大跨度轨道专用斜拉桥预拱度设置方法
【专利摘要】本发明大跨度轨道专用斜拉桥预拱度设置方法，依据设计和施工要求获取桥梁几何和材料参数，建立有限元模型，求得荷载因素引起的位移值；基于挂篮加载试验确定挂篮弹性变形值；基于预应力损失试验确定因预应力损失引起的位移值；基于混凝土模型试验确定施工期收缩徐变变形值和营运期收缩徐变变形值；基于车桥耦合试验，确定车桥耦合动位移引起的预拱度，或者建立动力学方程组，按数值求解法确定车桥耦合动位移引起的预拱度；利用矢量运算法则，计算总预拱度；验算结构内力确定最终预拱度。本发明的有益技术效果是充分考虑了车桥耦合对大跨轨道专用斜拉桥线形的影响，提出设置合理预拱度的方法，为获得桥梁最终理想状态提供理论支撑和技术支持。
【专利说明】大跨度轨道专用斜拉桥预拱度设置方法 发明领域
[0001] 本发明涉及到大跨度轨道专用斜拉桥预拱度设置技术，特别涉及到一种大跨度轨 道专用斜拉桥预拱度设置方法。
【背景技术】
[0002] 伴随着轨道交通路线网络的大量修建及逐步完善，斜拉桥以其结构形式优美、跨 越能力强、施工技术成熟等优点而被广泛应用于轨道交通。然而，由于轨道专用桥梁所承受 的荷载为列车，具有作用结构范围大、荷载激励大、结构响应明显和结构状态受荷载影响较 大等特点。以轻型轨道交通为主要荷载的大跨度轨道专用斜拉桥，因其本身属于柔性结构， 结构整体刚度相对较弱，故在荷载作用下桥梁的变形较大。另外，轻型轨道交通荷载具有明 显的周期性和规律性，其动力效应明显，使得车桥耦合方面的因素居于更为重要的地位。故 对大跨度轨道专用斜拉桥实施监测与控制成为必要，因而，为确保桥梁线形达到理想状态， 需综合考虑荷载因素，设置合理预拱度，对线形进行有效监测与控制。
[0003] 目前，斜拉桥预拱度设置原则主要为：当由恒载及静荷载引起的坚向挠度等于或 小于15_或者跨度的1/1600时，可不设预拱度；否则，应设置预拱度，其预拱度曲线应与恒 载及1/2静荷载所产生的挠度曲线基本相同，但方向相反。对于预应力混凝土梁，计算预拱 度时还应考虑预加应力及收缩徐变变形的影响。实际施工监控中，在理论计算的基础上，主 要借鉴工程经验进行预拱度设置（如收缩徐变变形跨中取值，再以余弦曲线或二次抛物线 予以分配）。显然，现有技术斜拉桥预拱度设置方法仅仅是一种原则性的指导方法，没有针 对大跨度轨道专用斜拉桥的具体原则和方法，没有兼顾短期效应和长期效应，也没有考虑 车桥耦合效应对大跨度轨道专用斜拉桥的影响，使得成桥状态及营运期桥梁线形与理想状 态存在一定偏移。
【发明内容】
[0004] 为解决现有技术斜拉桥预拱度设置方法存在的没有针对大跨度轨道专用斜拉桥 的具体原则和方法，没有兼顾短期效应和长期效应，也没有考虑车桥耦合效应对大跨度轨 道专用斜拉桥的影响等问题，本发明提出一种大跨度轨道专用斜拉桥预拱度设置方法。本 发明大跨度轨道专用斜拉桥预拱度设置方法，依据设计和施工要求获取桥梁几何和材料参 数，建立有限元模型，求得荷载因素引起的位移值；基于挂篮加载试验确定挂篮弹性变形 值；基于预应力损失试验确定因预应力损失引起的位移值；基于混凝土模型试验确定施工 期收缩徐变变形值和营运期收缩徐变变形值；基于车桥耦合试验，确定车桥耦合动位移引 起的预拱度，或者，建立动力学方程组，按数值求解法确定车桥耦合动位移引起的预拱度； 利用矢量运算法则，计算总预拱度；验算结构内力，确定最终预拱度；所述数值求解法包括 采用数值积分及数值仿真。
[0005] 进一步的，本发明大跨度轨道专用斜拉桥预拱度设置方法，所述荷载因素引起的 位移值，包括，
[0006]结构恒载位移值yl:包括本节段自重引起的位移及后续施工节段自重对本节段 的位移，依据有限元模型求解；
[0007]预应力位移值y2 :张拉预应力钢束引起的位移，依据有限元模型求解；
[0008]斜拉索张拉力位移值y3 :包括斜拉索初张力和二期索力调整引起的位移，依据有 限元模型求解；
[0009]二期恒载位移值y4:包括桥面铺装、承轨台、轨道和栏杆相关二期恒载引起的位 移，依据有限元模型求解；
[0010]施工荷载位移值y5 :包括挂篮、混凝土湿重和临时荷载引起的位移，依据有限元 模型求解；
[0011] 其他荷载因素位移值y6 :包括合龙段配重、顶推工况和温度影响相关其他荷载因 素引起的位移，依据有限元模型求解；
[0012] 1/2静活载位移值y7 :由列车荷载作用引起的位移，按其一半取用，依据有限元模 型求解。
[0013]进一步的，本发明大跨度轨道专用斜拉桥预拱度设置方法，基于挂篮加载试验确 定挂篮弹性变形值，包括，挂篮拼装完毕，进行分级加载预压，检验结构强度、刚度和稳定性 是否满足实际受力要求，同时，消除非弹性变形，获取挂篮弹性变形值y8。
[0014]进一步的，本发明大跨度轨道专用斜拉桥预拱度设置方法，基于预应力损失试验 确定因预应力损失引起的位移值，包括，所述预应力损失包括预应力摩阻损失和长期损失， 依据预应力损失试验建立预应力损失与位移的关系，借鉴工程项目经验并参照相关规范规 程，确定因预应力损失引起的位移值y9。
[0015]进一步的，本发明大跨度轨道专用斜拉桥预拱度设置方法，基于混凝土模型试验 确定施工期收缩徐变变形值和营运期收缩徐变变形值，包括，依据混凝土模型试验、有限元 计算及工程项目经验，确定施工期收缩徐变变形值yl〇和营运期收缩徐变变形值yll。 [0016]进一步的，本发明大跨度轨道专用斜拉桥预拱度设置方法，基于车桥耦合试验，确 定车桥耦合动位移引起的预拱度，或者，建立动力学方程组，按数值求解法确定车桥耦合动 位移引起的预拱度，包括，
[0017]在原型的基础上，通过缩小或等比例模型的实体试验，模拟列车在空载或满载状 态、单线或双线，获取不同车速行驶引起的桥梁动力性能，借助Matlab程序，求得动位移数 据，利用极值分布理论，引入峰值因子，确定最大动位移，求解车桥耦合动位移引起的预拱 度 yl2 ;
[0018]或者，
[0019]计算桥梁与轨道、列车与轨道的相互作用力，建立桥梁、轨道和列车的动力学方程 组，按数值求解法求解车桥耦合动位移引起的预拱度yl2;所述数值求解法包括采用数值 积分及数值仿真。
[0020] 进一步的，本发明大跨度轨道专用斜拉桥预拱度设置方法，包括以下步骤：
[0021]S1、依据设计和施工要求获取桥梁几何和材料参数，建立有限元模型，求得荷载因 素引起的位移值，包括，
[0022] 结构恒载位移值yl :包括本节段自重引起的位移及后续施工节段自重对本节段 的位移，依据有限元模型求解；
[0023] 预应力位移值y2:张拉预应力钢束引起的位移，依据有限元模型求解；
[0024] 斜拉索张拉力位移值y3:包括斜拉索初张力和二期索力调整引起的位移，依据有 限元模型求解；
[0025] 二期恒载位移值y4:包括桥面铺装、承轨台、轨道和栏杆相关二期恒载引起的位 移，依据有限元模型求解；
[0026] 施工荷载位移值y5:包括挂篮、混凝土湿重和临时荷载引起的位移，依据有限元 模型求解；
[0027] 其他荷载因素位移值y6:包括合龙段配重、顶推工况和温度影响相关其他荷载因 素引起的位移，依据有限元模型求解；
[0028] 1/2静活载位移值y7:由列车荷载作用引起的位移，按其一半取用，依据有限元模 型求解；
[0029] S2、基于挂篮加载试验确定挂篮弹性变形值，包括，挂篮拼装完毕，进行分级加载 预压，检验结构强度、刚度和稳定性是否满足实际受力要求，同时，消除非弹性变形，获取挂 篮弹性变形值y8;
[0030] S3、基于预应力损失试验确定因预应力损失引起的位移值，包括，所述预应力损失 包括预应力摩阻损失和长期损失，依据预应力损失试验建立预应力损失与位移的关系，借 鉴工程项目经验并参照相关规范规程，确定因预应力损失引起的位移值y9;
[0031] S4、基于混凝土模型试验确定施工期和营运期的收缩徐变变形值，包括，依据混凝 土模型试验、有限元计算及工程项目经验，确定施工期收缩徐变变形值yl〇和营运期收缩 徐变变形值yll ;
[0032] S5、基于车桥耦合试验，确定车桥耦合动位移引起的预拱度，或者，建立动力学方 程组，按数值求解法确定车桥耦合动位移引起的预拱度，包括，
[0033] 在原型的基础上，通过缩小或等比例模型的实体试验，模拟列车在空载或满载状 态、单线或双线，按不同车速行驶引起的桥梁动力性能，借助Matlab程序，求得动位移数 据，利用极值分布理论，引入峰值因子，确定最大动位移，求解车桥耦合动位移引起的预拱 度 yl2;
[0034]或者，
[0035] 计算桥梁与轨道、列车与轨道的相互作用力，建立桥梁、轨道和列车的动力学方程 组，按数值求解法求解车桥耦合动位移引起的预拱度yl2;所述数值求解法包括采用数值 积分及数值仿真；
[0036] S6、利用矢量运算法则，计算总预拱度，包括，
[0037]施工期预拱度 ys = yl+y2+y3+y4+y5+y6+y8+yl0,
[0038]营运期预拱度 yj = y7+y9+yll+yl2，
[0039]总预拱度 y = ys+yj;
[0040] S7、验算结构内力，确定最终预拱度，包括，依据计算总预拱度y，将影响因素进行 荷载组合，验算施工期及营运期各工况结构内力，确定是否满足规范要求；若满足，确定计 算总预拱度y为最终预拱度，否则，重复执行步骤S1至S7。
[0041] 进一步的，本发明大跨度轨道专用斜拉桥预拱度设置方法，基于车桥耦合试验，确 定车桥耦合动位移引起的预拱度，包括以下步骤：
[0042] S51、在原型的基础上，通过缩小或等比例模型的实体试验，模拟列车在空载或满 载状态、单线或双线，按不同车速行驶，获取加速度a和最大静位移&;
[0043] S52、判断加速度a是否服从正态分布，是，进行下一步骤，否，则执行下一工况；
[0044] S53、依据
【权利要求】
1. 一种大跨度轨道专用斜拉桥预拱度设置方法，其特征在于，依据设计和施工要求获 取桥梁几何和材料参数，建立有限元模型，求得荷载因素引起的位移值；基于挂篮加载试验 确定挂篮弹性变形值；基于预应力损失试验确定因预应力损失引起的位移值；基于混凝土 模型试验确定施工期收缩徐变变形值和营运期收缩徐变变形值；基于车桥耦合试验，确定 车桥耦合动位移引起的预拱度，或者，建立动力学方程组，按数值求解法确定车桥耦合动位 移引起的预拱度；利用矢量运算法则，计算总预拱度；验算结构内力，确定最终预拱度；所 述数值求解法包括采用数值积分及数值仿真。
2. 根据权利要求1所述大跨度轨道专用斜拉桥预拱度设置方法，其特征在于，所述荷 载因素引起的位移值，包括， 结构恒载位移值yl :包括本节段自重引起的位移及后续施工节段自重对本节段的位 移，依据有限元模型求解； 预应力位移值y2 :张拉预应力钢束引起的位移，依据有限元模型求解； 斜拉索张拉力位移值y3 :包括斜拉索初张力和二期索力调整引起的位移，依据有限元 模型求解； 二期恒载位移值y4:包括桥面铺装、承轨台、轨道和栏杆相关二期恒载引起的位移，依 据有限元模型求解； 施工荷载位移值y5:包括挂篮、混凝土湿重和临时荷载引起的位移，依据有限元模型 求解； 其他荷载因素位移值y6 :包括合龙段配重、顶推工况和温度影响相关其他荷载因素引 起的位移，依据有限元模型求解； 1/2静活载位移值y7 :由列车荷载作用引起的位移，按其一半取用，依据有限元模型求 解。
3. 根据权利要求1所述大跨度轨道专用斜拉桥预拱度设置方法，其特征在于，基于挂 篮加载试验确定挂篮弹性变形值，包括，挂篮拼装完毕，进行分级加载预压，检验结构强度、 刚度和稳定性是否满足实际受力要求，同时，消除非弹性变形，获取挂篮弹性变形值y8。
4. 根据权利要求1所述大跨度轨道专用斜拉桥预拱度设置方法，其特征在于，基于预 应力损失试验确定因预应力损失引起的位移值，包括，所述预应力损失包括预应力摩阻损 失和长期损失，依据预应力损失试验建立预应力损失与位移的关系，借鉴工程项目经验并 参照相关规范规程，确定因预应力损失引起的位移值y9。
5. 根据权利要求1所述大跨度轨道专用斜拉桥预拱度设置方法，其特征在于，基于混 凝土模型试验确定施工期收缩徐变变形值和营运期收缩徐变变形值，包括，依据混凝土模 型试验、有限元计算及工程项目经验，确定施工期收缩徐变变形值yl〇和营运期收缩徐变 变形值yll。
6. 根据权利要求1所述大跨度轨道专用斜拉桥预拱度设置方法，其特征在于，基于车 桥耦合试验，确定车桥耦合动位移引起的预拱度，或者，建立动力学方程组，按数值求解法 确定车桥耦合动位移引起的预拱度，包括， 在原型的基础上，通过缩小或等比例模型的实体试验，模拟列车在空载或满载状态、 单线或双线，获取不同车速行驶引起的桥梁动力性能，借助Matlab程序，求得动位移数据， 利用极值分布理论，引入峰值因子，确定最大动位移，求解车桥耦合动位移引起的预拱度 yl2 ； 或者， 计算桥梁与轨道、列车与轨道的相互作用力，建立桥梁、轨道和列车的动力学方程组， 按数值求解法求解车桥耦合动位移引起的预拱度yl2 ;所述数值求解法包括采用数值积分 及数值仿真。
7.根据权利要求1所述大跨度轨道专用斜拉桥预拱度设置方法，其特征在于，该方法 包括以下步骤： 51、 依据设计和施工要求获取桥梁几何和材料参数，建立有限元模型，求得荷载因素引 起的位移值，包括， 结构恒载位移值yl :包括本节段自重引起的位移及后续施工节段自重对本节段的位 移，依据有限元模型求解； 预应力位移值y2 :张拉预应力钢束引起的位移，依据有限元模型求解； 斜拉索张拉力位移值y3 :包括斜拉索初张力和二期索力调整引起的位移，依据有限元 模型求解； 二期恒载位移值y4 :包括桥面铺装、承轨台、轨道和栏杆相关二期恒载引起的位移，依 据有限元模型求解； 施工荷载位移值y5 :包括挂篮、混凝土湿重和临时荷载引起的位移，依据有限元模型 求解； 其他荷载因素位移值y6 :包括合龙段配重、顶推工况和温度影响相关其他荷载因素引 起的位移，依据有限元模型求解； 1/2静活载位移值y7 :由列车荷载作用引起的位移，按其一半取用，依据有限元模型求 解； 52、 基于挂篮加载试验确定挂篮弹性变形值，包括，挂篮拼装完毕，进行分级加载预压， 检验结构强度、刚度和稳定性是否满足实际受力要求，同时，消除非弹性变形，获取挂篮弹 性变形值y8 ; 53、 基于预应力损失试验确定因预应力损失引起的位移值，包括，所述预应力损失包括 预应力摩阻损失和长期损失，依据预应力损失试验建立预应力损失与位移的关系，借鉴工 程项目经验并参照相关规范规程，确定因预应力损失引起的位移值y9 ; 54、 基于混凝土模型试验确定施工期和营运期的收缩徐变变形值，包括，依据混凝土模 型试验、有限元计算及工程项目经验，确定施工期收缩徐变变形值yl〇和营运期收缩徐变 变形值yll ; 55、 基于车桥耦合试验，确定车桥耦合动位移引起的预拱度，或者，建立动力学方程组， 按数值求解法确定车桥耦合动位移引起的预拱度，包括， 在原型的基础上，通过缩小或等比例模型的实体试验，模拟列车在空载或满载状态、单 线或双线，按不同车速行驶引起的桥梁动力性能，借助Matlab程序，求得动位移数据，利用 极值分布理论，引入峰值因子，确定最大动位移，求解车桥耦合动位移引起的预拱度yl2 ; 或者， 计算桥梁与轨道、列车与轨道的相互作用力，建立桥梁、轨道和列车的动力学方程组， 按数值求解法求解车桥耦合动位移引起的预拱度yl2 ;所述数值求解法包括采用数值积分 及数值仿真； 56、 利用矢量运算法则，计算总预拱度，包括， 施工期预拱度 ys = yl+y2+y3+y4+y5+y6+y8+yl0， 营运期预拱度yj = y7+y9+yll+yl2， 总预拱度y = ys+yj ; 57、 验算结构内力，确定最终预拱度，包括，依据计算总预拱度y，将影响因素进行荷载 组合，验算施工期及营运期各工况结构内力，确定是否满足规范要求；若满足，确定计算总 预拱度y为最终预拱度，否则，重复执行步骤Sl至S7。
8. 根据权利要求1或6所述大跨度轨道专用斜拉桥预拱度设置方法，其特征在于，基于 车桥耦合试验，确定车桥耦合动位移引起的预拱度，包括以下步骤： 551、 在原型的基础上，通过缩小或等比例模型的实体试验，模拟列车在空载或满载状 态、单线或双线，按不同车速行驶，获取加速度a和最大静位移& ; 552、 判断加速度a是否服从正态分布，是，进行下一步骤，否，则执行下一工况； 553、 依据
，利用Matlab编制程序，求解动位移f ;式中，a为加速度，&为桥 梁振动频率； 554、 利用极值分布理论，依据3。准则，求解动位移平均值μ及动位移方差〇2; 555、 依据
，求解峰值因子c;式中，c为和波形相关的无因次量，Ixlprak为波形 的振幅，Xrms 为波形 RMS，即 time-averaged ; 556、 求解动位移最大值fmax = μ +c σ 2 ;式中，μ为动位移平均值，c为峰值因子，〇2 为动位移方差； 557、 依据
_求得车桥耦合动位移引起的预拱度yl2 ;式中，fmax为动位移最 大值，A为最大静位移，y7为静活载位移值。
9. 根据权利要求1或6所述大跨度轨道专用斜拉桥预拱度设置方法，其特征在于，建立 动力学方程组，按数值求解法确定车桥耦合动位移引起的预拱度，包括， 561、 建立桥梁动力学分析模型、轨道动力学分析模型和列车动力学分析模型； 562、 分析桥梁与轨道的作用力和列车与轨道的作用力； 563、 建立系统动力学方程组； 564、 采用数值求解法求解系统动力学方程组，获得桥梁动力特性，其中，数值求解法包 括采用数值积分及数值仿真； 565、 求得动位移引起的预拱度，即为车桥耦合动位移引起的预拱度yl2。
【文档编号】G06F17/50GK104392148SQ201410775928
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月15日 优先权日:2014年12月15日
【发明者】周建庭, 黎小刚, 仲建华, 牛云峰, 郭增伟, 肖阳剑, 陈增顺 申请人:重庆交通大学, 重庆市轨道交通（集团）有限公司