CN113591186A - 一种钢桁梁制造构形确定方法和系统 - Google Patents

一种钢桁梁制造构形确定方法和系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种钢桁梁制造构形确定方法和系统，涉及桥梁施工技术领域，包括：基于桥梁的目标成桥线形获取钢桁梁的各个节点的预设坐标；根据所述目标成桥线形建立有限元模型；基于所述有限元模型计算所述各个节点在恒载作用下的位移；根据所述预设坐标和所述位移计算各个所述节点的无应力坐标，并根据所述无应力坐标确定钢桁梁的制造构形。本申请通过坐标、变形叠加即可直接获取钢桁梁的无应力制造构形，无需按照升降温法求解方程组，有效提高了制造构形的确定效率，且由于该制造构形为无应力构形，其可用于大节段整体焊接结构制造构形的确定，并使得桥梁的实际成桥线形与目标竖曲线保持一致，钢桁梁实际内力与目标成桥内力保持一致。

Description

一种钢桁梁制造构形确定方法和系统
技术领域
本申请涉及桥梁施工技术领域，特别涉及一种钢桁梁制造构形确定方法和系统。
背景技术
随着大跨度多功能斜拉桥的建设，钢桁梁发展迅速，逐渐作为该类桥梁主梁的优选结构型式。对于铁路桥梁结构而言，列车运营对桥梁线形要求高，成桥后的桥梁线形必须达到总体线形中的竖曲线，而钢桁梁由上弦杆、下弦杆、竖杆和斜杆组成，因此各个杆件的制造构形精准确定是确保桥梁成桥线形的关键。目前，有许多的钢桁梁斜拉桥中的钢桁梁采用大节段(两节间)整体架设，且大节段的所有杆件均在工厂焊接制造。
相关技术中，对于钢箱梁的制造构形通常采用升降温法确定，该方法主要是通过调整上弦杆或下弦杆的无应力长度，使得钢桁梁发生强迫变形，进而控制节点位移达到竖曲线位置，所以升降温法也被称为“带内力起拱”。其中，该方法对于散拼结构而言是可行的，但是，对于大节段整体焊接结构而言是无效的，因为其焊接不允许结构受力，因此升降温法无法应用于大节段整体焊接结构的制造构形的确定；另外，由于钢桁梁斜拉桥的斜拉索会受水平力、横向力作用，使得钢桁梁发生压缩和面外弯曲变形，而目前的钢桁梁制造构形确定方法均未考虑钢桁梁的压缩变形和面外弯曲变形对成桥后的钢桁梁线形的影响，进而导致成桥后的钢桁梁线形与竖曲线不一致。
发明内容
本申请提供一种钢桁梁制造构形确定方法和系统，以解决相关技术中升降温法无法应用于大节段整体焊接结构制造构形的确定以及成桥后的钢桁梁线形与竖曲线不一致的问题。
第一方面，提供了一种钢桁梁制造构形确定方法，包括以下步骤：
基于桥梁的目标成桥线形获取钢桁梁的各个节点的预设坐标；
根据所述目标成桥线形建立有限元模型；
基于所述有限元模型计算所述各个节点在恒载作用下的位移；
根据所述预设坐标和所述位移计算各个所述节点的无应力坐标，并根据所述无应力坐标确定钢桁梁的制造构形。
一些实施例中，所述位移包括水平位移、横向位移和竖向位移，所述预设坐标包括水平坐标、横向坐标和竖向高程坐标。
一些实施例中，所述制造构形包括所述钢桁梁中的各个钢桁梁杆件的无应力长度以及相邻钢桁梁杆件之间的无应力角度。
一些实施例中，在所述根据所述无应力坐标确定所述钢桁梁的制造构形之后，还包括：
根据所述钢桁梁的制造构形确定大节段钢桁梁的制造构形。
一些实施例中，在所述根据所述钢桁梁的制造构形确定大节段钢桁梁的制造构形之后，还包括：根据所述大节段钢桁梁的制造构形控制所述桥梁的实际成桥线形。
第二方面，提供了一种钢桁梁制造构形确定系统，包括：
数据获取模块，其用于基于桥梁的目标成桥线形获取钢桁梁的各个节点的预设坐标；
模型创建模块，其用于根据所述目标成桥线形建立有限元模型；
第一计算模块，其用于基于所述有限元模型计算所述各个节点在恒载作用下的位移；
第二计算模块，其用于根据所述预设坐标和所述位移计算各个所述节点的无应力坐标，并根据所述无应力坐标确定钢桁梁杆件的制造构形。
一些实施例中，所述位移包括水平位移、横向位移和竖向位移，所述预设坐标包括水平坐标、横向坐标和竖向高程坐标。
一些实施例中，所述制造构形包括所述钢桁梁中的钢桁梁杆件的无应力长度以及相邻钢桁梁杆件之间的无应力角度。
一些实施例中，所述第二计算模块还用于：根据所述钢桁梁的制造构形确定大节段钢桁梁的制造构形。
一些实施例中，所述系统还包括线形控制模块，所述线形控制模块用于根据所述大节段钢桁梁的制造构形控制所述桥梁的实际成桥线形。
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：不仅可进行大节段整体焊接结构制造构形的确定，还可使得成桥后的钢桁梁线形与竖曲线保持一致。
本申请提供了一种钢桁梁制造构形确定方法和系统，包括：基于桥梁的目标成桥线形获取钢桁梁的各个节点的预设坐标；根据所述目标成桥线形建立有限元模型；基于所述有限元模型计算所述各个节点在恒载作用下的位移；根据所述预设坐标和所述位移计算各个所述节点的无应力坐标，并根据所述无应力坐标确定钢桁梁的制造构形。本申请通过坐标、变形叠加即可直接获取钢桁梁的无应力制造构形，无需按照升降温法求解方程组，有效提高了制造构形的确定效率，且由于该制造构形为无应力构形，其可用于大节段整体焊接结构制造构形的确定，并使得桥梁的实际成桥线形与目标竖曲线保持一致，钢桁梁实际内力与目标成桥内力保持一致。
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为本申请实施例提供的一种钢桁梁制造构形确定方法的流程示意图；
图2为本申请实施例提供的钢桁梁斜拉桥桥式立面布置图；
图3为本申请实施例提供的钢桁梁断面图；
图4为本申请实施例提供的钢桁梁各杆件的制造构形图；
图5为本申请实施例提供的一种钢桁梁制造构形确定系统的结构示意图。
图中：1-斜拉索，2-主塔，3-钢桁梁，31-上弦杆，32-下弦杆，33-竖杆，34-斜杆。
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。
本申请实施例提供了一种钢桁梁制造构形确定方法和系统，其能解决相关技术中升降温法无法应用于大节段整体焊接结构制造构形的确定以及成桥后的钢桁梁线形与竖曲线不一致的问题。
图1是本申请实施例提供的一种钢桁梁制造构形确定方法流程示意图，包括以下步骤：
步骤S10：基于桥梁的目标成桥线形获取钢桁梁的各个节点的预设坐标；
步骤S20：根据所述目标成桥线形建立有限元模型；
步骤S30：基于所述有限元模型计算所述各个节点在恒载作用下的位移；
步骤S40：根据所述预设坐标和所述位移计算各个所述节点的无应力坐标，并根据所述无应力坐标确定钢桁梁的制造构形。
示范性的，记录钢桁梁结构在目标成桥线形中各个节点的预设坐标值Ci，其中，i为节点编号，该坐标包含水平坐标、横向坐标、竖向高程坐标；根据目标成桥线形中的竖曲线建立桥梁结构的有限元模型，并基于该有限元模型计算钢桁梁结构在恒载作用下各个节点的位移值δi，其中，i为节点编号，该位移包含水平位移、横向位移和竖向位移；
其中，可先获取预设坐标值再获取位移值；也可先获取位移值再获取预设坐标值；还可同时获取预设坐标值和位移值，在此不作限制，即可根据具体需要确定获取预设坐标值和有限元模型的建立的先后顺序，因此步骤S10和步骤S20的先后顺序在此不做限制；
根据钢桁梁结构的位移值δi和预设坐标值Ci，利用公式(1)计算出钢桁梁无应力状态下各个节点的无应力坐标值C0i，其中，i为节点编号，该无应力坐标包含水平坐标、竖向高程坐标、横向坐标；
C0i＝Ci-δi (1)
根据计算得到的钢桁梁结构在无应力状态下各个节点的坐标值C0i，在绘图CAD软件中呈现各个节点的空间位置，并绘制出钢桁梁的各个杆件，并计算各个杆件的无应力长度和相邻杆件之间的无应力角度，进而得到钢桁梁的制造构形。
可见，本申请通过坐标、变形叠加即可直接获取钢桁梁的无应力制造构形，无需按照升降温法求解方程组，有效提高了制造构形的确定效率，且充分考虑了钢桁梁的压缩变形和面外弯曲变形对成桥后的钢桁梁线形的影响，使得桥梁的实际成桥线形与目标竖曲线保持一致，钢桁梁目标内力与目标成桥内力保持一致；此外，由于该制造构形为无应力构形，其可用于大节段整体焊接结构制造构形的确定。
更进一步的，在本申请实施例中，在所述根据所述无应力坐标确定所述钢桁梁的制造构形之后，还包括：根据所述钢桁梁的制造构形确定大节段钢桁梁的制造构形。由于单节段钢桁梁的制造构形为无应力构形，其可用于大节段整体焊接结构制造构形的确定，因此，将已确定制造构形的多个单节段钢桁梁进行组装拼接即可得到大节段钢桁梁的制造构形，实现了大节段整体焊接结构制造构形的确定。
更进一步的，在本申请实施例中，在根据所述钢桁梁的制造构形确定大节段钢桁梁的制造构形之后，还包括：根据所述大节段钢桁梁的制造构形控制所述桥梁的实际成桥线形。通过机械装置将多个已确定制造构形的大节段钢桁梁进行架设，待安装至成桥后，桥梁的实际成桥线形将与目标竖曲线保持一致，钢桁梁目标内力将与目标成桥内力保持一致。
可见，本申请依据桥梁结构受力状态与无应力状态之间的力学固有特点，在已知桥梁结构目标成桥线形的基础上，反向叠加结构恒载作用下节点位移值，获取钢桁梁结构在无应力状态下的节点坐标，并放样得到钢桁梁各个杆件的制造构形，用于下料制造，进行大节段焊接组拼，安装至成桥后，桥梁的成桥线形与竖曲线一致。因此，本申请与现有的节段制造构形确定技术相比更为高效、合理和精准，具体的：无需按照升降温法去求解方程组，通过坐标、变形叠加可直接获取杆件制造构形；在工厂按大节段组拼焊接时，钢桁梁杆件不带应力；按确定的杆件制造构形组拼大节段，将结构安装至成桥后，桥梁的实际成桥线形与目标竖曲线一致，钢桁梁的实际内力与目标成桥内力一致。
下面以公铁两用双塔五跨钢桁梁斜拉桥为例详述本申请中的钢桁梁制造构形确定方法：参见图2所示，该斜拉桥位于③～⑧号墩间，孔跨布置为(142+490+1176+490+142)m，全桥总长2440m，主航道桥处于竖曲线上的钢桁梁以主跨跨中为对称点设置12‰人字坡，目标竖曲线半径为25000m；该斜拉桥包含斜拉索1、主塔2和钢桁梁3三部分结构；
其中，钢桁梁3为2节间的标准梁段，长28m，分成(7+14+7)m全焊整体制造。在钢桁梁3中取一个标准梁段(En、En+1、An、An+1)，如图3所示，该钢桁梁3包含上弦杆31、下弦杆32、竖杆33和斜杆34；在竖曲线下，标准梁段节间的水平间距为14m，桁高为15.5m；
根据桥梁的目标成桥线形建立桥梁结构的有限元模型，计算钢桁梁3在恒载作用下各个节点的位移值δi，以中跨节间E85、E86为例，该节间含有4个节点，上弦节点A85、A86，下弦节点E85、E86。从有限元模型中提取这4个节点的位移值，A85、A86、E85、E86节点位移值分别为(-4.3，30.9，15.8)mm、(-3.0，30.6，16.9)mm、(1.8，30.8，16.0)mm、(0.3，30.7，17.0)mm；
记录钢桁梁3在目标成桥线形中各个节点的预设坐标值Ci，以中跨节间E85、E86为例，上弦节点A85、A86和下弦节点E85、E86，对应的预设坐标分别为(-28000，0，82781)mm、(-14000，0，82793)mm、(-28000，0，67281)mm、(-14000，0，67293)mm；
依据钢桁梁3的各个位移值δi和各个节点坐标值Ci，利用公式(1)计算出钢桁梁无应力状态下各个节点的坐标值C0i，以中跨节间E85、E86为例，上弦节点A85、A86和下弦节点E85、E86在无应力状态下的无应力坐标分别为(-27995.7，-30.9，67265.2)mm、(-13997，-30.6，67276.1)mm、(-28001.8，-30.8，82765)mm、(-14000.3，-30.7，82776)mm；
依据确定出的钢桁梁在无应力状态下各个节点的无应力坐标值C0i，在绘图CAD软件中呈现各个节点的空间位置，并绘制出钢桁梁的各个杆件，并计算各个杆件的无应力长度和相邻杆件之间的无应力角度，得到如图3所示的中跨节间E85、E86各杆件的制造构形，进而得到钢桁梁的制造构形；
其中，参见图4所示，斜杆34的制造长度为20891.5mm，其与左侧竖杆33的制造夹角为42.082度，与下弦杆32的制造夹角为47.895度，与上弦杆31的制造夹角为47.895度，与右侧竖杆33的制造夹角为42.072度；按此制造构形进行大节段焊接组拼，安装至成桥后，桥梁的实际成桥线形以节间E85、E86为例，上弦节点A85、A86和下弦节点E85、E86实际成桥坐标分别为(-28000，0，82781)mm、(-14000，0，82793)mm、(-28000，0，67281)mm、(-14000，0，67293)mm，与目标竖曲线完全一致。
参见图5所示，本申请实施例还提供了一种钢桁梁制造构形确定系统，包括：
数据获取模块，其用于基于桥梁的目标成桥线形获取钢桁梁的各个节点的预设坐标；
模型创建模块，其用于根据所述目标成桥线形建立有限元模型；
第一计算模块，其用于基于所述有限元模型计算所述各个节点在恒载作用下的位移；
第二计算模块，其用于根据所述预设坐标和所述位移计算各个所述节点的无应力坐标，并根据所述无应力坐标确定钢桁梁杆件的制造构形。
可见，本申请通过坐标、变形叠加即可直接获取钢桁梁的无应力制造构形，无需按照升降温法求解方程组，有效提高了制造构形的确定效率，且充分考虑了钢桁梁的压缩变形和面外弯曲变形对成桥后的钢桁梁线形的影响，使得桥梁的实际成桥线形与目标竖曲线保持一致，钢桁梁目标内力与目标成桥内力保持一致；此外，由于该制造构形为无应力构形，其可用于大节段整体焊接结构制造构形的确定。
更进一步的，在本申请实施例中，所述位移包括水平位移、横向位移和竖向位移，所述预设坐标包括水平坐标、横向坐标和竖向高程坐标。
更进一步的，在本申请实施例中，所述制造构形包括所述钢桁梁中的钢桁梁杆件的无应力长度以及相邻钢桁梁杆件之间的无应力角度。
更进一步的，在本申请实施例中，所述第二计算模块还用于：根据所述钢桁梁的制造构形确定大节段钢桁梁的制造构形。
更进一步的，在本申请实施例中，所述系统还包括线形控制模块，所述线形控制模块用于根据所述大节段钢桁梁的制造构形控制所述桥梁的实际成桥线形。
需要说明的是，所属本领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统和各模块的具体工作过程，可以参考前述钢桁梁制造构形确定方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
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，而是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)

1.一种钢桁梁制造构形确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于桥梁的目标成桥线形获取钢桁梁的各个节点的预设坐标；
根据所述目标成桥线形建立有限元模型；
基于所述有限元模型计算所述各个节点在恒载作用下的位移；
根据所述预设坐标和所述位移计算各个所述节点的无应力坐标，并根据所述无应力坐标确定钢桁梁的制造构形。
2.如权利要求1所述的钢桁梁制造构形确定方法，其特征在于：所述位移包括水平位移、横向位移和竖向位移，所述预设坐标包括水平坐标、横向坐标和竖向高程坐标。
3.如权利要求1所述的钢桁梁制造构形确定方法，其特征在于：所述制造构形包括所述钢桁梁中的各个钢桁梁杆件的无应力长度以及相邻钢桁梁杆件之间的无应力角度。
4.如权利要求3所述的钢桁梁制造构形确定方法，其特征在于，在所述根据所述无应力坐标确定所述钢桁梁的制造构形之后，还包括：
根据所述钢桁梁的制造构形确定大节段钢桁梁的制造构形。
5.如权利要求4所述的钢桁梁制造构形确定方法，其特征在于，在所述根据所述钢桁梁的制造构形确定大节段钢桁梁的制造构形之后，还包括：根据所述大节段钢桁梁的制造构形控制所述桥梁的实际成桥线形。
6.一种钢桁梁制造构形确定系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，其用于基于桥梁的目标成桥线形获取钢桁梁的各个节点的预设坐标；
模型创建模块，其用于根据所述目标成桥线形建立有限元模型；
第一计算模块，其用于基于所述有限元模型计算所述各个节点在恒载作用下的位移；
第二计算模块，其用于根据所述预设坐标和所述位移计算各个所述节点的无应力坐标，并根据所述无应力坐标确定钢桁梁杆件的制造构形。
7.如权利要求6所述的钢桁梁制造构形确定系统，其特征在于：所述位移包括水平位移、横向位移和竖向位移，所述预设坐标包括水平坐标、横向坐标和竖向高程坐标。
8.如权利要求6所述的钢桁梁制造构形确定系统，其特征在于：所述制造构形包括所述钢桁梁中的钢桁梁杆件的无应力长度以及相邻钢桁梁杆件之间的无应力角度。
9.如权利要求8所述的钢桁梁制造构形确定系统，其特征在于，所述第二计算模块还用于：根据所述钢桁梁的制造构形确定大节段钢桁梁的制造构形。
10.如权利要求9所述的钢桁梁制造构形确定系统，其特征在于：所述系统还包括线形控制模块，所述线形控制模块用于根据所述大节段钢桁梁的制造构形控制所述桥梁的实际成桥线形。
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