CN113605231A - 一种节段预制混凝土斜拉桥索导管角度的确定方法 - Google Patents

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CN113605231A CN202110767252.7A CN202110767252A CN113605231A CN 113605231 A CN113605231 A CN 113605231A CN 202110767252 A CN202110767252 A CN 202110767252A CN 113605231 A CN113605231 A CN 113605231A
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Abstract

本发明涉及一种节段预制混凝土斜拉桥索导管角度的确定方法，包括根据节段预制混凝土斜拉桥的结构参数，建立在现场坐标系下的有限元模型；根据施工预拱度引起的索导管角度变化，确定第一角度修正值；根据竖向位移引起的索导管角度变化，确定第二角度修正值；根据纵向位移引起的索导管角度变化，确定第三角度修正值；根据垂度效应引起的索导管角度变化，确定第四角度修正值；根据索导管初始安装角度及各角度修正值，确定索导管在现场坐标系下的安装角度；根据预制线形中梁段轴线与现场坐标系水平轴的夹角，和索导管在现场坐标系下的安装角度，确定索导管在预制坐标系下的安装角度。本发明可以精确定位节段预制混凝土斜拉桥索导管的安装角度。

Description

一种节段预制混凝土斜拉桥索导管角度的确定方法
技术领域
本发明涉及一种节段预制混凝土斜拉桥索导管角度的确定方法，属于桥梁施工监控技术领域。
背景技术
节段预制桥梁具有施工速度快、质量易控制、环境干扰小等优点，在桥梁工程建设中得到越来越多的推广和应用。拉索是斜拉桥上的重要受力构件。在梁段预制时，需将拉索的索导管预埋到梁段内。索导管安装角度的准确定位，是斜拉桥施工控制中的重要问题。
现有的索导管安装定位方法主要是针对悬臂浇筑混凝土斜拉桥，不能将其直接应用于节段预制斜拉桥上。这是由于节段预制斜拉桥一般需建立预制场地的预制坐标系，在该预制坐标系下进行梁段定位和预制。由于预制坐标系与现场坐标系不同，如何准确计算索导管在预制坐标系下的角度，是需要解决的重点问题。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域普通技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种节段预制混凝土斜拉桥索导管角度的确定方法，来提高节段预制混凝土斜拉桥索导管的定位精度。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种节段预制混凝土斜拉桥索导管角度的确定方法，包括：
根据节段预制混凝土斜拉桥的结构参数，建立节段预制混凝土斜拉桥在现场坐标系下的有限元模型；
基于所述有限元模型，根据主梁施工预拱度引起的索导管角度变化，确定第一角度修正值；
基于所述有限元模型，根据桥塔竖向位移引起的索导管角度变化，确定第二角度修正值；
基于所述有限元模型，根据桥塔纵向位移引起的索导管角度变化，确定第三角度修正值；
基于所述有限元模型，根据拉索垂度效应引起的索导管角度变化，确定第四角度修正值；
根据索导管初始安装角度以及已确定的各角度修正值，确定索导管在现场坐标系下的安装角度；
根据预制线形中梁段轴线与现场坐标系水平轴的夹角，和索导管在现场坐标系下的安装角度，确定索导管在预制坐标系下的安装角度。
进一步地，所述索导管预埋在主梁的梁段内，所述主梁施工预拱度即为梁段施工预拱度，所述基于有限元模型，根据主梁施工预拱度引起的索导管角度变化，确定第一角度修正值的计算公式为：
Figure BDA0003151231740000021
式中，le为梁段的长度，vn为现浇梁段桥塔竖向预拱度值，vn-1为匹配梁段竖向预拱度值。
进一步地，所述基于有限元模型，根据桥塔竖向位移引起的索导管角度变化，确定第二角度修正值的计算公式为：
Figure BDA0003151231740000031
式中，lc为拉索长度，vt为桥塔拉索锚固点竖向位移值。
进一步地，所述基于有限元模型，根据桥塔纵向位移引起的索导管角度变化，确定第三角度修正值的计算公式为：
Figure BDA0003151231740000032
式中，lc为拉索长度，ut为桥塔拉索锚固点横向位移值。
进一步地，所述基于有限元模型，根据拉索垂度效应引起的索导管角度变化，确定第四角度修正值，具体为：
若拉索长度小于300m时，则确定第四角度修正值的计算公式为：
Figure BDA0003151231740000033
式中，γ为拉索容重，lc为拉索长度，σ为拉索张拉应力。
进一步地，还包括：
若拉索长度大于300m时，则确定第四角度修正值的计算公式为：
Figure BDA0003151231740000034
式中，θ0为索拉管初始安装角度，H为拉索拉力的水平分力，h为拉索高度，l为拉索水平长度，q为拉索线重量。
进一步地，所述根据索导管初始安装角度以及已确定的各角度修正值，确定索导管在现场坐标系下的安装角度的计算公式为：
θd＝θ0-αpr-αtv-αtu-αs
式中，θ0为索拉管初始安装角度，αpr为第一角度修正值，αtv为第二角度修正值，αtu为第三角度修正值，αs为第四角度修正值。
进一步地，所述根据预制线形中梁段轴线与现场坐标系水平轴的夹角，和索导管在现场坐标系下的安装角度，确定索导管在预制坐标系下的安装角度的计算公式为：
θk＝θd-β
式中，β为预制线形中梁段轴线与整体坐标系水平轴的夹角。
进一步地，所述预制线形通过有限元软件midas考虑纵坡和预拱度效应计算出来的。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明针对节段预制混凝土斜拉桥，研究了一种高精度的索导管定位方法，可以实现对节段预制混凝土斜拉桥索导管安装角度的精确定位，满足索导管安装角度定位精度要求。
附图说明
图1是节段预制混凝土斜拉桥结构示意图；
图2是节段预制混凝土斜拉桥梁段立面图；
图3是节段预制混凝土斜拉桥拉索受力图；
图4是增江特大桥结构示意图；
图中：1：主梁；2：桥塔；3：拉索；4：梁段；5：匹配梁端；6：现浇梁端；7：梁端预制线型；8：梁端设计线形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，节段预制混凝土斜拉桥包括主梁1、桥塔2和拉索3，所述拉索3一端锚固主梁1，另一端锚固桥塔2；所述主梁1包括若干个拼接的梁段4，所述梁段4内预埋有拉索3的索导管以便所述拉索3锚固所述主梁1。
实施例一：
本实施例提供了一种节段预制混凝土斜拉桥索导管角度的确定方法，包括：
根据节段预制混凝土斜拉桥的结构参数，建立节段预制混凝土斜拉桥在现场坐标系下的有限元模型；
基于所述有限元模型，根据主梁施工预拱度引起的索导管角度变化，确定第一角度修正值；
基于所述有限元模型，根据桥塔竖向位移引起的索导管角度变化，确定第二角度修正值；
基于所述有限元模型，根据桥塔纵向位移引起的索导管角度变化，确定第三角度修正值；
基于所述有限元模型，根据拉索垂度效应引起的索导管角度变化，确定第四角度修正值；
根据索导管初始安装角度以及已确定的各角度修正值，确定索导管在现场坐标系下的安装角度；
根据预制线形中梁段轴线与现场坐标系水平轴的夹角，和索导管在现场坐标系下的安装角度，确定索导管在预制坐标系下的安装角度。
本发明的技术构思为：首先假定θ0为索导管初始安装角度，先分析节段预制混凝土斜拉桥处在现场坐标系下时影响索导管安装角度的主要因素，包括有：主梁施工预拱度、桥塔竖向位移、桥塔纵向位移和拉索垂度效应。为了准确计算这些变形，先根据节段预制混凝土斜拉桥的结构参数，建立节段预制混凝土斜拉桥在现场坐标系下的有限元模型，对每个施工阶段进行准确模拟，并根据模拟分析结果，提取结构变形值，确定索导管在现场坐标系下的安装角度。再根据索导管在现场坐标系下的安装角度以及预制线形中梁段轴线与现场坐标系水平轴的夹角，确定索导管在预制坐标系下的安装角度。
本实施例的确定方法具体涉及以下内容。
(一)基于节段预制混凝土斜拉桥在现场坐标系下的有限元模型，根据主梁施工预拱度引起的索导管角度变化，确定第一角度修正值；
为了实现合理的成桥线形，在梁段预制过程中需设置主梁施工预拱度，这会要求索导管角度也相应改变。主梁施工预拱度主要是考虑结构自重、桥面铺装、预应力荷载、吊机荷载、拉索张拉和徐变等引起的变形。
由于索导管预埋在主梁的梁段内，索导管已与梁段固结成一个整体，所以主梁的转角变化量可认为是与梁段转角变化量相同，从而确定主梁预拱度引起的索导管角度变化等同于梁段预拱度引起的索导管角度变化。
参见图2，梁段预制线形7为考虑到主梁施工预拱度而设计成梁段设计线形8，所述主梁由一个个梁段拼接而成，需根据上一个做好的梁，浇下一个梁，其中，匹配梁段5就是上一个，现浇梁段6就是下一个。
具体的，基于主梁施工预拱度引起的索导管角度变化，计算出第一角度修正值的计算公式为：
Figure BDA0003151231740000061
式中，le为梁段的长度，vn为现浇梁段桥塔竖向预拱度值，vn-1为匹配梁段竖向预拱度值。
(二)基于节段预制混凝土斜拉桥在现场坐标系下的有限元模型，根据桥塔竖向位移引起的索导管角度变化，确定第二角度修正值；
在索力作用下，桥塔发生变形，桥塔上拉索锚固点将发生桥塔竖向和桥塔纵向位移。为此梁段内的索导管角度也应进行相应调整，才能保证桥塔和主梁的锚固点对中。由于桥塔竖向位移值远小于拉索长度，当塔上拉索锚固点发生桥塔竖向位移时，则第二角度修正值的角度修正公式为：
Figure BDA0003151231740000071
式中，lc为拉索长度，vt为桥塔拉索锚固点竖向位移值。
(三)基于节段预制混凝土斜拉桥在现场坐标系下的有限元模型，根据桥塔纵向位移引起的索导管角度变化，确定第三角度修正值；
当桥塔上拉索锚固点发生桥塔纵向位移时，则第三角度修正值的角度修正公式为：
Figure BDA0003151231740000072
式中，lc为拉索长度，ut为桥塔拉索锚固点纵向位移值。
(四)基于节段预制混凝土斜拉桥在现场坐标系下的有限元模型，根据拉索垂度效应引起的索导管角度变化，确定第四角度修正值；
如图3所示，拉索由于自身重力作用，会产生一定下垂，其垂度大小也与索力有关。在索导管安装时，需考虑拉索垂度效应引起的导管倾角变化。当拉索长度小于300m时，可假定拉索形状为抛物线形状，则确定第四角度修正值的计算公式为：
Figure BDA0003151231740000081
式中，γ为拉索容重，lc为拉索长度，σ为拉索张拉应力。
当拉索长度较长时，在自重和张拉力作用下，拉索形状更接近于悬链线，应采用更为精确的悬链线理论确定第四角度修正值，第四角度修正值的计算公式为：
Figure BDA0003151231740000082
式中，H为拉索拉力的水平分力，k1为参数，其表达式为：
Figure BDA0003151231740000083
式中，h为拉索高度，l为拉索水平长度。
在拉索张拉力T确定的情况下，拉索悬链线索形和水平分力是相互耦合的；悬链线上每个点的斜率是由水平分力决定的，水平分力与张拉力的表达式为：
H＝T cos(θ0-αs)
根据水平分力与拉索斜率之间的关系建立迭代关系式，对水平分力和第四角度修正值进行迭代求解：
Figure BDA0003151231740000084
在经过几次迭代计算之后，计算出第四角度修正值的计算公式为：
Figure BDA0003151231740000085
式中，θ0为索拉管初始安装角度，H为拉索拉力的水平分力，h为拉索高度，l为拉索水平长度，q为拉索线重量。
(五)根据索导管初始安装角度以及已确定的各角度修正值，确定索导管在现场坐标系下的安装角度；
θd＝θ0-αpr-αtv-αtu-αs
式中，θ0为索拉管初始安装角度，αpr为第一角度修正值，αtv为第二角度修正值，αtu为第三角度修正值，αs为第四角度修正值。
(六)根据预制线形中梁段轴线与现场坐标系水平轴的夹角，和索导管在现场坐标系下的安装角度，确定索导管在预制坐标系下的安装角度；
在梁段节段预制过程中，预制场地的坐标系往往是预制坐标系，其水平轴沿梁段的轴线方向。所以在索导管埋设时安装角度是以预制坐标系的角度给出，在预制坐标系下安装角度即为拉索切线与梁轴线的夹角θl，根据预制线形中梁段轴线与现场坐标系水平轴的夹角和索导管在整体坐标系下的安装角度，计算得到索导管在预制坐标系下的安装角度：
θl＝θd-β
式中，β为预制线形中梁段轴线与整体坐标系水平轴的夹角。
在本实施例中，通过有限元软件midas考虑纵坡和预拱度效应计算出所述预制线形。
实施例二：
本实施例介绍一种应用实施例一方法的节段预制混凝土斜拉桥索导管角度的确定方法。
如图4所示，广汕客专增江特大桥于DK65+150～DK65+450在增城市石滩镇跨越增江，主桥采用双塔双索面混凝土斜拉桥，孔跨布置为(48+84+260+84+48)m，含梁缝主桥全长526.3m。主桥位于双向6％0的纵坡上，变坡点位于主跨跨中处，竖曲线半径为25000m，平面位于直线上。主梁采用节段预制胶拼法施工，混凝土梁预制节段标准长4m，全桥共132个预制节段和1个合龙现浇梁段。
根据设计图纸所提供的节段预制混凝土斜拉桥的结构参数，建立节段预制混凝土斜拉桥在现场坐标系下的有限元模型；并基于该有限元模型分别计算出主梁施工预拱度、桥塔竖向位移、桥塔纵向位移、拉索垂度效应产生的索导管角度修正值，以得到节段预制混凝土斜拉桥索导管在现场坐标系下的安装角度，最后再确定节段预制混凝土斜拉桥索导管在预制坐标系下的安装角度。各因素对应的角度修正值求解依次如下所示：
根据主梁施工预拱度引起的索导管角度变化，确定第一角度修正值：
Figure BDA0003151231740000101
式中，le为梁段的长度，vn为现浇梁段桥塔竖向预拱度值，vn-1为匹配梁段竖向预拱度值。
根据桥塔竖向位移引起的索导管角度变化，确定第二角度修正值：
Figure BDA0003151231740000102
式中，lc为拉索长度，vt为桥塔拉索锚固点竖向位移值。
根据桥塔纵向位移引起的索导管角度变化，确定第三角度修正值：
Figure BDA0003151231740000103
式中，lc为拉索长度，ut为桥塔拉索锚固点横向位移值。
增江特大桥的拉索长度小于300m，可假定拉索形状为抛物线形状，进而根据拉索垂度效应引起的索导管角度变化，确定第四角度修正值：
Figure BDA0003151231740000111
式中，γ为拉索容重，lc为拉索长度，σ为拉索张拉应力。
根据索导管初始安装角度以及已确定的各角度修正值，确定索导管在现场坐标系下的安装角度：
θd＝θ0-αpr-αtv-αtu-αs
式中，θ0为索拉管初始安装角度，αpr为第一角度修正值，αtv为第二角度修正值，αtu为第三角度修正值，αs为第四角度修正值。
根据预制线形中梁段轴线与现场坐标系水平轴的夹角，和索导管在现场坐标系下的安装角度，确定索导管在预制坐标系下的安装角度：
θl＝θd-β
式中，β为预制线形中梁段轴线与整体坐标系水平轴的夹角。
本实施例对节段预制混凝土斜拉桥索导管角度的确定方法进行算力验证，表1为本实施例中相关计算参数，即索导管在预制坐标系下的安装角度为索导管初始安装角度考虑了如表格所示的各因素对角度的影响大小，进而得到的安装角度。
表1实施例中相关计算参数
Figure BDA0003151231740000112
Figure BDA0003151231740000121
Figure BDA0003151231740000131
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种节段预制混凝土斜拉桥索导管角度的确定方法，其特征在于，包括：
根据节段预制混凝土斜拉桥的结构参数，建立节段预制混凝土斜拉桥在现场坐标系下的有限元模型；
基于所述有限元模型，根据主梁施工预拱度引起的索导管角度变化，确定第一角度修正值；
基于所述有限元模型，根据桥塔竖向位移引起的索导管角度变化，确定第二角度修正值；
基于所述有限元模型，根据桥塔纵向位移引起的索导管角度变化，确定第三角度修正值；
基于所述有限元模型，根据拉索垂度效应引起的索导管角度变化，确定第四角度修正值；
根据索导管初始安装角度以及已确定的各角度修正值，确定索导管在现场坐标系下的安装角度；
根据预制线形中梁段轴线与现场坐标系水平轴的夹角，和索导管在现场坐标系下的安装角度，确定索导管在预制坐标系下的安装角度。
2.根据权利要求1所述的节段预制混凝土斜拉桥索导管角度的确定方法，其特征在于，所述索导管预埋在主梁的梁段内，所述主梁施工预拱度即为梁段施工预拱度；
所述基于有限元模型，根据主梁施工预拱度引起的索导管角度变化，确定第一角度修正值的计算公式为：
Figure FDA0003151231730000021
式中，le为梁段的长度，vn为现浇梁段桥塔竖向预拱度值，vn-1为匹配梁段竖向预拱度值。
3.根据权利要求1所述的节段预制混凝土斜拉桥索导管角度的确定方法，其特征在于，所述基于有限元模型，根据桥塔竖向位移引起的索导管角度变化，确定第二角度修正值的计算公式为：
Figure FDA0003151231730000022
式中，lc为拉索长度，vt为桥塔拉索锚固点竖向位移值。
4.根据权利要求1所述的节段预制混凝土斜拉桥索导管角度的确定方法，其特征在于，所述基于有限元模型，根据桥塔纵向位移引起的索导管角度变化，确定第三角度修正值的计算公式为：
Figure FDA0003151231730000023
式中，lc为拉索长度，ut为桥塔拉索锚固点横向位移值。
5.根据权利要求1所述的节段预制混凝土斜拉桥索导管角度的确定方法，其特征在于，所述基于有限元模型，根据拉索垂度效应引起的索导管角度变化，确定第四角度修正值，具体为：
若拉索长度小于300m，则确定第四角度修正值的计算公式为：
Figure FDA0003151231730000024
式中，γ为拉索容重，lc为拉索长度，σ为拉索张拉应力。
6.根据权利要求5所述的节段预制混凝土斜拉桥索导管角度的确定方法，其特征在于，还包括：
若拉索长度大于300m，则确定第四角度修正值的计算公式为：
Figure FDA0003151231730000031
式中，θ0为索拉管初始安装角度，H为拉索拉力的水平分力，h为拉索高度，l为拉索水平长度，q为拉索线重量。
7.根据权利要求1所述的节段预制混凝土斜拉桥索导管角度的确定方法，其特征在于，所述根据索导管初始安装角度以及已确定的各角度修正值，确定索导管在现场坐标系下的安装角度的计算公式为：
θd＝θ0-αpr-αtv-αtu-αs
式中，θ0为索拉管初始安装角度，αpr为第一角度修正值，αtv为第二角度修正值，αtu为第三角度修正值，αs为第四角度修正值。
8.根据权利要求7所述的节段预制混凝土斜拉桥索导管角度的确定方法，其特征在于，所述根据预制线形中梁段轴线与现场坐标系水平轴的夹角，和索导管在现场坐标系下的安装角度，确定索导管在预制坐标系下的安装角度的计算公式为：
θl＝θd-β
式中，β为预制线形中梁段轴线与整体坐标系水平轴的夹角。
9.根据权利要求8所述的节段预制混凝土斜拉桥索导管角度的确定方法，其特征在于，所述预制线形通过有限元软件midas考虑纵坡和预拱度效应计算出来的。
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