CN115828675B - 一种基于背向支撑系统的斜塔应力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于背向支撑系统的斜塔应力控制方法，涉及桥梁建筑领域，该方法根据斜塔施工进程分阶段架设背向支撑系统；在背向支撑系统上测点位置处安装振弦式应变传感器，并将传感器采集的实时应变和温度变化数据传递到PC端；PC端根据斜塔及背撑设计图纸建立斜塔及背撑有限元模型；将数据输入有限元模型中进行有限元分析，计算出背撑高度调整量，从而利用千斤顶装置主动调整背撑系统的高度，并反馈修正斜塔及背撑有限元模型，控制斜塔应力始终在允许范围内。本发明通过背撑系统进行主动温度补偿，节省了钢材用量、降低了施工成本，并通过主动温度补偿消除了温度变化对于背撑系统及斜塔力学状态的不利影响。

Description

一种基于背向支撑系统的斜塔应力控制方法

技术领域

本发明涉及桥梁建筑技术领域，特别是涉及一种基于背向支撑系统的斜塔应力控制方法。

背景技术

斜塔是独塔斜拉桥结构体系的关键构件，它的设计构思本质上是利用倾斜索塔的自重来代替部分(有背索)或者全部(无背索)边跨拉索的作用。独塔斜塔斜拉桥按塔的倾斜方向可分为向主跨倾斜和向边跨倾斜，按索面布置形式又可分为有背索布置和无背索布置两种。相较于普通斜拉桥来说，独塔斜塔斜拉桥不仅具有结构轻盈、线形流畅的特点，而且倾斜的桥塔更给人带来了不对称的美感和强大的视觉冲击力。然而，相较于直塔斜拉桥来说，斜塔由于塔身的倾斜，自重作用会对桥塔的根部产生较大的弯矩，从而对施工和设计提出了更高技术要求。

斜塔斜拉桥施工通常采用的方法是在斜塔倾斜一侧安装临时支撑结构以抵抗斜塔重力在塔根处产生的倾覆力矩。临时支撑对斜塔变形起到约束作用，对斜塔产生一个约束力，被动地消除后续施工对斜塔产生的不利弯矩，这种方法不能完全消除临时支撑设置前施工产生的不利影响，在成桥阶段临时支撑拆除后桥塔根部处仍然有残余应力存在。同时，随着塔柱施工节段不断升高，自重荷载不断增加，需要设置很多道临时支撑来保证桥塔应力安全，这样既增加了钢材的用量，又需要更多的人力和工时。同时，临时支撑结构对于环境因素特别是温度变化较为敏感，昼夜温差及季节变化将会导致临时支撑结构的高度发生相应变化，进而通过临时支撑结构上支点影响斜塔的拉压应力，对桥梁结构产生不利影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于背向支撑系统的斜塔应力控制方法，以通过斜塔背向支撑系统进行主动温度补偿，节省钢材用量、降低施工成本，并通过主动温度补偿消除温度变化对于背向支撑系统及斜塔力学状态的不利影响。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于背向支撑系统的斜塔应力控制方法，包括：

根据斜塔施工进程分阶段架设背向支撑系统；所述背向支撑系统包括背向支撑装置和千斤顶装置；

在背向支撑系统上的预设测点位置处安装振弦式应变传感器，并将振弦式应变传感器采集的实时应变和温度变化数据传递到PC端；

PC端根据斜塔及背撑设计图纸建立斜塔及背撑有限元模型；

将所述实时应变和温度变化数据输入所述斜塔及背撑有限元模型中进行有限元分析，计算出背撑高度调整量；

根据所述背撑高度调整量，利用所述千斤顶装置主动调整所述背向支撑系统的高度，并反馈修正所述斜塔及背撑有限元模型，控制斜塔应力始终在允许范围内。

可选地，所述根据斜塔施工进程分阶段架设背向支撑系统，具体包括：

根据斜塔施工进程，分阶段架设三道背向支撑系统；其中第一道背向支撑系统的下支点位于地面上，其背向支撑装置包括沿纵桥向设置的三排斜撑，每排斜撑分为左右两组，左右两组斜撑呈八字形沿桥梁对称布置；

第二道背向支撑系统的下支点位于混凝土主梁上，其背向支撑装置包括沿纵桥向设置的三排立杆，其中前两排立杆呈垂直状设置，第三排立杆呈倾斜状设置；每排立杆分为左右两组，左右两组立杆对称布置；

第三道背向支撑系统的下支点位于混凝土主梁上，其背向支撑装置包括沿纵桥向设置的三排立杆，其中前两排立杆呈垂直状设置，第三排立杆呈倾斜状设置；每排立杆分为左右两组，左右两组立杆对称布置。

可选地，所述第三道背向支撑系统的高度大于所述第二道背向支撑系统的高度；所述第三道背向支撑系统中左右两组立杆的间距小于所述第二道背向支撑系统中左右两组立杆的间距。

可选地，每道背向支撑系统的上支点与斜塔之间均设置有对应的千斤顶装置。

可选地，所述在背向支撑系统上的预设测点位置处安装振弦式应变传感器，具体包括：

在第一道背向支撑系统的第二排斜撑的左右两组斜撑上分别设置6个测点，在第二道背向支撑系统的第二排立杆的左右两组立杆上分别设置6个测点，在第三道背向支撑系统的第二排立杆的左右两组立杆上分别设置6个测点，在36个测点位置处均安装振弦式应变传感器。

可选地，所述PC端根据斜塔及背撑设计图纸建立斜塔及背撑有限元模型，具体包括：

PC端根据斜塔及背撑设计图纸，将斜塔及背向支撑系统均采用梁单元进行模拟，对截面网格进行适当划分，在斜塔变截面处设置过渡单元，建立出斜塔及背撑有限元模型。

可选地，所述将所述实时应变和温度变化数据输入所述斜塔及背撑有限元模型中进行有限元分析，计算出背撑高度调整量，具体包括：

将所述实时应变和温度变化数据输入所述斜塔及背撑有限元模型中进行有限元分析，计算得到该实时应变和温度变化下三道背向支撑系统的变形量作为对应的背撑高度调整量。

可选地，所述根据所述背撑高度调整量，利用所述千斤顶装置主动调整所述背向支撑系统的高度，具体包括：

利用三道背向支撑系统各自对应的千斤顶装置，沿与三道背向支撑系统的变形量相反的方向主动调整三道背向支撑系统的高度至对应的背撑高度调整量。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种基于背向支撑系统的斜塔应力控制方法，所述方法包括：根据斜塔施工进程分阶段架设背向支撑系统；所述背向支撑系统包括背向支撑装置和千斤顶装置；在背向支撑系统上的预设测点位置处安装振弦式应变传感器，并将振弦式应变传感器采集的实时应变和温度变化数据传递到PC端；PC端根据斜塔及背撑设计图纸建立斜塔及背撑有限元模型；将所述实时应变和温度变化数据输入所述斜塔及背撑有限元模型中进行有限元分析，计算出背撑高度调整量；根据所述背撑高度调整量，利用所述千斤顶装置主动调整所述背向支撑系统的高度，并反馈修正所述斜塔及背撑有限元模型，控制斜塔应力始终在允许范围内。本发明方法将传感器实测数据与有限元分析有机结合进行斜塔应力控制，过程科学合理，控制效果显著；通过千斤顶装置对斜塔背向支撑系统进行主动温度补偿，节省了钢材用量并降低了施工成本。采用本发明方法能够消除温度变化对于背向支撑系统及斜塔力学状态的不利影响，确保了斜塔底部倾覆力矩与拉应力始终处于合理应力状态，避免了出现裂缝，保证了斜塔施工质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，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为本发明一种基于背向支撑系统的斜塔应力控制方法的流程图；

图2为本发明一种基于背向支撑系统的斜塔应力控制方法的技术路线图；

图3为本发明背向支撑系统的总体结构示意图；

图4为本发明背向支撑系统中千斤顶装置的结构示意图；

图5为本发明振弦式应变传感器安装的测点位置分布示意图；

图6为本发明振弦式应变传感器安装示意图；

图7为本发明振弦式应变传感器结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种基于背向支撑系统的斜塔应力控制方法，以通过斜塔背向支撑系统进行主动温度补偿，节省钢材用量、降低施工成本，并通过主动温度补偿消除温度变化对于背向支撑系统及斜塔力学状态的不利影响。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明一种基于背向支撑系统的斜塔应力控制方法的流程图；图2为本发明一种基于背向支撑系统的斜塔应力控制方法的技术路线图。参见图1和图2，本发明一种基于背向支撑系统的斜塔应力控制方法，包括：

步骤1：根据斜塔施工进程分阶段架设背向支撑系统；所述背向支撑系统包括背向支撑装置和千斤顶装置。

本发明所述的斜塔为非对称独塔单索面斜拉桥主塔，且塔身倾斜，利用自重来代替部分边跨拉索的作用。斜塔作为独塔斜拉桥结构体系的关键构件，设计构思是利用倾斜索塔的自重来代替部分或者全部边跨拉索的作用；斜塔施工时通常在其倾斜一侧安装临时支撑结构以抵抗斜塔重力在塔根处产生的倾覆力矩并对斜塔产生约束作用。然而由于斜塔的施工周期较为漫长，昼夜温差以及季节温度的变化会导致背向支撑结构发生伸缩变形，进而影响斜塔内部的应力状态，对其造成不利影响。因此为确保施工过程中斜塔结构的安全及合理力学状态，便于在温度变化情况下主动调整临时支撑结构的高度，本发明提出一种基于背向支撑系统的斜塔应力控制方法。该背向支撑系统共分为三道，分别在斜塔的不同施工阶段进行设置。每道背向支撑系统均包括背向支撑装置和千斤顶装置，主要由钢管、液压千斤顶、支架及分配梁等结构组成。

根据设计图纸进行斜塔的施工，为消除无索区段主塔施工过程中由于斜塔自身重量在塔底产生倾覆力矩和较大的拉应力的影响，避免出现裂缝，需分阶段设置背向支撑。进一步，本发明共设置三道背向钢桩支撑，每道支撑分为左右两组布置，根据斜塔施工进度，在桥塔施工到相应高度时分别安装三道由钢管(及其平联、纵联)、液压千斤顶、桩顶支架、分配梁等组成的背向支撑系统。

图3为本发明背向支撑系统的总体结构示意图。参见图3，根据斜塔施工进程，分阶段架设三道背向支撑(简称背撑)系统。其中第一道背向支撑系统(图3中示出为支撑1)的下支点位于地面上，其背向支撑装置包括沿纵桥向设置的三排斜撑，每排斜撑分为左右两组，左右两组斜撑呈八字形沿桥梁对称布置；可参见图5更清晰地示出。第二道背向支撑系统(图3中示出为支撑2)的下支点位于混凝土主梁上，其背向支撑装置包括沿纵桥向设置的三排立杆，其中前两排立杆呈垂直状设置，第三排立杆呈倾斜状设置；每排立杆分为左右两组，左右两组立杆对称布置；可参见图5更清晰地示出。第三道背向支撑系统(图3中示出为支撑3)的下支点位于混凝土主梁上，其背向支撑装置包括沿纵桥向设置的三排立杆，其中前两排立杆呈垂直状设置，第三排立杆呈倾斜状设置；每排立杆分为左右两组，左右两组立杆对称布置；可参见图5更清晰地示出。因此也可以说，在无索区塔柱设置的三道背向支撑系统中，每道背撑系统分为左右两组布置，每组背撑包括三排。如图3所示，所述第三道背向支撑系统的高度大于所述第二道背向支撑系统的高度；并且所述第三道背向支撑系统中左右两组立杆的间距小于所述第二道背向支撑系统中左右两组立杆的间距。即，第三道背向支撑系统位于第二道背向支撑系统的左右两组立杆之间。

根据设计图纸进行斜塔的施工，采用液压爬模系统逐段现浇施工，无索区段主塔施工过程中，由于斜塔身自重影响将在塔底产生倾覆力矩和较大的拉应力，并随着塔身的升高，塔柱纵桥向的倾覆力矩将进一步增加，同时在斜拉索挂索过程中，水平分力的不对称性，加剧了倾覆力矩和拉应力的发展，为避免出现裂缝，在无索区段塔柱施工过程中需要分阶段设置背向斜撑。

斜塔背向支撑系统施工时所采用的主要材料为钢材，主要有由钢管(及其平联、纵联)、液压千斤顶、钢桩顶支架、钢反力架、钢分配梁、钢垫梁等组成。如图3所示，本发明设置的第一道背向支撑下支点在地面上；第二、三道背向支撑下支点在桥面上；三道背撑上支点距主梁顶面高度依次增加，每道背撑采用钢管进行平联和斜联组成架体。斜塔柱端对应支点位置，在其内部设预埋件，并与钢反力架焊接连接；反力架由斜撑与横撑组成，斜撑与预埋件相连接，横撑下端设置钢垫梁并与千斤顶装置相连。

如图3及图5所示，第一道背向支撑装置纵桥向有三排，每排共有4根斜撑，左右八字形沿桥梁对称布置。全部斜撑落在地面上，落于地面上的横桥向内侧斜撑距承台中心19.39m，外侧斜撑距内侧斜撑3m；位于主塔上的横桥向内侧斜撑距承台中心10.14m，外侧斜撑距内侧斜撑3m。落于地面上的纵桥向三排斜撑，第一排距承台中心13m，第二排距承台中心15m，第三排距承台中心24.34m。横桥向斜撑左右对称布置，第一排距桥轴线19.39m，第二排距桥轴线22.45m。

第二道背向支撑装置纵桥向有三排，每排共有4根立杆，左右侧竖直对称布置。全部立杆柱脚落在混凝土主梁上，纵桥向前2排呈垂直状，第3排呈斜向面置，与桥面交角72°。纵桥向第一排立杆距承台中心10.75m，第二排距第一排中心2m，第三排距第二排10.98m。横桥向立杆左右对称布置，第一排距桥轴线6.11m，第二排距桥轴线9.11m。

第三道背向支撑装置纵桥向有三排，每排共有4根立杆，左右侧竖直对称布置。全部立杆柱脚落在混凝土主梁上，纵向上前2排呈垂直状，第3排呈斜向面置，与桥面交角79°。纵桥向第一排立杆距承台中心15.86m，第二排距第一排中心2m，第三排距第二排9.24m。横桥向立杆左右对称布置，第一排距桥轴线1.6m，第二排距桥轴线4.2m。

为利于背向支撑反力传递到主梁现浇支架上，在钢管支撑柱脚点对应桥面位置的主梁箱室内设置内支撑，内支撑钢管数量、直径同外斜撑一一对应，内支撑中部设一道平联，下端与梁体内箱内底板预埋件焊牢固定，上端设置钢质卸落调节块，内支撑在梁体混凝土顶板浇筑后处于受力状态，整个斜支撑施工和使用过程，梁体现浇支架始终存在。

图4为本发明背向支撑系统中千斤顶装置的结构示意图。参见图3和图4，本发明在每道背向支撑系统的上支点与斜塔之间均设置有对应的千斤顶装置。增加千斤顶装置的背向支撑系统可主动调整自身高度，避免后期再设置临时支撑，节省钢材用量并降低施工成本。千斤顶装置属于背向支撑系统，安装在背向支撑上方，并通过塔柱反力架与斜塔相连接，其装置示意图如图4所示。

参见图4，千斤顶装置主要包括桩顶纵梁、斜撑钢板、分配梁、千斤顶、限位支架、垫梁及枕梁等组成构件。每组背撑顶端设有桩顶纵梁，纵梁上部设置分配梁，并在其上安放液压千斤顶，通过垫梁与焊接在塔柱预埋件上的反力架相连；枕梁确保千斤顶装置的安全，同时垫梁与枕梁之间设置可调节钢楔块，可调节千斤顶装置与反力架垫梁间的高度，并避免千斤顶装置始终处于受力状态。牛腿装置可增强桩顶支架与背向支撑间的连接，确保背撑的稳定性及安全；限位支架确保垫梁与千斤顶始终处于同一竖直面内。可通过千斤顶调节背向支撑系统的高度，以确保钢管受力时的架体稳定性和轴向抗压能力满足要求。

步骤2：在背向支撑系统上的预设测点位置处安装振弦式应变传感器，并将振弦式应变传感器采集的实时应变和温度变化数据传递到PC端。

在斜塔的临时背向支撑系统架设完毕后，在其结构表面共设置36个测点。所述的振弦式应变传感器安装在背向支撑装置表面的预设测点位置处，并外接导线，可将各测点的应变及温度变化数据实时传递到PC端。根据情况，在左右斜撑或立杆上各设置6个测点，沿横桥向两根斜撑或立杆上各设置3个测点，且测点均位于纵桥向的第二排立杆上，每根斜撑或立杆上的3个测点沿其高度方向均匀分布。

图5为本发明振弦式应变传感器安装的测点位置分布示意图。参见图5，本发明在第一道背向支撑系统的第二排斜撑的左右两组斜撑上分别设置6个测点，在第二道背向支撑系统的第二排立杆的左右两组立杆上分别设置6个测点，在第三道背向支撑系统的第二排立杆的左右两组立杆上也分别设置6个测点，在该36个测点位置处均安装振弦式应变传感器。

图6为本发明振弦式应变传感器安装示意图。确定测量应变及温度数据需要的测点后，在相应测点上按照图6所示的方式安装振弦式应变传感器，并外接导线，将各测点的应变及温度数据实时传递到PC端。具体地，可以将振弦式应变传感器的安装支架焊接或者粘贴在斜塔背向支撑系统表面测点处。

本发明在背向支撑沿高度方向，在左右斜撑或立杆上各设置6个测点，并在相应测点上安装振弦式应变传感器，并外接导线，将各测点的应变及温度数据实时传递到PC端。进一步，考虑温度修正后，结合温度变化，将所获得的各个测点应变数据进行处理。

考虑温度修正的应变计算过程如下：

将一根金属丝两端固定然后张拉，金属丝内部将产生一定的张力，此时金属丝的固有振动频率与其内部张力就具有一定的定量关系，根据动力学原理可以得到金属丝振动公式为：

其中f为金属丝的振动频率；c＝0,1,2,…；σ为金属丝内部张力；ρ为金属丝密度；l为金属丝长度。

图7为本发明振弦式应变传感器结构示意图。参见图7，一根金属钢丝弦两端被安装支架固定，外部有一金属管作为金属外壳起支撑和保护作用，金属管的中间位置有一个激励线圈和测温电阻(通常为热敏电阻)，用一个脉冲电压信号去激励线圈，线圈中将产生变化的磁场，钢丝弦在磁场的作用下产生衰减振动，振动的频率为钢丝弦的固有频率，见式(1)，此时c＝1。当被测结构物内部的应力发生变化时，应变传感器同步感受变形，变形通过两侧安装支架传递给振弦，转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物内部的应变量，同时可同步测出测点的温度值。

振弦式应变传感器的安装示意图如图6所示，应变传感器的有效长度为L，由于其支架安装在背向支撑表面，会把被测物L长度范围内的变形量ΔL作用到振弦式应变传感器上，使振弦式应变传感器长度发生同等变化，从而改变应变传感器内部弦的松紧度，使测量到的钢弦振动频率发生变化，由此可以得出ΔL与频率的平方成正比关系，即与频率模数F的线性关系，而计算需要的是应变ε与频率模数的线性关系，所以根据应变计算公式ε＝ΔL/L，可直接得到以下公式：

ε＝k×(F-F₀) (2)

其中ε为被测结构物的应变；k为传感器的灵敏度系数；F为传感器的实测模数值；F₀为模数的基准值。频率模数的单位为Hz²，一般传感器都会用频率的平方×系数来得到物理量(如应变)，频率模数即为频率数据的一个计算量。

上述公式(2)是假设被测物和振弦式应变传感器不受温度影响的情况，但实际上，任何材料的体积都会随温度变化而发生轻微改变，绝大多数是热胀冷缩，且不同的材料的伸缩率各不相同。当温度恒定时，振弦(钢弦)的张力与应变有着确定的关系，当应变产生时，振弦的张力会发生相应变化。但当无应变产生而温度存在变化时，也会使振弦的张力产生变化。温度升高，被测物伸长，振弦张力降低；温度降低，被测物缩短，振弦张力升高。这时无法分辨振弦的频率变化是由于外界温度变化还是有外界形变(应变)引起的。因此需考虑振弦热膨胀和应变同时存在的情况，其应变基本运算公式如下：

其中

m为钢弦(金属丝)单位长度的重量；l为钢弦长度；E_s为钢弦的弹性模量；A为钢弦的截面积。f为钢弦振动频率；α为振弦金属材料的热膨胀系数；ΔT表示传感器本身的温度变化。

除计算振弦本身的热膨胀外，由于昼夜温差及季节变化所产生的巨大温度变化对于被测结构物自身会产生更大的影响，假设温度升高，热胀冷缩会导致被测物L长度内产生ΔL的伸长，因此产生了应变，实际计算时，应把这部分因为温度变化产生的应变给去除，以得到温度修正公式：

ε＝＝k₁f²+ΔTα-ΔT₁β (4)

其中β为被测结构物的热膨胀系数；ΔT₁表示被测结构物表面的温度变化。在实际情况中，ΔT与ΔT₁往往不相等，但其差值较小，可近似认为相等。

有了应变，再乘以被测结构物的弹性模量即可计算出振弦内部张力：

σ′＝ε×E(5)

其中σ′为振弦内部张力；E为被测结构物的弹性模量。

振弦式应变传感器的工作原理及工作特性如上文所述，将振弦式应变传感器采集的实时应变和温度变化数据传递到PC端后，按照式(4)计算温度修正后的背向支撑各测点处的应变值ε，并可根据式(5)计算得到结构应力信息。

步骤3：PC端根据斜塔及背撑设计图纸建立斜塔及背撑有限元模型；

根据斜塔及背向支撑系统的相应设计图纸信息，可以建立背向支撑系统及斜塔的整体有限元模型。

具体地，PC端根据斜塔及背撑设计图纸，将斜塔及背向支撑系统均采用梁单元进行模拟，并保证截面网格的划分较为适当，在斜塔变截面处设置过渡单元，利于结构计算结果，提高准确性，从而建立出斜塔及背撑有限元模型。

步骤4：将所述实时应变和温度变化数据输入所述斜塔及背撑有限元模型中进行有限元分析，计算出背撑高度调整量。

有限元模型建立完成后，将上述振弦式应变传感器所测得的应变及温度变化数据进行处理后输入到模型中，进行有限元分析，分析内容主要包括以下三个方面：温度变化对于背向支撑的影响，即温度变化时背向支撑系统的变形如何；斜塔各处的应力，特别是塔底处的拉应力是否超出限制范围；温度变化后由于背向支撑装置与斜塔间通过千斤顶装置连接而对于斜塔所产生的影响，即桥塔及背向支撑的拉、压应力大小。

因此，将所述实时应变和温度变化数据输入所述斜塔及背撑有限元模型中进行有限元分析，可以计算得到该实时应变和温度变化下三道背向支撑系统的变形量作为对应的背撑高度调整量。

通过有限元分析结果获得背向支撑高度所需调整量后，可以对其背向支撑高度进行优化。根据模型计算所得到的温度变化下三道背向支撑的变形量，反向施加于背向支撑系统中，即为背向支撑系统高度所需的调整量。输出所需调整量，并利用各道背撑顶部的千斤顶装置调整各个背向支撑系统高度，进行主动温度补偿，保证在施工过程中桥塔的变形与应力状态未超出限制值，即为消除温度变化对于背向支撑系统及斜塔力学状态的不利影响。本发明将实测数据与有限元分析相结合，过程合理，结果可信度高。

步骤5：根据所述背撑高度调整量，利用所述千斤顶装置主动调整所述背向支撑系统的高度，并反馈修正所述斜塔及背撑有限元模型，控制斜塔应力始终在允许范围内。

每道背向支撑系统均设置了千斤顶装置，通过应力以及温度变化数据输入，在有限元模型中可计算得到相应变化下背向支撑的变形量，为确保桥塔各点的高程不变，千斤顶装置的调整量在数量上等于有限元模型所计算得到的变形量，但二者符号相反。因此，本发明利用三道背向支撑系统各自对应的千斤顶装置，沿与三道背向支撑系统的变形量相反的方向主动调整三道背向支撑系统的高度至对应的背撑高度调整量。可见本发明可根据各施工阶段及环境因素如温度变化主动调整背撑高度，基于振弦式传感器实测数据，与有限元模型有机结合，并通过千斤顶装置主动调整背撑装置，能够确保桥塔底部倾覆力矩与拉应力始终处于合理范围内。

最后，根据调整后的背向支撑系统，利用振弦式应变传感器将实时的应变及温度变化数据再次输入有限元模型，反馈修正有限元分析结果，获得更为合理的斜塔应力状态，特别需要注意塔底部控制截面的倾覆力矩与拉应力，以及背向支撑与桥塔连接处截面复杂的拉、压应力状况，以确保结构安全。

本发明所述的桥塔应力控制方法通过振弦式应变传感器测的应变及温度变化数据与背撑及斜塔有限元模型相结合，利用有限元模型计算背撑高度调整量，背撑高度调整后反馈修正有限元模型，将各结构构件的拉、压应力控制在合理范围内。输出所需调整量，并利用千斤顶装置主动调整各个背向支撑系统高度，进行主动温度补偿。所述的主动温度补偿主要根据实时应变及温度变化数据进行有限元分析，并利用计算结果通过千斤顶装置调整背向支撑高度来实现，以消除温度变化对于斜塔的不利影响。根据调整后的背向支撑系统，通过振弦式传感器将相关数据再次输入有限元模型，反馈修正有限元分析结果。通过有限元分析结果与实测数据相结合，进行实时监测，控制斜塔应力状态特别是塔底部倾覆力矩与拉应力始终处于合理范围。可见本发明将实测数据与有限元分析相结合，过程科学合理，控制效果显著，能够确保桥塔关键截面处应力状态合理，避免裂缝出现。

本发明一种基于背向支撑系统的斜塔应力控制方法，首先安装背向支撑系统并在相应测点位置安装振弦式应变传感器，将该背向支撑系统各处的实时应变、温度变化信息传递到PC端，然后根据施工图纸建立斜塔及背撑有限元模型，利用处理后的应变及温度变化数据进行结构有限元分析，计算需要调整的变形量并对背撑高度进行优化，最终利用千斤顶装置主动调整背向支撑系统高度，根据调整高度后背向支撑系统的实测数据再反馈修正有限元模型，以获得最小的施工误差，使斜塔的应力始终控制在允许范围内，消除温度变化对于背向支撑系统及斜塔的不利影响。本发明方法将传感器实测数据与有限元分析有机结合的斜塔应力控制方法，过程科学合理，控制效果显著；根据有限元模型修正背向支撑高度，确保结构始终处于合理应力状态，有效避免了斜塔裂缝出现，保证了斜塔施工质量；通过千斤顶装置对斜塔背向支撑系统进行主动温度补偿，节省了钢材用量并降低了施工成本；主动温度补偿可消除温度变化对于背向支撑系统及斜塔力学状态的不利影响，提高了斜塔结构稳定性和安全性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于背向支撑系统的斜塔应力控制方法，其特征在于，包括：

根据斜塔施工进程分阶段架设背向支撑系统；所述背向支撑系统包括背向支撑装置和千斤顶装置；

在背向支撑系统上的预设测点位置处安装振弦式应变传感器，并将振弦式应变传感器采集的实时应变和温度变化数据传递到PC端；

PC端根据斜塔及背撑设计图纸建立斜塔及背撑有限元模型；

将所述实时应变和温度变化数据输入所述斜塔及背撑有限元模型中进行有限元分析，计算出背撑高度调整量；

根据所述背撑高度调整量，利用所述千斤顶装置主动调整所述背向支撑系统的高度，并反馈修正所述斜塔及背撑有限元模型，控制斜塔应力始终在允许范围内。

2.根据权利要求1所述的基于背向支撑系统的斜塔应力控制方法，其特征在于，所述根据斜塔施工进程分阶段架设背向支撑系统，具体包括：

根据斜塔施工进程，分阶段架设三道背向支撑系统；其中第一道背向支撑系统的下支点位于地面上，其背向支撑装置包括沿纵桥向设置的三排斜撑，每排斜撑分为左右两组，左右两组斜撑呈八字形沿桥梁对称布置；

第二道背向支撑系统的下支点位于混凝土主梁上，其背向支撑装置包括沿纵桥向设置的三排立杆，其中前两排立杆呈垂直状设置，第三排立杆呈倾斜状设置；每排立杆分为左右两组，左右两组立杆对称布置；

第三道背向支撑系统的下支点位于混凝土主梁上，其背向支撑装置包括沿纵桥向设置的三排立杆，其中前两排立杆呈垂直状设置，第三排立杆呈倾斜状设置；每排立杆分为左右两组，左右两组立杆对称布置。

3.根据权利要求2所述的基于背向支撑系统的斜塔应力控制方法，其特征在于，所述第三道背向支撑系统的高度大于所述第二道背向支撑系统的高度；所述第三道背向支撑系统中左右两组立杆的间距小于所述第二道背向支撑系统中左右两组立杆的间距。

4.根据权利要求2所述的基于背向支撑系统的斜塔应力控制方法，其特征在于，每道背向支撑系统的上支点与斜塔之间均设置有对应的千斤顶装置。

5.根据权利要求2所述的基于背向支撑系统的斜塔应力控制方法，其特征在于，所述在背向支撑系统上的预设测点位置处安装振弦式应变传感器，具体包括：

在第一道背向支撑系统的第二排斜撑的左右两组斜撑上分别设置6个测点，在第二道背向支撑系统的第二排立杆的左右两组立杆上分别设置6个测点，在第三道背向支撑系统的第二排立杆的左右两组立杆上分别设置6个测点，在36个测点位置处均安装振弦式应变传感器。

6.根据权利要求1所述的基于背向支撑系统的斜塔应力控制方法，其特征在于，所述PC端根据斜塔及背撑设计图纸建立斜塔及背撑有限元模型，具体包括：

PC端根据斜塔及背撑设计图纸，将斜塔及背向支撑系统均采用梁单元进行模拟，对截面网格进行适当划分，在斜塔变截面处设置过渡单元，建立出斜塔及背撑有限元模型。

7.根据权利要求2所述的基于背向支撑系统的斜塔应力控制方法，其特征在于，所述将所述实时应变和温度变化数据输入所述斜塔及背撑有限元模型中进行有限元分析，计算出背撑高度调整量，具体包括：

将所述实时应变和温度变化数据输入所述斜塔及背撑有限元模型中进行有限元分析，计算得到该实时应变和温度变化下三道背向支撑系统的变形量作为对应的背撑高度调整量。

8.根据权利要求7所述的基于背向支撑系统的斜塔应力控制方法，其特征在于，所述根据所述背撑高度调整量，利用所述千斤顶装置主动调整所述背向支撑系统的高度，具体包括：

利用三道背向支撑系统各自对应的千斤顶装置，沿与三道背向支撑系统的变形量相反的方向主动调整三道背向支撑系统的高度至对应的背撑高度调整量。

Images