CN117634233A - 一种基于无应力状态的桁架拱桥分阶段施工智能监控方法 - Google Patents

Abstract

一种基于无应力状态的桁架拱桥分阶段施工智能监控方法，涉及一种桥梁施工监控方法。吊杆结构无应力状态长度构建；合理成桥状态吊杆力确定；求解合理成桥状态下吊杆结构无应力状态长度；桥梁施工过程实际状态获取；实际施工中吊杆力变化量确定；施工状态有限元参数修正；吊杆结构无应力状态长度的迭代修正。考虑了桁架拱结构的无应力状态，有助于提高不同阶段施工的安全性和可靠性，而且计算过程简单高效，提高施工效率，更好的进行成本控制。

Description

一种基于无应力状态的桁架拱桥分阶段施工智能监控方法

技术领域

本发明涉及一种桥梁施工监控方法，尤其是一种基于无应力状态的桁架拱桥分阶段施工智能监控方法，属于桥梁施工技术领域。

背景技术

在大跨度桥梁和钢结构工程领域，桁架拱作为一种卓越的桥梁结构形式，以出色的承重能力和独特的美学特点而备受关注。然而，尽管桁架拱在城市基础设施建设中应用愈加广泛，但其施工工艺却相对复杂，传统施工的控制和计算方法存在以下问题：

(1)计算要求程度深：桁架拱的设计和施工需要大量复杂的计算，而传统的计算方法耗时耗力，容易出现错误；

(2)实时监控难度大：确保桁架拱的结构稳定性需要实时监控，然而，传统的监测方法通常只能在特定时间间隔内进行，无法提供持续的数据，需要耗费大量的人力和时间；

(3)专业技能需求强：传统桁架拱的施工控制对专业化要求更高，导致分阶段施工过程中监控的复杂性；

(4)误差风险出现高：人工计算和调整容易引入误差，导致更频繁的修复工作和可能的重新设计，会延长施工周期，增加项目成本，降低施工效率，也不利于整个工程的安全性；

因此，针对桁架拱亟需一种高效便捷的施工控制方案，来简化桁架拱施工的复杂性，减少计算工作量，以提高工程的施工效率和质量。

发明内容

为解决背景技术存在的不足，本发明提供一种基于无应力状态的桁架拱桥分阶段施工智能监控方法，它考虑了桁架拱结构的无应力状态，有助于提高不同阶段施工的安全性和可靠性，而且计算过程简单高效，提高施工效率，更好的进行成本控制。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种基于无应力状态的桁架拱桥分阶段施工智能监控方法，包括以下步骤：

步骤一：吊杆结构无应力状态长度构建

若各吊杆结构轴向变形量已知，则各吊杆结构在无应力状态下的长度可通过下式计算：

式中，为吊杆结构在无应力状态下的长度，L^e为吊杆结构在有应力状态下的长度，其通过实际测量获取，Δ_N为吊杆结构轴向变形量；

步骤二：合理成桥状态吊杆力确定

将桁架拱桥的吊杆结构离散为同等数量的吊杆单元，在有限元软件中，将各吊杆单元切断暴露出吊杆力x₁、x₂,…,x_n，以吊杆单元切断后的其余桥梁结构作为基本结构，基本结构的内力用吊杆力进行表示以确定合理成桥状态，则：

式中，分别为第i根吊杆力为单位集中力时基本结构产生的轴力、剪力、弯矩，N_P、S_P、M_P分别为外荷载P作用下基本结构产生的轴力、剪力、弯矩；

记基本结构的弹性模量为E，截面面积为A，截面惯性矩为I，剪切模量为G，则基本结构在自重荷载和吊杆力作用下引起的能量为：

式中，x_i为第i根吊杆力，i＝1,2,...,n，x_j为除第i根吊杆力外其余任一第j根吊杆力，δ_ii为第i根吊杆力作用下该吊杆单元对应的基本结构位置处产生的位移，δ_ij为第j根吊杆力作用下第i根吊杆单元对应的基本结构位置处产生的位移，Δ_iP为外荷载P作用下第i根吊杆单元对应的基本结构位置处产生的位移，计算如下：

式中，分别为第j根吊杆力为单位集中力时基本结构产生的轴力、剪力、弯矩；

为使J最小，则需要满足：

通过求解即可得到合理成桥状态下各吊杆力x₁、x₂,…,x_n的解；

步骤三：求解合理成桥状态下吊杆结构无应力状态长度

由于吊杆力作用各吊杆结构将产生轴向变形量：

根据步骤一获得合理成桥状态下各吊杆结构在无应力状态下的长度：

式中，E₀为吊杆结构的弹性模量，A₀为吊杆结构的截面面积；

步骤四：桥梁施工过程实际状态获取

结合实际施工需求在桥梁各吊杆结构以及桥梁主梁选择的测点位置布置传感器，按顺序依次张拉桥梁各吊杆结构，基于传感器分别获取每次张拉施工后该吊杆结构的实际吊杆力x_i'以及此时桥梁主梁各测点的实际挠度；

步骤五：实际施工中吊杆力变化量确定

实际张拉过程中认为吊杆结构的截面面积A₀和弹性模量E₀不发生改变，可知：

通过上式可求得则：

式中，ΔT_a→b为实际吊杆力与合理成桥状态下吊杆力的变化量；

步骤六：施工状态有限元参数修正

施工过程中会导致桥梁结构的容重、二期恒载和基本结构的弹性模量存在偏差，在有限元软件中通过下式进行修正：

其中，

Y_Q＝[y₁,y₂,…,y_Q]^T

式中，为修正量，由容重修正量/>基本结构的弹性模量修正量/>和二期恒载修正量/>组成，Φ_Q为容重、基本结构的弹性模量和二期恒载的影响矩阵， 和/>分别为测点位置处由于容重、基本结构的弹性模量和二期恒载改变而引发的挠度改变量，Y_Q为挠度误差向量，y₁,y₂,…,y_Q为测点位置处有限元理论挠度与步骤四测得的实际挠度的差值；

步骤七：吊杆结构无应力状态长度的迭代修正

结合实际施工过程中吊杆结构的实际吊杆力x_i'、无应力状态长度以及有限元软件修正后的容重、基本结构的弹性模量和二期恒载，在有限元软件中重复执行步骤二至步骤三进行修正，重新获得余下未张拉吊杆结构修正后的吊杆力以及无应力状态长度，同时，进行新吊杆结构的张拉，每次张拉新吊杆结构时，重复执行步骤四至步骤六，直至施工结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明过无应力状态监测来实现施工过程的安全控制，首先考虑吊杆的受力情况确定无应力状态参量，之后基于最小应变能原理确定合理成桥状态下的吊杆力和吊杆结构无应力状态参量，然后通过传感器获取实际施工过程中的桥梁状态，通过有限元对吊杆结构的张拉依次分析并修正，使用修正后的参数迭代计算无应力状态量值，考虑了桁架拱结构的无应力状态，能够更好地控制结构的稳定性，有助于提高不同阶段施工的安全性和可靠性，保证施工质量，而且计算过程简单高效，能够减少不必要的工序和调整，提高施工效率和资源利用率，更好的进行成本控制。

附图说明

图1是本发明的流程图。

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，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，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。

如图1所示，一种基于无应力状态的桁架拱桥分阶段施工智能监控方法，包括以下步骤：

步骤一：吊杆结构无应力状态长度构建

针对实际施工的桁架拱桥进行测量计算，获取各吊杆结构在有应力状态下的长度，若各吊杆结构轴向变形量已知，则各吊杆结构在无应力状态下的长度可通过下式计算：

式中，为吊杆结构在无应力状态下的长度，L^e为吊杆结构在有应力状态下的长度，其通过实际测量获取，Δ_N为吊杆结构轴向变形量；

步骤二：合理成桥状态吊杆力确定

将桁架拱桥的吊杆结构离散为同等数量的吊杆单元，在有限元软件中，将各吊杆单元切断暴露出吊杆力x₁、x₂,…,x_n，以吊杆单元切断后的其余桥梁结构作为基本结构，基本结构的内力用吊杆力进行表示以确定合理成桥状态，则基本结构的内力计算如下：

式中，分别为第i根吊杆力为单位集中力时基本结构产生的轴力、剪力、弯矩，N_P、S_P、M_P分别为外荷载P作用下基本结构产生的轴力、剪力、弯矩。

记基本结构的弹性模量为E，截面面积为A，截面惯性矩为I，剪切模量为G，则基本结构在自重荷载和吊杆力作用下引起的能量为：

式中，x_i为第i根吊杆力，i＝1,2,...,n，x_j为除第i根吊杆力外其余任一第j根吊杆力，δ_ii为第i根吊杆力作用下该吊杆单元对应的基本结构位置处产生的位移，δ_ij为第j根吊杆力作用下第i根吊杆单元对应的基本结构位置处产生的位移，Δ_iP为外荷载P作用下第i根吊杆单元对应的基本结构位置处产生的位移，计算如下：

式中，分别为第j根吊杆力为单位集中力时基本结构产生的轴力、剪力、弯矩。

为使J最小，则需要满足：

通过求解即可得到合理成桥状态下各吊杆力x₁、x₂,…,x_n的解；

步骤三：求解合理成桥状态下吊杆结构无应力状态长度

在合理成桥状态中，认为桥梁结构是一次落架而形成，即桥梁的基本结构和吊杆结构同时施工且同时完成，则由于吊杆力作用各吊杆结构将产生轴向变形量：

根据步骤一即可获得合理成桥状态下各吊杆结构在无应力状态下的长度：

式中，E₀为吊杆结构的弹性模量，A₀为吊杆结构的截面面积；

步骤四：桥梁施工过程实际状态获取

结合实际施工需求在桥梁各吊杆结构以及桥梁主梁选择的测点位置布置传感器，按顺序依次张拉桥梁各吊杆结构，基于传感器分别获取每次张拉施工后该吊杆结构的实际吊杆力x_i'以及此时桥梁主梁各测点的实际挠度；

步骤五：实际施工中吊杆力变化量确定

理论上在桥梁各吊杆结构张拉过程中要达到无应力状态长度为和吊杆力为x_i的状态a，即上述求解得到的合理成桥状态，但实际张拉过程中存在偏差，会张拉到无应力状态长度为/>和吊杆力为x_i'的状态b，张拉过程中认为吊杆结构的截面面积A₀和弹性模量E₀不发生改变，可知：

通过上式可求得则：

式中，ΔT_a→b为实际吊杆力与合理成桥状态下吊杆力的变化量；

步骤六：施工状态有限元参数修正

因施工过程中必然会导致桥梁结构的容重、二期恒载和基本结构的弹性模量存在偏差，在有限元软件中通过下式进行修正：

其中，

Y_Q＝[y₁,y₂,…,y_Q]^T

式中，为修正量，由容重修正量/>基本结构的弹性模量修正量/>和二期恒载修正量/>组成，Φ_Q为容重、基本结构的弹性模量和二期恒载的影响矩阵， 和/>分别为测点位置处由于容重、基本结构的弹性模量和二期恒载改变而引发的挠度改变量，Y_Q为挠度误差向量，y₁,y₂,…,y_Q为测点位置处有限元理论挠度与步骤四测得的实际挠度的差值；

步骤七：吊杆结构无应力状态长度的迭代修正

结合实际施工过程中吊杆结构的实际吊杆力x_i'、无应力状态长度以及有限元软件修正后的容重、基本结构的弹性模量和二期恒载，在有限元软件中重复执行步骤二至步骤三进行修正，重新获得余下未张拉吊杆结构修正后的吊杆力以及无应力状态长度，同时，进行新吊杆结构的张拉，每次张拉新吊杆结构时，重复执行步骤四至步骤六，直至施工结束。

实施例

安徽省长江大桥主桥为钢桁架拱，采用三联跨径布置为55m+120m+55m的下承式简支桁架组合拱桥形式，整体式断面，全宽41.0m，中跨矢高30m，矢跨比为0.25。

S1、吊杆结构无应力状态长度构建

获取各吊杆结构在有应力状态下的长度，每个吊杆结构坐标系原点均不同，以与其最近的基本结构上已确定的点位为原点，顺桥向为u方向，横桥向为v方向，竖桥向为z方向，获得各吊杆结构有应力长度如下表所示：

S2、合理成桥状态吊杆力确定

基于有限元软件建立桥梁结构模型，并选用下表材料特性，获取合理成桥状态下各吊杆结构内力。

本桥主要材料特性如下表所示：

本桥合理成桥状态下各吊杆力如下表所示：

S3、求解合理成桥状态下吊杆结构无应力状态长度

通过S1获取了吊杆结构在有应力状态下的长度，通过S2获得了吊杆力，则可计算各吊杆结构将产生的轴向变形量，合理成桥状态下各吊杆结构在无应力状态下的长度如下表所示：

S4、桥梁施工过程实际状态获取

张拉第一根吊杆后，其吊杆力为1028.6kN，基本结构挠度测试点挠度值如下表所示：

测试点号	1	2	3	4	5	6	7
								理论值(mm)	-6.85	-16.58	-29.65	-35.63	-26.38	-18.25	-8.62
实际值(mm)	-7.1	-16.94	-30.14	-36.88	-26.93	-18.63	-8.83
								差值(mm)	0.25	0.36	0.49	1.25	0.55	0.38	0.21

注：各测点为基本结构九等分点的中间七个点

S5、计算第一根吊杆吊杆力变化量如下表所示：

计算施工阶段第一根吊杆无应力长度如下表所示：

S6、施工状态有限元参数修正

挠度误差向量：

Y_Q＝[0.250.360.491.250.550.380.21]^T

待调整主要设计参数向量：

将初始计算模型中的容重、基本结构弹性模量和二期恒载分别增大10％，重新进行计算，得到计算结果与原有结果的差值即为设计参数的影响矩阵：

代入模型后推演修正量如下表所示：

S7、吊杆结构无应力状态长度的迭代修正

修正后的吊杆力如下表所示：

修正后的无应力状态长度如下表所示：

重复迭代12次，得到最终吊杆修正值如下表所示：

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种基于无应力状态的桁架拱桥分阶段施工智能监控方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：吊杆结构无应力状态长度构建

若各吊杆结构轴向变形量已知，则各吊杆结构在无应力状态下的长度可通过下式计算：

式中，为吊杆结构在无应力状态下的长度，L^e为吊杆结构在有应力状态下的长度，其通过实际测量获取，Δ_N为吊杆结构轴向变形量；

步骤二：合理成桥状态吊杆力确定

将桁架拱桥的吊杆结构离散为同等数量的吊杆单元，在有限元软件中，将各吊杆单元切断暴露出吊杆力x₁、x₂,…,x_n，以吊杆单元切断后的其余桥梁结构作为基本结构，基本结构的内力用吊杆力进行表示以确定合理成桥状态，则：

式中，分别为第i根吊杆力为单位集中力时基本结构产生的轴力、剪力、弯矩，N_P、S_P、M_P分别为外荷载P作用下基本结构产生的轴力、剪力、弯矩；

记基本结构的弹性模量为E，截面面积为A，截面惯性矩为I，剪切模量为G，则基本结构在自重荷载和吊杆力作用下引起的能量为：

式中，x_i为第i根吊杆力，i＝1,2,...,n，x_j为除第i根吊杆力外其余任一第j根吊杆力，δ_ii为第i根吊杆力作用下该吊杆单元对应的基本结构位置处产生的位移，δ_ij为第j根吊杆力作用下第i根吊杆单元对应的基本结构位置处产生的位移，Δ_iP为外荷载P作用下第i根吊杆单元对应的基本结构位置处产生的位移，计算如下：

式中，分别为第j根吊杆力为单位集中力时基本结构产生的轴力、剪力、弯矩；

为使J最小，则需要满足：

通过求解即可得到合理成桥状态下各吊杆力x₁、x₂,…,x_n的解；

步骤三：求解合理成桥状态下吊杆结构无应力状态长度

由于吊杆力作用各吊杆结构将产生轴向变形量：

根据步骤一获得合理成桥状态下各吊杆结构在无应力状态下的长度：

式中，E₀为吊杆结构的弹性模量，A₀为吊杆结构的截面面积；

步骤四：桥梁施工过程实际状态获取

结合实际施工需求在桥梁各吊杆结构以及桥梁主梁选择的测点位置布置传感器，按顺序依次张拉桥梁各吊杆结构，基于传感器分别获取每次张拉施工后该吊杆结构的实际吊杆力x_i'以及此时桥梁主梁各测点的实际挠度；

步骤五：实际施工中吊杆力变化量确定

实际张拉过程中认为吊杆结构的截面面积A₀和弹性模量E₀不发生改变，可知：

通过上式可求得则：

式中，ΔT_a→b为实际吊杆力与合理成桥状态下吊杆力的变化量；

步骤六：施工状态有限元参数修正

施工过程中会导致桥梁结构的容重、二期恒载和基本结构的弹性模量存在偏差，在有限元软件中通过下式进行修正：

其中，

Y_Q＝[y₁,y₂,…,y_Q]^T

式中，为修正量，由容重修正量/>基本结构的弹性模量修正量/>和二期恒载修正量/>组成，Φ_Q为容重、基本结构的弹性模量和二期恒载的影响矩阵， 和/>分别为测点位置处由于容重、基本结构的弹性模量和二期恒载改变而引发的挠度改变量，Y_Q为挠度误差向量，y₁,y₂,…,y_Q为测点位置处有限元理论挠度与步骤四测得的实际挠度的差值；

步骤七：吊杆结构无应力状态长度的迭代修正

结合实际施工过程中吊杆结构的实际吊杆力x'_i、无应力状态长度以及有限元软件修正后的容重、基本结构的弹性模量和二期恒载，在有限元软件中重复执行步骤二至步骤三进行修正，重新获得余下未张拉吊杆结构修正后的吊杆力以及无应力状态长度，同时，进行新吊杆结构的张拉，每次张拉新吊杆结构时，重复执行步骤四至步骤六，直至施工结束。