CN114722672B - 一种斜拉-悬索协作体系桥运营期线形调整方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种斜拉‑悬索协作体系桥运营期线形调整方法，将桥上道砟荷载集度变化量加载到有限元模型上，计算得到恒载增加时的受调向量变化量；以线形调整时的施调向量目标变化量为未知数，计算线形调整时的受调向量目标变化量，二者相加之后得到调整索长后的受调向量，利用调整索长后的受调向量构建2‑范数，基于受调向量的允许差值上下限，从而可以反算出线形调整时的施调向量目标变化量。本申请提出了斜拉‑悬索协作体系桥在运营期二期恒载变化后的优化调索方法，利用该方法，可以非常方便地对轨道线形进行调整。
Description
技术领域
本申请涉及桥梁工程技术领域，特别涉及一种斜拉-悬索协作体系桥运营期线形调整方法。
背景技术
有砟铁路桥在轨道铺设初期，道砟压实度不够，道床容重小于设计值，经过长期运营后，随着道砟的尖角不断被磨平及道砟的粉化，道砟被不断压实，导致轨道下沉，需定期将轨道拨高到设计位置，并补充道砟。补充道砟增加了桥梁的二期恒载，使得桥梁产生新的变形。小跨度桥梁结构变形小，仅依靠补充道砟便可将轨道调整至设计位置。大跨度缆索桥梁结构较柔，易产生大的变形，有砟道床厚度调整范围有限(通常可调范围为-2cm～+10cm)，当道砟重量变化大时，仅依靠补充道砟很难将轨道调整至设计位置。
目前采用有砟桥面结构形式的斜拉-悬索协作体系桥，将面临运营期二期恒载增加导致轨道线形变化大的问题，在已公开的文献资料上，目前还没有找到可解决此问题的措施和方法。
发明内容
本申请实施例提供一种斜拉-悬索协作体系桥运营期线形调整方法，以解决相关技术中有砟桥面结构形式的斜拉-悬索协作体系桥运营期二期恒载增加导致轨道线形变化大的问题。
本申请实施例提供了一种斜拉-悬索协作体系桥运营期线形调整方法，其包括如下步骤：
构建斜拉-悬索协作体系桥成桥时的有限元模型；
将全桥的斜拉索长度和吊索长度进行排序，以组成施调向量Lu；
将全桥的主塔顶的纵向位移、主梁节点的竖向位移进行排序，以组成受调向量y；
将桥上道砟荷载集度变化量加载到有限元模型上，计算得到恒载增加时的受调向量变化量y0；
基于有限元模型，获取受调向量y关于施调向量Lu的影响矩阵A；
基于影响矩阵A和线形调整时的施调向量目标变化量Lu0，计算线形调整时的受调向量目标变化量y1；
基于恒载增加时的受调向量变化量y0和线形调整时的受调向量目标变化量y1，计算调整索长后的受调向量yt；
利用受调向量的允许差值上下限、调整索长后的受调向量yt构建优化函数和约束条件，并计算出线形调整时的施调向量目标变化量Lu0；
根据线形调整时的施调向量目标变化量Lu0调整斜拉索长度和吊索长度，并通过调整道砟厚度，将轨道调整至设计标高。
一些实施例中，基于有限元模型，获取受调向量y关于施调向量Lu的影响矩阵A，包括如下步骤：
在有限元模型中，使施调向量Lu中的其中一个索长改变一个单位长度，并计算施调向量单位改变量下的受调向量变化量Δy；
以此类推，计算出每一个索长对应的受调向量变化量Δy；
将所有索长对应的受调向量变化量Δy组成影响矩阵A。
一些实施例中，y1＝A×Lu0。
一些实施例中，yt＝y1+y0。
一些实施例中，优化函数为fmin＝‖y1+y0‖2。
一些实施例中，约束条件为ymin≤y1+y0≤ymax，其中，ymin为受调向量的允许差值下限，ymax为受调向量的允许差值上限。
一些实施例中，斜拉索和吊索张拉端均采用可调节长度的锚杯，锚杯长度在常规锚杯长度的基础上增加Lu0。
一些实施例中，按照设定次序，将全桥的斜拉索长度和吊索长度依次排序。
一些实施例中，按照设定次序，将全桥的主塔顶的纵向位移、主梁节点的竖向位移依次排序。
一些实施例中，设定次序为小里程到大里程或大里程到小里程。
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：
将桥上道砟荷载集度变化量加载到有限元模型上，计算得到恒载增加时的受调向量变化量；以线形调整时的施调向量目标变化量为未知数，计算线形调整时的受调向量目标变化量，二者相加之后得到调整索长后的受调向量，利用调整索长后的受调向量构建2-范数，基于受调向量的允许差值上下限，从而可以反算出线形调整时的施调向量目标变化量。
因此，本申请提出了斜拉-悬索协作体系桥在运营期二期恒载变化后的优化调索方法，利用该方法，可以非常方便地对轨道线形进行调整。
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有砟铁路桥面结构示意图；
图2为本申请实施例提供的斜拉-悬索协作体系桥示意图；
图3为本申请实施例提供的施调向量调索前后值；
图4为本申请实施例提供的斜拉索和吊索的索长拔出量值。
图中：1、钢轨；2、轨枕；3、道床；4、预留道砟区域；5、挡砟墙；6、斜拉索；7、吊索；8、主塔；9、主梁。
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。
参见图1和图2所示，本申请提供的有砟铁路桥面包含钢轨1、钢轨1下的轨枕2和轨枕2周围的道砟形成的道床3，在道床3外侧设置挡砟墙5。成桥时，在两线铁路间的预留道砟区域4可预留道砟供后期补砟使用。在预留道砟补砟使用完成前，主梁9上的二期恒载集度不变，不需要通过调索的方式调整轨道线形。本申请通过在两线铁路间预留道砟，预留道砟使用完成后，再在预留道砟区域4补充道砟的方式，减小运营期道砟变化量，并减少线形调整次数。
预留道砟使用完成后，可在预留道砟区域4补充道砟，补充道砟后，会引起轨道线形变化，需调整斜拉索6和吊索7的索长，将主梁9高程调整到设计高程附近，并通过微调道砟厚度使轨道在设计位置。
引起的轨道线形变化，可以采用如下步骤进行调整：
101：构建斜拉-悬索协作体系桥成桥时的有限元模型。
构建有限元模型时，按成桥时桥面的道砟荷载集度计算成桥索力，成桥索力可采用现有方法确定。
102：将全桥的斜拉索长度和吊索长度进行排序，以组成施调向量Lu；将全桥主塔8的主塔顶的纵向位移、主梁节点的竖向位移进行排序，以组成受调向量y。
其中，按照设定次序，将全桥的斜拉索长度和吊索长度依次排序。
按照设定次序，将全桥的主塔顶的纵向位移、主梁节点的竖向位移依次排序。
设定次序可以有多种选择，作为示例，比如采用小里程到大里程，再比如采用大里程到小里程，还比如按照索长的大小顺序等等。
设定次序优选采用小里程到大里程或大里程到小里程。
103：将桥上道砟荷载集度变化量加载到有限元模型上，计算得到恒载增加时的受调向量变化量y0；其中，该受调向量变化量是因为补充道砟造成的变化量，该变化量会使得轨道线形发生变化。
104：基于有限元模型，获取受调向量y关于施调向量Lu的影响矩阵A；影响矩阵是衡量施调向量单位变化量对受调向量的影响大小，具体地，可以采用如下方式获取：
201：在有限元模型中，使施调向量Lu中的其中一个索长改变一个单位长度(如索长变化1cm)，并计算施调向量单位改变量下的受调向量变化量Δy；
以此类推，计算出每一个索长对应的受调向量变化量Δy。
202：将所有索长对应的受调向量变化量Δy组成影响矩阵A。
105：基于影响矩阵A和线形调整时的施调向量目标变化量Lu0，计算线形调整时的受调向量目标变化量y1。
具体地，采用如下公式计算：
y1＝A×Lu0
该受调向量目标变化量是用来：在调整轨道线形时，抵消上述受调向量变化量y0对轨道线形造成的影响。
106：基于恒载增加时的受调向量变化量y0和线形调整时的受调向量目标变化量y1，计算调整索长后的受调向量yt。
具体地，采用如下公式计算：
yt＝y1+y0＝A×Lu0+y0
调整索长后的受调向量，其理想情况是，施加了受调向量目标变化量y1后，抵消了上述受调向量变化量y0对轨道线形造成的影响，使得线形复原，然而，实际情况并不会复原，因此，采用如下107构建优化函数。
107：利用受调向量的允许差值上下限、调整索长后的受调向量yt构建优化函数和约束条件，并计算出线形调整时的施调向量目标变化量Lu0。
其中，优化函数为fmin＝‖y1+y0‖2。
约束条件为ymin≤y1+y0≤ymax，其中，ymin为受调向量的允许差值下限，ymax为受调向量的允许差值上限。
当优化函数取值最小时，线形调整结果是最佳的。
108：根据线形调整时的施调向量目标变化量Lu0调整斜拉索长度和吊索长度，并通过调整道砟厚度，将轨道调整至设计标高。
在设计阶段，斜拉索和吊索张拉端均采用可调节长度的锚杯，锚杯长度在常规锚杯长度的基础上，额外增加Lu0，以保证运营期的调索措施能够实施。
本申请的原理是：
将桥上道砟荷载集度变化量加载到有限元模型上，计算得到恒载增加时的受调向量变化量；以线形调整时的施调向量目标变化量为未知数，计算线形调整时的受调向量目标变化量，二者相加之后得到调整索长后的受调向量，利用调整索长后的受调向量构建2-范数，基于受调向量的允许差值上下限，从而可以反算出线形调整时的施调向量目标变化量。
因此，本申请提出了斜拉-悬索协作体系桥在运营期二期恒载变化后的优化调索方法，利用该方法，可以非常方便地对轨道线形进行调整。
在一个实施例中，通过预留道砟的措施，减少运营期道砟荷载变化量6kN/m，运营期仅需要两次线形调整。参见图3所示，道砟荷载集度增加12kN/m后，受调向量y中元素值的分布如图3中标签为“调整前”的曲线所示，最大竖向位移为-27.2cm，图3中横坐标为主塔顶和主梁节点编号。
受调向量的允许差值下限ymin中，主梁竖向位移取为-2cm，主塔顶纵向位移取为-0.5cm；受调向量的允许差值上限ymax为中，主梁竖向位移取为2cm，主塔顶纵向位移取为0.5cm。
参见图3所示，调整索长后的受调向量yt中元素值的分布如图3中标签为“调整后”的曲线所示，可见满足约束条件。
施调向量目标变化量Lu0中元素值也即索长拔出量值的分布如图4中所示，小于2cm的偏差通过改变道砟厚度将轨道调整到设计标高，图4中横坐标为索编号。
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)
1.一种斜拉-悬索协作体系桥运营期线形调整方法，其特征在于，其用于调整当预留道砟区域的预留道砟使用完成后补充道砟引起的轨道线形变化，所述斜拉-悬索协作体系桥的两线铁路间在成桥时设置有所述预留道砟区域，调整方法包括如下步骤：
构建斜拉-悬索协作体系桥成桥时的有限元模型；
将全桥的斜拉索长度和吊索长度进行排序，以组成施调向量L u ；
将全桥的主塔顶的纵向位移、主梁节点的竖向位移进行排序，以组成受调向量y；
将桥上道砟荷载集度变化量加载到有限元模型上，计算得到恒载增加时的受调向量变化量y 0 ；
基于有限元模型，获取受调向量y关于施调向量L u 的影响矩阵A；
基于影响矩阵A和线形调整时的施调向量目标变化量L u0 ，计算线形调整时的受调向量目标变化量y 1 ；
基于恒载增加时的受调向量变化量y 0 和线形调整时的受调向量目标变化量y 1 ，计算调整索长后的受调向量y t ；
利用受调向量的允许差值上下限、调整索长后的受调向量y t 构建优化函数和约束条件，并计算出线形调整时的施调向量目标变化量L u0 ；
根据线形调整时的施调向量目标变化量L u0 调整斜拉索长度和吊索长度，并通过调整道砟厚度，将轨道调整至设计标高。
2.如权利要求1所述的斜拉-悬索协作体系桥运营期线形调整方法，其特征在于，基于有限元模型，获取受调向量y关于施调向量L u 的影响矩阵A，包括如下步骤：
在有限元模型中，使施调向量L u 中的其中一个索长改变一个单位长度，并计算施调向量单位改变量下的受调向量变化量；
以此类推，计算出每一个索长对应的受调向量变化量；
将所有索长对应的受调向量变化量组成影响矩阵A。
3.如权利要求1所述的斜拉-悬索协作体系桥运营期线形调整方法，其特征在于：y 1 =A×L u0 。
4.如权利要求1所述的斜拉-悬索协作体系桥运营期线形调整方法，其特征在于：y t =y 1 +y 0 。
5.如权利要求1所述的斜拉-悬索协作体系桥运营期线形调整方法，其特征在于：优化函数为f min =‖y 1 +y 0 ‖2。
6.如权利要求1所述的斜拉-悬索协作体系桥运营期线形调整方法，其特征在于：约束条件为y min ≤y 1 +y 0 ≤y max ，其中，y min 为受调向量的允许差值下限，y max 为受调向量的允许差值上限。
7.如权利要求1所述的斜拉-悬索协作体系桥运营期线形调整方法，其特征在于：斜拉索和吊索张拉端均采用可调节长度的锚杯，锚杯长度在常规锚杯长度的基础上增加L u0 。
8.如权利要求1所述的斜拉-悬索协作体系桥运营期线形调整方法，其特征在于：按照设定次序，将全桥的斜拉索长度和吊索长度依次排序。
9.如权利要求1所述的斜拉-悬索协作体系桥运营期线形调整方法，其特征在于：按照设定次序，将全桥的主塔顶的纵向位移、主梁节点的竖向位移依次排序。
10.如权利要求8或9所述的斜拉-悬索协作体系桥运营期线形调整方法，其特征在于：设定次序为小里程到大里程或大里程到小里程。
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