CN114741938A - 一种斜拉桥调索非弹性收缩量智能监测方法 - Google Patents

一种斜拉桥调索非弹性收缩量智能监测方法 Download PDF

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CN114741938A CN202210658962.0A CN202210658962A CN114741938A CN 114741938 A CN114741938 A CN 114741938A CN 202210658962 A CN202210658962 A CN 202210658962A CN 114741938 A CN114741938 A CN 114741938A
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Abstract

本发明公开了一种斜拉桥调索非弹性收缩量智能监测方法，包括步骤一、根据斜拉桥的结构信息建立有限元模型，并根据有限元模型求解得到各斜拉索单元的平衡方程；步骤二、将非弹性约束变量施加于有限元模型中得到斜拉索状态模型；步骤三、根据斜拉索状态模型计算斜拉索张拉力对斜拉桥各控制节点位移的影响矩阵；步骤四、根据影响矩阵和所述斜拉索状态模型建立矩阵方程，实时获取斜拉桥各控制节点的位移量，并根据所述矩阵方程，依次求解得到斜拉索张拉力；步骤五、根据斜拉索张拉力和目标索力，基于所述影响矩阵求解得到调索收缩量，实现了对斜拉桥调索非弹性收缩量智能监测，对斜拉桥的安全稳定性监测以及进一步制定索力调整方案具有现实意义。

Description

一种斜拉桥调索非弹性收缩量智能监测方法
技术领域
本发明涉及斜拉桥安全监测技术领域，特别涉及一种斜拉桥调索非弹性收缩量智能监测方法。
背景技术
随着社会经济建设的迅猛发展，以及土木工程理论与技术的不断成熟，交通基础设施的建设日新月异，桥梁作为跨越障碍的主要结构，各类桥型如雨后春笋般层出不穷，斜拉桥作为其中一类因其跨越能力大而备受关注与重视，并得到广泛的应用，随着新材料(如碳纤维增强聚合物索) 和新施工工艺的发展，斜拉桥的跨越能力不断得到提高，从而在桥梁建设中更具有竞争力。但是，由于斜拉桥跨度大，桥面梁和斜拉索相对于桥塔为柔性结构，在交通载荷、强风和地震等复杂环境载荷作用下，其动力学行为相当复杂，在斜拉桥投入使用及运营中，需要实时监测斜拉桥的安全性能，并及时进行维修或调整。
斜拉桥一般用斜拉索作为主梁的支撑，主梁的受力与多跨连续梁的受力状态相似，斜拉索可以理解为对斜拉桥施加了一个体外预应力。斜拉桥在力学上属于为高次超静定结构，影响其成桥内力的主要因素有恒载分布、索力和边界支承反力等。斜拉桥经营过程中可以通过索力调整来改变成桥内力，从而使斜拉桥结构的线形、索力、结构受力等达到设计成桥理想状态。调整斜拉桥索力对斜拉桥的内力状态影响较大，故实时检测斜拉桥的调索收缩量以判断斜拉桥的安全稳定性，及其后续调索方案的制定和实施具有重要的现实意义。
发明内容
本发明提供了一种斜拉桥调索非弹性收缩量智能监测方法，通过建立斜拉桥的有限元模型，采用影响矩阵法，基于实时获取的斜拉桥各控制节点的位移量，求解得到斜拉索张拉力，进而得到斜拉索索力调整值及调索收缩量。
本发明的技术方案为：
一种斜拉桥调索非弹性收缩量智能监测方法，包括：
步骤一、根据斜拉桥的结构信息建立有限元模型，并根据有限元模型求解得到各斜拉索单元的平衡方程；
步骤二、将非弹性约束变量施加于有限元模型中得到斜拉索状态模型；
步骤三、根据斜拉索状态模型计算斜拉索张拉力对斜拉桥各控制节点位移的影响矩阵；
步骤四、根据影响矩阵和斜拉索状态模型建立矩阵方程，实时获取斜拉桥各控制节点的向变量，并根据所述矩阵方程，依次求解得到斜拉索张拉力；
步骤五、根据斜拉索张拉力和目标索力，基于影响矩阵求解得到调索收缩量。
优选的是，结构信息包括材料、弹性模量和泊松比。
优选的是，斜拉索平衡方程为：
Figure 962514DEST_PATH_IMAGE001
;
其中，
Figure 997466DEST_PATH_IMAGE002
表示斜拉索单元的弹性模量，
Figure 892609DEST_PATH_IMAGE003
表示斜拉索横截面面积，
Figure 722025DEST_PATH_IMAGE004
表示建模长度，
Figure 453352DEST_PATH_IMAGE005
表示斜拉索角度余弦，
Figure 291995DEST_PATH_IMAGE006
表示斜拉索角度正弦，
Figure 776066DEST_PATH_IMAGE007
分别表示一组斜拉索的轴向位移，
Figure 651749DEST_PATH_IMAGE008
分别表示一组斜拉索的纵向位移，
Figure 729426DEST_PATH_IMAGE009
表示斜拉索非弹性收缩量，
Figure 230815DEST_PATH_IMAGE010
分别表示一组斜拉索的轴向荷载向量，
Figure 710338DEST_PATH_IMAGE011
分别表示一组斜拉索的轴向荷载向量，
Figure 22502DEST_PATH_IMAGE012
分别表示一组斜拉索的纵向荷载向量，
Figure 446530DEST_PATH_IMAGE013
表示斜拉索拉力。
优选的是，非弹性约束变量包括斜拉索位移和垂度、桥面线形、主缆线形、桥塔偏位和索鞍位置。
优选的是，步骤三包括：
自定义受调向量和施调向量；
将施调向量施加于斜拉索状态模型，得到受调向量的应变量，以生成施调向量对所述受调向量的影响矩阵。
优选的是，受调向量的受调元为各关键控制节点的向变量，向变量包括位移、截面应力、内力为受调向量中的几种；施调向量的施调元为各斜拉索张拉力。
优选的是，影响矩阵的生成过程为：
计算调值阶段整体刚度矩阵；
令施调向量中的任意施调元为单位调值量，得到相应的结构荷载阵列；
计算荷载阵列对应的任意施调元与各受调元的影响向量；
遍历施调元，得到影响矩阵。
优选的是，矩阵方程为：
Figure 626975DEST_PATH_IMAGE014
；
其中，
Figure 562003DEST_PATH_IMAGE015
表示第
Figure 169701DEST_PATH_IMAGE016
个施调元对第
Figure 346605DEST_PATH_IMAGE017
个受调元的竖向影响向量，
Figure 65162DEST_PATH_IMAGE018
表示第
Figure 129064DEST_PATH_IMAGE016
个施调元对第
Figure 766719DEST_PATH_IMAGE017
个受调元的横向影响向量，
Figure 916072DEST_PATH_IMAGE019
表示第
Figure 438320DEST_PATH_IMAGE016
个施调元对第
Figure 871575DEST_PATH_IMAGE017
个受调元的旋转影响向量，
Figure 165285DEST_PATH_IMAGE020
表示斜拉索张拉力，
Figure 254463DEST_PATH_IMAGE021
表示恒载对第
Figure 187260DEST_PATH_IMAGE017
个受调元的竖向影响向量，
Figure 84809DEST_PATH_IMAGE022
表示恒载对第
Figure 329845DEST_PATH_IMAGE017
个受调元的横向影响向量，
Figure 453790DEST_PATH_IMAGE023
表示恒载对第
Figure 317841DEST_PATH_IMAGE017
个受调元的竖向影响向量，
Figure 460109DEST_PATH_IMAGE024
表示第
Figure 16992DEST_PATH_IMAGE017
个受调元的竖向控制值，
Figure 628233DEST_PATH_IMAGE025
表示第
Figure 30396DEST_PATH_IMAGE017
个受调元的横向控制值，
Figure 761592DEST_PATH_IMAGE026
表示第
Figure 99163DEST_PATH_IMAGE017
个受调元的旋转控制值。
优选的是，目标索力为斜拉桥各斜拉索的成桥索力。
优选的是，步骤五包括：
将所述斜拉索张拉力和目标索力进行对比，计算各斜拉索索力调整值；
将各斜拉索的所述索力调整值代入所述影响矩阵，计算得到各斜拉索的调索收缩量。
本发明的有益效果是：
本发明通过建立斜拉桥的有限元模型，采用影响矩阵法，基于实时获取的斜拉桥各控制节点的位移量，求解得到斜拉索张拉力，进而得到斜拉索索力调整值及调索收缩量，通过对调索收缩量的实时监测有利于及时对斜拉桥的安全稳定性做出预判、制定调索方案。
附图说明
图1为本发明提供的实施例中一种斜拉桥调索非弹性收缩量智能监测方法流程图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中”、“上”、“下”、“横”、“内”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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；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。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，一种斜拉桥调索非弹性收缩量智能监测方法，包括：
S110、根据斜拉桥的结构信息建立有限元模型，并根据有限元模型求解得到各斜拉索单元的平衡方程。
采用通用有限元软件ANSYS进行建模，通过输入点，定义插值曲线，定义函数等多种方式建立有限元单元，通过输入结构信息，定义材料等方式进行模拟。
具体的，结构信息包括材料、弹性模量和泊松比。
斜拉索平衡方程为：
Figure 181389DEST_PATH_IMAGE027
;
其中，
Figure 387242DEST_PATH_IMAGE028
表示斜拉索单元的弹性模量，
Figure 992186DEST_PATH_IMAGE029
表示斜拉索横截面面积，
Figure 890871DEST_PATH_IMAGE030
表示建模长度，
Figure 194814DEST_PATH_IMAGE031
表示斜拉索角度余弦，
Figure 79724DEST_PATH_IMAGE032
表示斜拉索角度正弦，
Figure 192037DEST_PATH_IMAGE033
分别表示一组斜拉索的轴向位移，
Figure 120679DEST_PATH_IMAGE034
分别表示一组斜拉索的纵向位移，
Figure 52862DEST_PATH_IMAGE035
表示斜拉索非弹性收缩量，
Figure 475885DEST_PATH_IMAGE036
分别表示一组斜拉索的轴向荷载向量，
Figure 442704DEST_PATH_IMAGE037
分别表示一组斜拉索的轴向荷载向量，
Figure 11088DEST_PATH_IMAGE038
分别表示一组斜拉索的纵向荷载向量，
Figure 571514DEST_PATH_IMAGE039
表示斜拉索拉力。
S120、将非弹性约束变量施加于有限元模型中得到斜拉索状态模型。
斜拉桥在力学上属于为高次超静定结构，约束边界和荷载是斜拉桥的斜拉索状态的主要影响因素，因此引入非弹性约束变量为约束边界和/或荷载，并加载到有限元模型中，可以对斜拉桥进行仿真模拟，得到斜拉桥拉索状态模型。
其中，非弹性约束变量包括斜拉索位移和垂度、桥面线形、主缆线形、桥塔偏位和索鞍位置。
S130、根据斜拉索状态模型计算斜拉索张拉力对斜拉桥各控制节点位移的影响矩阵。
自定义受调向量和施调向量；
受调向量由结构中关心构件的
Figure 781915DEST_PATH_IMAGE040
个受调元组合而成的列向量，通过调值过程将这些受调元调整成某种希望达到的状态。
一个优选的实施例是，受调向量的受调元为各关键控制节点的向变量，向变量包括位移、截面应力、内力为受调向量中的几种。
施调向量由结构中可进行调整的
Figure 603241DEST_PATH_IMAGE041
个受调元组合而成的列向量，通过调整施调向量使受调向量发生变化。
一个优选的实施例是，施调向量的施调元为各斜拉索张拉力。
将施调向量施加于斜拉索状态模型，得到受调向量的应变量，以生成施调向量对所述受调向量的影响矩阵。
具体的，影响矩阵的生成过程为：
计算调值阶段整体刚度矩阵；
令施调向量中的任意施调元为单位调值量，得到相应的结构荷载阵列；
计算荷载阵列对应的任意施调元与各受调元的影响向量；
遍历施调元，得到影响矩阵。
S140、根据影响矩阵和斜拉索状态模型建立矩阵方程，实时获取斜拉桥各控制节点的向变量，并根据所述矩阵方程，依次求解得到斜拉索张拉力。
具体的，矩阵方程为：
Figure 621488DEST_PATH_IMAGE042
；
其中，
Figure 528264DEST_PATH_IMAGE043
表示第
Figure 542356DEST_PATH_IMAGE044
个施调元对第
Figure 93554DEST_PATH_IMAGE045
个受调元的竖向影响向量，
Figure 410266DEST_PATH_IMAGE046
表示第
Figure 663393DEST_PATH_IMAGE044
个施调元对第
Figure 966330DEST_PATH_IMAGE045
个受调元的横向影响向量，
Figure 762247DEST_PATH_IMAGE047
表示第
Figure 781019DEST_PATH_IMAGE044
个施调元对第
Figure 787021DEST_PATH_IMAGE045
个受调元的旋转影响向量，
Figure 18282DEST_PATH_IMAGE048
表示斜拉索张拉力，
Figure 809652DEST_PATH_IMAGE049
表示恒载对第
Figure 468166DEST_PATH_IMAGE045
个受调元的竖向影响向量，
Figure 961464DEST_PATH_IMAGE050
表示恒载对第
Figure 996417DEST_PATH_IMAGE045
个受调元的横向影响向量，
Figure 391362DEST_PATH_IMAGE051
表示恒载对第
Figure 486357DEST_PATH_IMAGE045
个受调元的竖向影响向量，
Figure 466951DEST_PATH_IMAGE052
表示第
Figure 305594DEST_PATH_IMAGE045
个受调元的竖向控制值，
Figure 805977DEST_PATH_IMAGE053
表示第
Figure 71873DEST_PATH_IMAGE045
个受调元的横向控制值，
Figure 274184DEST_PATH_IMAGE054
表示第
Figure 182097DEST_PATH_IMAGE045
个受调元的旋转控制值。
具体的，斜拉桥各控制节点的向变量通过在各关键控制节点设置应变仪、锚索计、索力传感器或弦振式索力仪等实时采集。
S150、根据斜拉索张拉力和目标索力，基于影响矩阵求解得到调索收缩量。
具体的，目标索力为斜拉桥各斜拉索的成桥索力。
首先，将斜拉索张拉力和目标索力进行对比，计算各斜拉索索力调整值；
将各斜拉索的索力调整值代入所述影响矩阵，计算得到各斜拉索的调索收缩量。
本发明通过建立斜拉桥的有限元模型，采用影响矩阵法，基于实时获取的斜拉桥各控制节点的位移量，求解得到斜拉索张拉力，进而得到斜拉索索力调整值及调索收缩量，通过对调索收缩量的实时监测有利于及时对斜拉桥的安全稳定性做出预判、制定调索方案。
以上内容仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不脱离本发明的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (10)

1.一种斜拉桥调索非弹性收缩量智能监测方法，其特征在于，包括：
步骤一、根据斜拉桥的结构信息建立有限元模型，并根据所述有限元模型求解得到各斜拉索单元的平衡方程；
步骤二、将非弹性约束变量施加于所述有限元模型中得到斜拉索状态模型；
步骤三、根据所述斜拉索状态模型计算斜拉索张拉力对斜拉桥各控制节点位移的影响矩阵；
步骤四、根据所述影响矩阵和所述斜拉索状态模型建立矩阵方程，实时获取斜拉桥各控制节点的向变量，并根据所述矩阵方程，依次求解得到斜拉索张拉力；
步骤五、根据所述斜拉索张拉力和目标索力，基于所述影响矩阵求解得到调索收缩量。
2.如权利要求1所述的斜拉桥调索非弹性收缩量智能监测方法，其特征在于，所述结构信息包括材料、弹性模量和泊松比。
3.如权利要求2所述的斜拉桥调索非弹性收缩量智能监测方法，其特征在于，所述斜拉索平衡方程为：
Figure 273183DEST_PATH_IMAGE001
;
其中，
Figure 543759DEST_PATH_IMAGE002
表示斜拉索单元的弹性模量，
Figure 826972DEST_PATH_IMAGE003
表示斜拉索横截面面积，
Figure 508489DEST_PATH_IMAGE004
表示建模长度，
Figure 978785DEST_PATH_IMAGE005
表示斜拉索角度余弦，
Figure 739804DEST_PATH_IMAGE006
表示斜拉索角度正弦，
Figure 877524DEST_PATH_IMAGE007
分别表示一组斜拉索的轴向位移，
Figure 215096DEST_PATH_IMAGE008
分别表示一组斜拉索的纵向位移，
Figure 703846DEST_PATH_IMAGE009
表示斜拉索非弹性收缩量，
Figure 909699DEST_PATH_IMAGE010
分别表示一组斜拉索的轴向荷载向量，
Figure 26560DEST_PATH_IMAGE011
分别表示一组斜拉索的轴向荷载向量，
Figure 190825DEST_PATH_IMAGE012
分别表示一组斜拉索的纵向荷载向量，
Figure 776658DEST_PATH_IMAGE013
表示斜拉索拉力。
4.如权利要求3所述的斜拉桥调索非弹性收缩量智能监测方法，其特征在于，所述非弹性约束变量包括斜拉索位移和垂度、桥面线形、主缆线形、桥塔偏位和索鞍位置。
5.如权利要求4所述的斜拉桥调索非弹性收缩量智能监测方法，其特征在于，所述步骤三包括：
自定义受调向量和施调向量；
将所述施调向量施加于所述斜拉索状态模型，得到受调向量的应变量，以生成所述施调向量对所述受调向量的影响矩阵。
6.如权利要求5所述的斜拉桥调索非弹性收缩量智能监测方法，其特征在于，所述受调向量的受调元为各关键控制节点的向变量，所述向变量包括位移、截面应力、内力为受调向量中的几种；所述施调向量的施调元为各斜拉索张拉力。
7.如权利要求6所述的斜拉桥调索非弹性收缩量智能监测方法，其特征在于，所述影响矩阵的生成过程为：
计算调值阶段整体刚度矩阵；
令施调向量中的任意施调元为单位调值量，得到相应的结构荷载阵列；
计算所述荷载阵列对应的所述任意施调元与各受调元的影响向量；
遍历所述施调元，得到影响矩阵。
8.如权利要求7所述的斜拉桥调索非弹性收缩量智能监测方法，其特征在于，所述矩阵方程为：
Figure 520623DEST_PATH_IMAGE014
；
其中，
Figure 757569DEST_PATH_IMAGE015
表示第
Figure 561577DEST_PATH_IMAGE016
个施调元对第
Figure 634707DEST_PATH_IMAGE017
个受调元的竖向影响向量，
Figure 447942DEST_PATH_IMAGE018
表示第
Figure 414761DEST_PATH_IMAGE016
个施调元对第
Figure 779883DEST_PATH_IMAGE017
个受调元的横向影响向量，
Figure 199363DEST_PATH_IMAGE019
表示第
Figure 688726DEST_PATH_IMAGE016
个施调元对第
Figure 510051DEST_PATH_IMAGE017
个受调元的旋转影响向量，
Figure 46075DEST_PATH_IMAGE020
表示斜拉索张拉力，
Figure 952851DEST_PATH_IMAGE021
表示恒载对第
Figure 717676DEST_PATH_IMAGE017
个受调元的竖向影响向量，
Figure 924666DEST_PATH_IMAGE022
表示恒载对第
Figure 506957DEST_PATH_IMAGE017
个受调元的横向影响向量，
Figure 25663DEST_PATH_IMAGE023
表示恒载对第
Figure 718813DEST_PATH_IMAGE017
个受调元的竖向影响向量，
Figure 124518DEST_PATH_IMAGE024
表示第
Figure 877710DEST_PATH_IMAGE017
个受调元的竖向控制值，
Figure 883712DEST_PATH_IMAGE025
表示第
Figure 646132DEST_PATH_IMAGE017
个受调元的横向控制值，
Figure 171922DEST_PATH_IMAGE026
表示第
Figure 830437DEST_PATH_IMAGE017
个受调元的旋转控制值。
9.如权利要求8所述的斜拉桥调索非弹性收缩量智能监测方法，其特征在于，所述目标索力为斜拉桥各斜拉索的成桥索力。
10.如权利要求9所述的斜拉桥调索非弹性收缩量智能监测方法，其特征在于，所述步骤五包括：
将所述斜拉索张拉力和目标索力进行对比，计算各斜拉索索力调整值；
将各斜拉索的所述索力调整值代入所述影响矩阵，计算得到各斜拉索的调索收缩量。
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