程计算分析方法有倒拆法和正装法。
倒拆分析方法是将成桥状态作为目标状态，按照与实际施工顺序完全相反的过程，对桥梁结构进行逐步拆除。在倒拆分析过程中，将成桥状态作为初始的已知状态，在以后的各个倒拆阶段中，被拆杆件的内力作为该阶段下与其共用节点的外加荷载，这种方法力学明确，易于操作，能较好的计算得到合理的梁段间下缘开口量规律，但由于不能考虑施工过程中桥上存在的各种临时荷载以及各种结构变化因素的影响，容易出现一定的施工控制缺陷期。
正装分析方法则与倒拆方法相反，即按照实际的施工顺序，从初始状态逐步计算到成桥状态。其主要特点是随着施工阶段的进行，结构体系不断变化，当前施工阶段的结构状态作为下一个施工阶段的基础，能真实地模拟分析每个施工阶段的状态。正装分析常用的两种方法有零初始位移法和切线初始位移法两种。零初始位移法，即新安装的单元不经处理直接进行安装，仅适用于线性分析。而对悬索桥这种大位移变形结构来说，容易存在畸形单元，出现单元内力计算失真和难以收敛的情况。切线初始位移法是新安装梁段单元沿着梁段悬臂段的切线方向进行安装，这种方法存在无法确定新构件实际安装位置和梁段间下缘开口量，甚至会出现正装计算得到的成桥线形偏高于设计线形的情况。
因此，亟需寻找一种更为有效的精确的计算方法，以解决上述计算方法中的缺陷。
发明内容
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种悬索桥加劲梁下缘开口量的计算方法，包括以下步骤：
确定大跨度悬索桥合理的成桥目标状态，且根据大跨度悬索桥的成桥目标状态，建立大跨度悬索桥相应的鱼骨梁模型，即初始模型；
根据加劲梁实际施工中的分段情况、保持虚拟单主梁参数不变以及根据加劲梁吊装工序，对所述初始模型进行修正，建立虚拟框架梁的施工阶段有限元模型，得最终模型；
提取各工况下相邻两个加劲梁梁段之间的下缘节点之间的间距，即下缘开口量。
根据本发明的一优选实施方案，所述初始模型为模型I，所述最终模型为模型Ⅳ；
其中，
所述根据加劲梁实际施工中的分段情况、保持虚拟单主梁参数不变以及根据加劲梁吊装工序，对所述初始模型进行修正，建立虚拟框架梁的施工阶段有限元模型，得最终模型，具体为：
根据加劲梁实际施工中的分段情况，确定所述模型I中相应的所有虚拟加劲梁梁段所在的位置，切割并删除所述模型I中相应虚拟加劲梁梁段之间的焊缝，调整每个虚拟加劲梁梁段的容重参数，保证总荷载不变，形成修正后的鱼骨梁模型，即模型II；
比较模型I和模型II中的单梁节点挠度变化差值，若模型II中单主梁所有节点挠度与模型I中的挠度变化差值满足精度要求，则执行下述操作；反之，则检查并修改所述模型II，直至挠度差值的精度满足要求；
在所述模型II基础上，保持虚拟单主梁参数不变，往所述模型II中相应位置添加虚拟框架梁单元，形成等效虚拟框架梁成桥有限元模型，即模型III；
比较所述模型III和所述模型I中的单梁节点挠度变化差值，若所述模型III中单主梁所有节点挠度与所述模型I中的挠度差满足精度要求，则执行下述操作，反之，则调整所述模型III中的虚拟框架梁单元的刚度并修改所述模型III，直至满足挠度精度要求；
根据加劲梁吊装工序，基于所述模型III，建立虚拟框架梁的施工阶段有限元模型，即模型Ⅳ；
运行分析所述模型Ⅳ，提取各工况下相邻两个加劲梁梁段之间的下缘节点之间的间距，即下缘开口量。
根据本发明的一优选实施方案，在建立所述模型II过程中，各加劲梁梁段之间的连接采用刚性连接，且建立加劲梁两端刚性连接后，需要相邻加劲梁梁段之间焊缝处的上缘/下缘的刚性连接。
根据本发明的一优选实施方案，在建立所述模型III过程中，建立各虚拟框架梁梁段上缘、下缘之间的刚性连接。
根据本发明的一优选实施方案，所述步骤S3中，所述虚拟框架梁单元容重取零，所述虚拟框架梁单元的梁高取加劲梁梁段的梁高，所述虚拟框架梁单元的弹性模量可取框架梁单元的弹性模量的100倍，截面刚度可取加劲梁梁段的刚度的100倍。
根据本发明的一优选实施方案，所述步骤S4中，在施工阶段各工况下，将已吊装虚拟框架梁梁段间上下缘的刚性连接修改为上缘铰接，下缘释放所有连接。
根据本发明的一优选实施方案，所述步骤S4中，根据加劲梁的施工顺序，在模型Ⅳ中对应激活待吊装梁段的单元，并激活已安装梁段间的铰接连接，无需提前激活下次吊装梁段以及梁段间的铰接连接。
优选的是，所述步骤S4中，所述模型Ⅳ中施工阶段的设置应依据现场实际的施工顺序来模拟。
本发明至少包括以下有益效果：本发明首次引入了一种刚度较大、无重量的虚拟框架梁单元，解决了运用鱼骨梁模型在计算加劲梁下缘开口量时容易存在畸形单元、出现单元内力计算失真和难以收敛的问题，最终计算分析得到各梁段吊装工况下梁段间的下缘开口量及其发展规律，节省了加劲梁刚接时间，大大提高施工工效。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的大跨度悬索桥鱼骨梁有限元模型(模型I)的示意图；
图2为图1中A处的局部放大图；
图3为本发明的大跨度悬索桥加劲梁切割修正后鱼骨梁有限元模型的示意图；
图4中B处的局部放大图；
图5为本发明的大跨度悬索桥加劲梁刚接约束后鱼骨梁有限元模型(模型II)的示意图；
图6中C处的局部放大图；
图7为本发明的大跨度悬索桥虚拟框架梁的成桥有限元模型(模型III)示意图；
图8中D处的局部放大图；
图9为本发明的大跨度悬索桥虚拟框架梁的施工阶段有限元模型(模型Ⅳ)示意图；
图10中E处的局部放大图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变形。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
如图1所示，本发明的一种悬索桥加劲梁下缘开口量的计算方法，包括以下步骤：
确定大跨度悬索桥合理的成桥目标状态，且根据大跨度悬索桥的成桥目标状态，建立大跨度悬索桥相应的鱼骨梁模型，即初始模型，即模型I；其中，如图1所示，所述模型I包括悬索桥桥塔1，加劲梁2，吊索3，刚臂单元4，主缆5，索鞍6，散索鞍7，桥塔1和加劲梁2通过弹性连接约束竖向位移和横向位移以及横弯；加劲梁2与吊索3通过刚臂单元4直接连接；主缆5与桥塔1进行主从约束并释放纵向位移约束；主缆5与散索鞍7直接连接，且散索鞍7进行铰接约束。
根据加劲梁实际施工中的分段情况，确定所述模型I中相应的所有虚拟加劲梁梁段所在的位置，切割并删除所述模型I中相应虚拟加劲梁梁段之间的焊缝，调整每个虚拟加劲梁梁段的容重参数，保证总荷载不变，形成修正后的鱼骨梁模型，即模型II；其中，如图2所示，在所述模型I的基础上，删除梁段2中的相邻加劲梁梁段之间的焊缝，即得所述模型II。在删除梁段2中的相邻加劲梁梁段之间的焊缝之后，接着建立加劲梁刚接后各梁段焊缝处上下缘的刚接约束9，如图3所示。
比较模型I和模型II中的单梁节点挠度变化差值，若模型II中单主梁所有节点挠度与模型I中的挠度变化差值满足精度要求，则执行下述操作；反之，则检查并修改所述模型II，直至挠度差值的精度满足要求；
在所述模型II基础上，保持虚拟单主梁参数不变，往所述模型II中相应位置添加虚拟框架梁单元，形成等效虚拟框架梁成桥有限元模型，即模型III，如图4所示，在所述模型II的基础上，添加虚拟框架梁单元10，即得模型III；
比较所述模型III和所述模型I中的单梁节点挠度变化差值，若所述模型III中单主梁所有节点挠度与所述模型I中的挠度差满足精度要求，则执行下述操作，反之，则调整所述模型III中的虚拟框架梁单元的刚度并修改所述模型III，直至满足挠度精度要求；
根据加劲梁吊装工序，基于所述模型III，建立虚拟框架梁的施工阶段有限元模型，即模型Ⅳ；在施工阶段各工况下，将已吊装虚拟框架梁梁段间上下缘的刚性连接修改为上缘铰接，下缘释放所有连接，即在加劲梁梁段上缘设置铰接约束11。
运行分析所述模型Ⅳ，提取各工况下相邻两个加劲梁梁段之间的下缘节点之间的间距，即下缘开口量12。
根据本发明的一优选实施方案，在建立所述模型II过程中，各加劲梁梁段之间的连接采用刚性连接，且建立加劲梁两端刚性连接后，需要相邻加劲梁梁段之间焊缝处的上缘/下缘的刚性连接。
根据本发明的一优选实施方案，在建立所述模型III过程中，建立各虚拟框架梁梁段上缘、下缘之间的刚性连接。
根据本发明的一优选实施方案，所述步骤S3中，所述虚拟框架梁单元容重取零，所述虚拟框架梁单元的梁高取加劲梁梁段的梁高，所述虚拟框架梁单元的弹性模量可取框架梁单元的弹性模量的100倍，截面刚度可取加劲梁梁段的刚度的100倍。
根据本发明的一优选实施方案，所述步骤S4中，根据加劲梁的施工顺序，在模型Ⅳ中对应激活待吊装梁段的单元，并激活已安装梁段间的铰接连接，无需提前激活下次吊装梁段以及梁段间的铰接连接。
优选的是，所述步骤S4中，所述模型Ⅳ中施工阶段的设置应依据现场实际的施工顺序来模拟。
本发明首次引入了一种刚度较大、无重量的虚拟框架梁单元，解决了运用鱼骨梁模型在计算加劲梁下缘开口量时容易存在畸形单元、出现单元内力计算失真和难以收敛的问题，最终计算分析得到各梁段吊装工况下梁段间的下缘开口量及其发展规律，节省了加劲梁刚接时间，大大提高施工工效。
最后应说明的是：以上上述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种悬索桥加劲梁下缘开口量的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定大跨度悬索桥合理的成桥目标状态，且根据大跨度悬索桥的成桥目标状态，建立大跨度悬索桥相应的鱼骨梁模型，即初始模型；
根据加劲梁实际施工中的分段情况、保持虚拟单主梁参数不变以及根据加劲梁吊装工序，对所述初始模型进行修正，建立虚拟框架梁的施工阶段有限元模型，得最终模型；
提取各工况下相邻两个加劲梁梁段之间的下缘节点之间的间距，即下缘开口量。
2.根据权利要求1所述的悬索桥加劲梁下缘开口量的计算方法，其特征在于，
所述初始模型为模型I，所述最终模型为模型Ⅳ；
其中，
所述根据加劲梁实际施工中的分段情况、保持虚拟单主梁参数不变以及根据加劲梁吊装工序，对所述初始模型进行修正，建立虚拟框架梁的施工阶段有限元模型，得最终模型，具体为：
根据加劲梁实际施工中的分段情况，确定所述模型I中相应的所有虚拟加劲梁梁段所在的位置，切割并删除所述模型I中相应虚拟加劲梁梁段之间的焊缝，调整每个虚拟加劲梁梁段的容重参数，保证总荷载不变，形成修正后的鱼骨梁模型，即模型II；
比较模型I和模型II中的单梁节点挠度变化差值，若模型II中单主梁所有节点挠度与模型I中的挠度变化差值满足精度要求，则执行下述操作；反之，则检查并修改所述模型II，直至挠度差值的精度满足要求；
在所述模型II基础上，保持虚拟单主梁参数不变，往所述模型II中相应位置添加虚拟框架梁单元，形成等效虚拟框架梁成桥有限元模型，即模型III；
比较所述模型III和所述模型I中的单梁节点挠度变化差值，若所述模型III中单主梁所有节点挠度与所述模型I中的挠度差满足精度要求，则执行下述操作，反之，则调整所述模型III中的虚拟框架梁单元的刚度并修改所述模型III，直至满足挠度精度要求；
根据加劲梁吊装工序，基于所述模型III，建立虚拟框架梁的施工阶段有限元模型，即模型Ⅳ；
运行分析所述模型Ⅳ，提取各工况下相邻两个加劲梁梁段之间的下缘节点之间的间距，即下缘开口量。
3.根据权利要求1所述的悬索桥加劲梁下缘开口量的计算方法，其特征在于，在建立所述模型II过程中，各加劲梁梁段之间的连接采用刚性连接，且建立加劲梁两端刚性连接后，需要相邻加劲梁梁段之间焊缝处的上缘/下缘的刚性连接。
4.根据权利要求1所述的悬索桥加劲梁下缘开口量的计算方法，其特征在于，在建立所述模型III过程中，建立各虚拟框架梁梁段上缘、下缘之间的刚性连接。
5.根据权利要求1所述的悬索桥加劲梁下缘开口量的计算方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述虚拟框架梁单元容重取零，所述虚拟框架梁单元的梁高取加劲梁梁段的梁高，所述虚拟框架梁单元的弹性模量可取框架梁单元的弹性模量的100倍，截面刚度可取加劲梁梁段的刚度的100倍。
6.根据权利要求1所述的悬索桥加劲梁下缘开口量的计算方法，其特征在于，所述步骤S4中，在施工阶段各工况下，将已吊装虚拟框架梁梁段间上下缘的刚性连接修改为上缘铰接，下缘释放所有连接。
7.根据权利要求6所述的悬索桥加劲梁下缘开口量的计算方法，其特征在于，所述步骤S4中，根据加劲梁的施工顺序，在模型Ⅳ中对应激活待吊装梁段的单元，并激活已安装梁段间的铰接连接，无需提前激活下次吊装梁段以及梁段间的铰接连接。
8.根据权利要求1所述的悬索桥加劲梁下缘开口量的计算方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述模型Ⅳ中施工阶段的设置应依据现场实际的施工顺序来模拟。
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