CN117993266A - 基于有限元数值模型及点云技术的缆索索长调整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于有限元数值模型及点云技术的缆索索长调整方法，通过有限元数值模型获得缆索在基准温度等工况条件下的基准数值模型，在基准数值模型的基础上根据缆索安装现场的温度数据修改调整基准数值模型中的对应参数获得缆索的初始数值模型，从缆索的初始数值模型中提取缆索的安装索长，同时考虑了温度环境对缆索索长的影响，用缆索数值模型实现缆索结构的数字化设计及施工；本发明通过点云成形技术获得缆索实际安装长度与从缆索的实时数值模型中获取的实时缆索长度进行比对计算得到准确的调索长度。本发明能够有效避免人工调索而引起的调索误差，提高了调索量的精度、有效降低了调索工作的强度。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁分析理论及应用技术领域，尤其是一种基于有限元数值模型及点云技术的缆索索长调整方法。
背景技术
在悬索桥、斜拉桥、拱桥、钢结构等大跨径建筑结构的施工过程中不可避免地会采用缆索结构作为施工的临时工程、运输通道或主体承载结构。缆索结构在安装和使用过程中，因受到缆索结构自重、施工载荷、风载荷、环境温度、初始安装误差、工厂预制误差、力学参数实验数据误差、非弹性变形等因素的叠加影响，会导致缆索结构的实际安装线形以及索长与理论线形以及索长之间产生不可无视的偏差值，而缆索结构线形的精确度直接决定了缆索结构的使用功能、使用安全性和便捷性，对桥梁施工工作起着至关重要的影响。例如在悬索桥的施工过程中，要精确控制主缆或猫道承重索架设线形，就必须在安装阶段对索结构的中跨和边跨的线形进行调整。
公布号为CN104631329A的中国发明申请公开了一种悬索桥连续式猫道整体线形调整方法，其调整方法包括：待猫道全部架设完成后，在每根猫道承重索与锚碇的连接处设置若干千斤顶；再利用千斤顶依次对每根猫道承重索进多次的张拉或放松；然后在每根猫道承重索位于主塔顶部处设置一根导链，并利用人工同时通向牵引所有导链，使每根猫道承重索朝需要调整的方向进行一次整体线形调整；再继续交替进行多次调整，直至猫道整体线形达到设计线形。该专利申请所公开的技术方案需要采用人工对导链进行牵引，仍然存在人工操作误差，其调索精度低，且会耗费大量人工。
公告号为CN110565535B的中国发明专利文献公开了一种悬索桥空间主缆线型调整装置及调整方法，其包括两主缆抱夹、两组支座、多个调节件和标准节顶梁，两主缆抱夹分别用于可拆卸的固定于两侧主缆上，两组支座分别设于两主缆抱夹上，每组支座至少设有两个且沿主缆抱夹长度方向设置，且支座与标准节顶梁或调节件连接，调节件可沿其长度方向伸缩，且调节件两端分别与支座、标准节顶梁或另一调节件连接，标准节顶梁包括多个第一标准节顶梁和多个第二标准节顶梁，第一标准节顶梁两端分别与支座、调节件或另一第一标准节顶梁连接，第二标准节顶梁两端分别与支座或另一第二标准节顶梁连接。该发明专利所公开的技术方案只能对主缆横向空间位置和横向线形进行调整，而不能对主缆的纵向线形进行调整。
上述专利所公开的技术方案都需要采用人工测量判断线形误差、自动化程度不高、调索精度较低，未能全面解决缆索结构的实际安装线形与设计线形存在偏差的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于有限元数值模型及点云技术的缆索索长调整方法，能够实现数字化精准调索、有效提高缆索结构的索长调整精度和调索工效。
为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：基于有限元数值模型及点云技术的缆索索长调整方法，包括以下步骤：
S1、基于分段悬链线理论的计算公式，建立缆索的基准数值模型；
S2、在步骤S1中所构建基准数值模型的基础上，结合缆索安装现场初始工况条件下的外界因素条件修改基准数值模型并建立对应的初始有限元分析模型，通过初始有限元分析模型获取缆索在现场安装工况条件下的初始数值模型，从初始数值模型中获取缆索的初始安装模态以及缆索的安装长度，缆索的初始安装模态即缆索在自重及温度作用工况下的结构力学平衡体系，缆索的安装长度即初始安装模态中缆索在自重及温度作用工况下体系平衡时的缆索长度；
S3、根据步骤S2中所得缆索的初始安装模态和缆索的安装长度对缆索进行现场安装；
S4、通过点云成形技术得到缆索在已安装状态下的实际长度Ly，并测量缆索安装现场下实时工况条件的外界因素数据；
S5、将步骤S4中所得实时工况条件的外界因素数据代入步骤S2中建立的初始有限元分析模型进行运行分析，获取缆索的实时数值模型并根据缆索的实时数值模型确定在实时工况条件下缆索的实时数值模型，在缆索的实时数值模型中提取缆索实时工况条件下的实时缆索长度Ls，实时缆索长度即缆索在自重及温度作用实时工况条件下结构体系平衡时的缆索长度；
S6、计算步骤S4中通过点云成形技术所获得的缆索在已安装状态下的实际长度Ly与步骤S5中的实时缆索长度Ls的差值确定缆索的调索长度Δi，计算公式为Δi=Ly-Ls；调索后若缆索的实测偏差值满足误差要求则完成缆索的索长调整，若调索后缆索的实测偏差值不满足误差要求则根据Δi的数值对缆索进行调索并重复上述步骤S4至S6直至调索后缆索的实测偏差值满足误差要求，完成索长调整。
作为上述方案的改进：所述步骤S1中，缆索的基准数值模型中，缆索的吊杆方向垂直于顺桥方向，缆索的水平张力沿全跨相同；各吊杆之间的缆索形状默认为直线。
作为上述方案的改进：所述步骤S1中，缆索的基准数值模型基于缆索设计要求中的基准温度参数并结合缆索的结构设计进行建立。
作为上述方案的改进：所述步骤S2中，缆索安装现场初始工况条件下的外界因素包括安装现场的初始温度参数。
作为上述方案的改进：所述步骤S4中，缆索安装现场实时工况条件下的外界因素包括安装现场检测的实时温度参数。
作为上述方案的改进：所述缆索的基准数值模型为缆索工程建设中设计阶段的缆索结构模型，所述缆索的初始数值模型为缆索工程建设中安装阶段的缆索结构模型，所述缆索的实时数值模型为缆索工程建设中检测阶段的缆索结构模型。
作为上述方案的改进：所述步骤S4中，点云成形技术所采用的点云设备包括无人机、激光雷达、摄影测量仪、三维扫描仪。
本发明的有益效果是：本发明通过有限元数模型获得缆索在基准温度等工况条件下的基准数值模型，在基准数值模型的基础上根据缆索安装现场的外界因素通过修改调整基准数值模型中的温度数值，进一步获得缆索安装时的初始数值模型，从缆索的初始数值模型中提取缆索的初始安装模态及安装索长，同时考虑了温度环境对缆索索长的影响，用缆索的仿真数值模型实现缆索结构的数字化设计及施工；本发明利用点云成形技术获得缆索的实际安装线形和实际安装长度，通过将缆索的实际安装长度与从缆索在实时工况条件下对应的实时数值模型中提取的实时缆索长度进行比对计算得到准确的调索长度，从而实现了对缆索长度的精准调整。本发明能够有效避免人工调索而引起的调索误差，实现了数字化精准调索，提高了调索量的精度、有效降低了调索工作的强度。
附图说明
图1为本发明所述缆索索长调整方法的流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明进行进一步的说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语 “前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”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，而不是指示或暗示所指的装置或部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。
如图1所示，本发明所述的基于有限元数值模型及点云技术的缆索索长调整方法按照以下步骤进行：
S1、基于分段悬链线理论的计算公式，同时基于缆索设计要求中的基准温度参数并结合缆索的结构设计建立缆索的基准数值模型，缆索的基准数值模型为缆索工程建设中设计阶段的缆索结构模型，缆索的基准数值模型中，缆索的吊杆方向垂直于顺桥方向，缆索的水平张力沿全跨相同；各吊杆之间的缆索形状默认为直线；此步骤中所采用的分段悬链线理论的计算公式基于悬链线理论计算公式，悬链线理论计算公式包括以下公式：
、
、
、
；
其中，为缆索的载荷，/>为缆索在载荷/>作用下的水平张力，/>为缆索曲线起点与终点之间的高差，/>为缆索的水平跨距，/> 、/> 、/>都为悬链线方程参数，/>为双曲正弦函数，/>为双曲余弦函数，/>表示/>是关于/>的函数，/>和/>为缆索悬点在坐标系中对应的坐标点，/>为自变量，/>为因变量；
通过上述条件建立数值模型，同时参考设计要求中对于外界环境的因素考虑；
S2、在步骤S1中所构建基准数值模型的基础上，结合安装现场的初始温度参数等缆索安装现场初始工况条件下的外界因素条件修改基准数值模型并建立对应的初始有限元分析模型，通过初始有限元分析模型获取缆索在现场安装工况条件下的初始数值模型，缆索的初始数值模型为缆索工程建设中安装阶段的缆索结构模型，从初始数值模型中获取缆索的初始安装模态以及缆索的安装长度；
S3、根据步骤S2中所得缆索的初始安装模态和缆索的安装长度对缆索进行现场安装；
S4、通过点云成形技术得到缆索在已安装状态下的实际长度Ly，并测量缆索实时工况条件的外界因素数据，获取缆索已安装现场的实时温度参数，在进行点云成形时，采用无人机、激光雷达、摄影测量仪、三维扫描仪等扫描设备对缆索进行扫描，得到缆索的实际线形及长度；
S5、将步骤S4中所得缆索已安装现场的实时温度参数代入步骤S2中建立的初始有限元分析模型进行运行分析，获取缆索的实时数值模型，缆索的实时数值模型为缆索工程建设中检测阶段的缆索结构模型，根据缆索的实时数值模型确定在实时工况条件下缆索的实时数值模型，在缆索的实时数值模型中提取缆索实时工况条件下的实时缆索长度Ls；
S6、计算步骤S4中通过点云成形技术所获得的缆索已安装状态下的实际长度Ly与步骤S5中缆索的实时缆索长度Ls的差值确定缆索的调索长度Δi，计算公式为Δi=Ly-Ls；调索后若缆索的实测偏差值满足误差要求则完成缆索的索长调整，若调索后缆索的实测偏差值不满足误差要求则根据Δi的数值对缆索进行调索并重复上述步骤S4至S6直至调索后缆索的实测偏差值满足误差要求，完成索长调整。
本发明利用点云成形技术获取已安装缆索的实际线形和长度，同时利用点云成形技术获得缆索的索长与有限元仿真模型在实时工况条件下对应的实时数值模型中提取的索长之差，即可得到实际的调整索长，能够实现对缆索的精准数值化调索。本发明的精准数值化调索，提升了悬索桥线形施工全过程信息化自动调索技术，能够有效节省人工劳动强度、并且有效提高了调索精度。
Claims (7)
1.基于有限元数值模型及点云技术的缆索索长调整方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、基于分段悬链线理论的计算公式，建立缆索的基准数值模型；
S2、在步骤S1中所构建基准数值模型的基础上，结合缆索安装现场初始工况条件下的外界因素条件修改基准数值模型并建立对应的初始有限元分析模型，通过初始有限元分析模型获取缆索在现场安装工况条件下的初始数值模型，从初始数值模型中获取缆索的初始安装模态以及缆索的安装长度，缆索的初始安装模态即缆索在自重及温度作用工况下的结构力学平衡体系，缆索的安装长度即初始安装模态中缆索在自重及温度作用工况下体系平衡时的缆索长度；
S3、根据步骤S2中所得缆索的初始安装模态和缆索的安装长度对缆索进行现场安装；
S4、通过点云成形技术得到缆索在已安装状态下的实际长度Ly，并测量缆索安装现场下实时工况条件的外界因素数据；
S5、将步骤S4中所得实时工况条件的外界因素数据代入步骤S2中建立的初始有限元分析模型进行运行分析，获取缆索的实时数值模型并根据缆索的实时数值模型确定在实时工况条件下缆索的实时数值模型，在缆索的实时数值模型中提取缆索实时工况条件下的实时缆索长度Ls，实时缆索长度即缆索在自重及温度作用实时工况条件下结构体系平衡时的缆索长度；
S6、计算步骤S4中通过点云成形技术所获得的缆索在已安装状态下的实际长度Ly与步骤S5中的实时缆索长度Ls的差值确定缆索的调索长度Δi，计算公式为Δi=Ly-Ls；调索后若缆索的实测偏差值满足误差要求则完成缆索的索长调整，若调索后缆索的实测偏差值不满足误差要求则根据Δi的数值对缆索进行调索并重复上述步骤S4至S6直至调索后缆索的实测偏差值满足误差要求，完成索长调整。
2.如权利要求1所述的基于有限元数值模型及点云技术的缆索索长调整方法，其特征在于：所述步骤S1中，缆索的基准数值模型中，缆索的吊杆方向垂直于顺桥方向，缆索的水平张力沿全跨相同；各吊杆之间的缆索形状默认为直线。
3.如权利要求1所述的基于有限元数值模型及点云技术的缆索索长调整方法，其特征在于：所述步骤S1中，缆索的基准数值模型基于缆索设计要求中的基准温度参数并结合缆索的结构设计进行建立。
4.如权利要求1所述的基于有限元数值模型及点云技术的缆索索长调整方法，其特征在于：所述步骤S2中，缆索安装现场初始工况条件下的外界因素包括安装现场的初始温度参数。
5.如权利要求1所述的基于有限元数值模型及点云技术的缆索索长调整方法，其特征在于：所述步骤S4中，缆索安装现场实时工况条件下的外界因素包括安装现场检测的实时温度参数。
6.如权利要求1所述的基于有限元数值模型及点云技术的缆索索长调整方法，其特征在于：所述缆索的基准数值模型为缆索工程建设中设计阶段的缆索结构模型，所述缆索的初始数值模型为缆索工程建设中安装阶段的缆索结构模型，所述缆索的实时数值模型为缆索工程建设中检测阶段的缆索结构模型。
7.如权利要求1所述的基于有限元数值模型及点云技术的缆索索长调整方法，其特征在于：所述步骤S4中，点云成形技术所采用的点云设备包括无人机、激光雷达、摄影测量仪、三维扫描仪。
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