温度自适应塔梁顺桥向约束方法及系统与流程

本发明涉及大跨度桥梁结构的约束体系领域，具体涉及温度自适应塔梁顺桥向约束方法及系统。

背景技术：

目前，随着科技技术的进步，桥梁跨度不断被刷新。大跨度桥梁跨度大、荷载重。风荷载、温度荷载、活载作用下主梁会产生较大的梁端位移，主塔会产生较大的弯矩，需要采取适当的技术方案改善梁端位移和主塔弯矩。如果按照传统的做法，塔梁之间一般采用阻尼约束方案、限位约束方案、弹性索约束方案。上述约束方案有如下一些不足：

(1)阻尼约束方案：在主塔与主梁之间设顺桥向阻尼器。可大幅降低动力作用下主梁的位移幅度和主塔弯矩，且可以适应温度荷载的变形。但是，对于风荷载、活载，该约束方案对结构顺桥向响应基本无效。因此，大位移量的顺桥向位移对桥面行车带来不利影响，也对支座、梁端伸缩系统、轨道伸缩调节器的设计带来挑战，并且无法改善主塔受力。

(2)限位约束方案：在其中一个主塔下横梁位置设置固定支座。可有效控制主梁位移至合理范围、降低风荷载产生的主塔弯矩。但是，该方案约束了温度荷载的主梁变形，增加了主塔的控制弯矩，提高了主塔造价。另外限位系统反力矩大，结构设计困难；限位系统和主梁之间的冲击作用，对桥面行车也带来不利影响。

(3)弹性索约束方案：利用钢材质拉杆将主塔和主塔附近的主梁进行顺桥向连接，该方案可有效降低梁端位移和风荷载作用的主塔弯矩。但是，该方案约束了温度荷载的主梁变形，增加了主塔的控制弯矩，提高了主塔造价。且弹性拉杆一般较长，张拉力较低，垂度效应明显，弹性索刚度损失明显。

现有的约束方案均不能同时改善主梁在温度和风荷载作用下，以及活载作用下的主塔的受力情况，并不能同时降低主梁的梁端位移。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种温度自适应塔梁顺桥向约束方法及系统，能有效地同时改善主梁在温度和风荷载作用下，以及活载作用下的主塔的受力情况，并同时降低主梁的梁端位移。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一方面本发明提供一种温度自适应塔梁顺桥向约束方法所述温度自适应塔梁顺桥向约束方法包括：

根据有限元计算确定拉杆的截面面积a；

在两根主塔之间的主梁的两侧均设置两组拉杆，每组拉杆一端与对应主塔的下横梁连接，另一端与主梁上的下弦杆的中心点连接。

在上述技术方案的基础上，确定拉杆的截面面积a，具体过程为：

根据主塔截面检算要求，得到主塔在主力和附加力作用下的控制弯矩；

建立带有所述拉杆的斜拉桥结构有限元模型，并给拉杆施加初始张拉力t，

将拉杆设置为n股截面积为a的子拉杆，n为正整数，取n的初始值取为1，带入有限元模型中进行计算，逐渐增大n值，获得各个n值对应的主塔在主力作用下主塔的弯矩值及主力和附加力作用下主塔的弯矩；

直至有限元计算得到的主塔在主力和附加力下的弯矩小于对应的主塔的控制弯矩时，得到n值为子拉杆的股数n值；

根据n值求得拉杆的截面面积a。

在上述技术方案的基础上，根据主塔截面检算要求，得到主塔的控制弯矩，具体为：

根据主力作用下的主塔弯矩，设计出主塔截面；

根据主塔截面和材料的容许应力求解出主塔在主力加附加力工况下允许承受的最大弯矩，最大弯矩即为控制弯矩。

在上述技术方案的基础上，该初始张拉力t确定方式为：建立带有拉杆的斜拉桥结构有限元模型，对桥梁结构进行计算，可获得拉杆在成桥运营阶段的拉力最大增量△t，该增量△t可作为初始张拉力t。

在上述技术方案的基础上，所述的温度自适应塔梁顺桥向约束方法还包括：

在设置所述拉杆区域的下弦杆上设置用于支撑所述拉杆的托轴。

另一方面，一种温度自适应塔梁顺桥向约束系统，温度自适应塔梁顺桥向约束系统包括：

两根主塔，每根所述主塔均设有下横梁；

主梁，其穿过两根所述主塔并设于所述下横梁上，所述主梁的两侧均设有下弦杆；

两根所述主塔之间的主梁两侧均设有两组拉杆，每组所述拉杆一端与对应主塔的下横梁连接，另一端与主梁上的下弦杆的中心点连接，拉杆提供主梁顺桥向约束。

在上述技术方案的基础上，所述拉杆的材质为碳纤维增强复合材料cfrp，特点是该材质受温度影响小。

在上述技术方案的基础上，所述温度自适应塔梁顺桥向约束系统还包括多根托轴，所述托轴沿所述主梁的延伸方向设于所述两根主塔之间的下弦杆上，所述拉杆搭设于所述托轴上。

在上述技术方案的基础上，所述托轴为滚轮式托轴。

在上述技术方案的基础上，所述托轴的间距为14m。

与现有技术相比，本发明的优点在于：将主梁与主塔用cfrp拉杆连接，提供了主梁的抗风刚度。当主梁受到沿主梁顺桥方向的风荷载时，主梁会有顺桥向变动趋势，此时拉杆就将主梁受到的风荷载直接传递到主塔的下横梁处，改变了主梁风荷载通过斜拉索传递到主塔顶部的传力路径，降低了主塔的弯矩，从而减小了主塔尺寸和基础规模，节省成本。另外采用拉杆连接主塔下横梁与中跨主梁的中心点，在温度荷载作用下，由于主塔下横梁和中跨主梁中心点均是不动点，使得主梁变形不受约束。此外，拉杆材质为cfrp，不受温度影响。结合上述两种温度模式受力特点，该技术避免了传统技术将主梁和主塔在下横梁处连接，主梁、拉杆在温度荷载作用下会产生约束力，增大主塔弯矩。因此，该约束技术可自动适应温度的变化。同时采用拉杆连接主塔下横梁与中跨主梁的中心点，改变了活载作用下主塔的最不利影响线的加载位置和峰值大小，使活载作用下主塔的最不利影响线的加载位置向靠近主塔位置移动，从而减小了活载对主塔产生的弯矩。并同时降低了主梁在风荷载、活载作用下的梁端位移。

附图说明

图1为本发明实施例中温度自适应塔梁顺桥向约束系统的结构示意图；

图2为本发明实例中温度自适应塔梁顺桥向约束系统的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例中n值变化时主塔弯矩变化图；

图4为本发明实施例中两主塔之间的主梁安装拉杆的结构示意图；

图5为本发明实施例中主梁的横截面结构示意图。

图6为本发明实施例中主梁上安装拉杆和托轴的结构示意图；

图7为本发明实施例中下横梁处安装拉杆的结构示意图；

图中：1-主塔，11-下横梁，2-主梁，21-下弦杆，3-拉杆，4-托轴，5-边墩，6-辅助墩，7-活动支座。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例提供一种温度自适应塔梁顺桥向约束方法。该方法配合温度自适应塔梁顺桥向约束系统使用。图1为本发明实施例中温度自适应塔梁顺桥向约束系统的整体示意图，图2为本发明实例中温度自适应塔梁顺桥向约束系统的俯视结构示意图。如图1和图2所示，该方法应用于该系统的斜拉桥上，在建桥时，或成桥后加装对主梁的顺桥向约束，可以同时改善主梁在温度和风荷载作用下，以及活载作用下的主塔的受力情况，并同时降低主梁的梁端位移。。

该温度自适应塔梁顺桥向约束方法包括：

s1：根据有限元计算确定拉杆的截面面积a，为设置顺桥向约束做准备，具体过程为：

s11：根据主塔截面检算要求，得到主塔在主力和附加力作用下的控制弯矩。具体地，根据主力作用下的主塔弯矩，设计出主塔截面，根据主塔截面和材料的容许应力求解出主塔在主力加附加力工况下允许承受的最大弯矩，最大弯矩即为控制弯矩。

s12：建立带有拉杆的斜拉桥结构有限元模型，并给拉杆施加初始张拉力t。为后续的有限元计算提供初始参数。

具体地，建立带有拉杆的斜拉桥结构有限元模型，对桥梁结构进行计算，可获得拉杆在成桥运营阶段的拉力最大增量△t，该增量△t可作为初始张拉力t。

s13：将拉杆设置为n股截面积为a的子拉杆，n为正整数，取n的初始值取为1，逐渐增大n值，带入有限元模型中进行计算，获得各个n值对应的主塔在主力作用下主塔的弯矩值及主力和附加力作用下主塔的弯矩。

主力包括恒载和活载。恒载包括结构构件及附属设备的自重，混凝土收缩的和徐变的影响，土压力等。活载包括列车载荷和车道载荷。附加力为制动力、牵引力、风力、流水压力和温度力等。

s14：随着n值增大，直至有限元计算得到的主塔在主力和附加力下的弯矩小于对应的主塔的控制弯矩时，得到n值为子拉杆的股数n值。

s15：根据n值求得拉杆的截面面积a。

即n股截面积为a的子拉杆构成拉杆，拉杆的截面面积a＝n乘以a。在本实施例中，每股子拉杆为127丝直径7mm的丝股组成。

具体地对s1步骤进行举例说明：

首先根据主力作用下的主塔弯矩，设计出主塔截面，根据主塔截面和材料的容许应力求解出主塔在主力加附加力工况下允许承受的最大弯矩，最大弯矩即为控制弯矩。

建立带有拉杆的斜拉桥结构有限元模型，首先假定拉杆初始张拉力500吨，桥梁结构进行运营计算，可获得拉杆在成桥运营阶段的拉力最大增量750吨，将该增量750吨作为拉杆的最终的初始张拉力。

将拉杆设置为n股截面积为a的子拉杆，n为正整数，取n的初始值取为1，逐渐增大n值，带入有限元模型中进行计算，可获得主力和附加力作用下的主塔弯矩。

图3为n值变化时主塔弯矩变化图。根据该图3可知：①温度荷载作用下，主塔弯矩不变，顺桥向约束可自动适应温度效应；②随着拉杆截面面积a的增大，主塔的顺桥向风弯矩逐渐变小；③随着拉杆截面面积a的增大，主塔的活载弯矩先变小，后基本不变。

当n等于5时，主塔在主力和附加力下的弯矩小于对应的主塔的控制弯矩。

在本实施例中，每股子拉杆127丝直径7mm的丝股组成。此时该n值对应的拉杆的截面面积a＝0.024m²即为拉杆3的截面面积a。

图4为本发明实施例中两主塔之间的主梁安装拉杆的结构示意图，图5为本发明实施例中主梁的横截面结构示意图，如图4和图5所示：

s2：在两根主塔1之间的主梁2的两侧均设置两组拉杆3，每组拉杆3一端与对应主塔1的下横梁11连接，另一端与主梁2上的下弦杆21的中心点连接。

图6为本发明实施例中主梁上安装拉杆和托轴的结构示意图，如图6所示：

s3：在设置拉杆3区域的下弦杆21上设置用于支撑拉杆3的托轴4。

在本实施例中，在下弦杆上间隔14m左右设置托轴，设置托轴可为拉杆提供竖向支撑，减小拉杆由于自身重力产生的垂度效应，使拉杆提供充分的顺桥向刚度，也可延长拉杆的使用寿命。

另外托轴4采用滚轮式托轴，可使拉杆3在受温度或者风荷载伸长时，减小托轴4和拉杆3之间的摩擦力，可提高拉杆3和托轴4的使用寿命。

下表给出未采用该顺桥向约束技术和采用该顺桥向约束技术的塔底弯矩和梁端位移。由下表可以看出，主力+附附加力组合塔底弯矩降低24％，梁端位移约降低30％，效果非常明显。

所以将主梁与主塔用cfrp拉杆连接，提供了主梁的抗风刚度。当主梁受到沿主梁顺桥方向的风荷载时，主梁会有顺桥向变动趋势，此时拉杆就将主梁受到的风荷载直接传递到主塔的下横梁处，改变了主梁风荷载通过斜拉索传递到主塔顶部的传力路径，降低了主塔弯矩，从而减小了主塔尺寸和基础规模，节省成本。另外采用cfrp拉杆连接主塔下横梁与中跨主梁的中心点，在温度荷载作用下，由于主塔下横梁和中跨主梁中心点均是不动点，使得主梁变形不受约束。同时，拉杆材质为cfrp，不受温度影响。结合上述两种温度模式受力特点，该技术避免了传统技术将主梁和主塔在下横梁处连接，主梁、拉杆在温度荷载作用下会产生约束力，增大主塔弯矩。因此，该约束技术可自动适应温度的变化。同时采用拉杆连接主塔下横梁与中跨主梁的中心点，改变了活载作用下主塔的最不利影响线的加载位置和峰值大小，使活载作用下主塔的最不利影响线的加载位置向靠近主塔位置移动，从而减小了活载对主塔产生的弯矩。并同时降低了主梁在风荷载、活载作用下的梁端位移。

图7为本发明实施例中下横梁处安装拉杆的结构示意图，结合图1、2、4和7所示：

本发明还提供一种温度自适应塔梁顺桥向约束系统，该温度自适应塔梁顺桥向约束系统包括：

两根主塔1，每根主塔1均设有下横梁11。

主梁2，其穿过两根主塔1并设于下横梁11上，主梁2的两侧均设有下弦杆21。

两根主塔1之间的主梁2两侧均设有两组拉杆3，每组拉杆3一端与对应主塔2的下横梁11连接，另一端与主梁2上的下弦杆21的中心点连接。

在本实施例中，该温度自适应塔梁顺桥向约束系统还包括两个边墩5，每个边墩5上均设有活动支座7，两个辅助墩6，每个辅助墩6均设有活动支座7，主梁2的两端设于边墩5和辅助墩6的活动支座7，活动支座7提供主梁2竖向支撑力。两根主塔1用来支撑主梁2竖直方向的力，并不将主梁2固定不动。主梁2的两端设于边墩5、辅助墩6上，用于支撑主梁2但是并不固定不动。

采用拉杆连接下横梁11和两主塔1之间中心点的设计可以同时解决主梁2在温度和风荷载作用下对主塔1的受力状况。

优选地，拉杆3的材质为碳纤维增强复合材料cfrp。拉杆3采用碳纤维增强复合材料cfrp制成，由于碳纤维增强复合材料cfrp温度膨胀系数极低，仅为钢材的1/20，所以温度的变化对碳纤维增强复合材料cfrp拉杆的影响小，降低了拉杆3自身受温度影响对主塔1产生的不利影响。

再次参见图6，优选地，该温度自适应塔梁顺桥向约束系统还包括多根托轴4，托轴4沿主梁2的延伸方向设于两根主塔1之间的下弦杆21上，拉杆3搭设于下弦杆21上。设置托轴4可为拉杆3提供竖向支撑，减小拉杆3由于自身重力产生的垂度效应，使拉杆3提供充分的顺桥向刚度，也可延长拉杆3的使用寿命。

优选地，托轴4为滚轮式托轴。采用滚轮式托轴可减小托轴4和拉杆3之间的摩擦力，可提高拉杆3和托轴4的使用寿命。

当设置每一侧均设有多根拉杆3，则设置多根托轴4支撑拉杆3。

优选地，托轴4的间距为14m。间距为14m即可满足支撑拉杆3的要求，也不至于设置过密浪费材料。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。