一种基于多状态同目标的斜拉索索长设计方法及系统与流程

1.本发明涉及桥梁设计技术领域，具体涉及一种基于多状态同目标的斜拉索索长设计方法及系统。


背景技术：

2.斜拉桥是以斜拉索连接索塔和主梁作为桥跨结构的桥，主梁可以看做是支承在斜拉索上的弹性连续梁，在确定荷载的平衡状态下，主梁桥面线形与斜拉索索长是对应的，即主梁桥面线形、主梁荷载状态及斜拉索索长三者之间是相互关联的，主梁荷载状态和斜拉索索长是外因，主梁桥面线形是作用结果，那么荷载状态发生变化时，则需通过调整斜拉索索长来确保主梁桥面线形处于设计位置，保证行车的平顺性。因此，斜拉桥设计时需明确主梁自重及二期恒载，以桥面线形处于设计位置为目标来确定斜拉索索长，目前斜拉桥斜拉索索长均是按照该方法设计的。但在实践过程中，因主梁设计荷载与实施荷载有一定差别、主梁制造及安装误差、混凝土收缩及徐变等因素，导致主梁成桥桥面线形与设计位置有差异，当斜拉索索长调节量不足时，导致行车平顺性较差或采取桥面铺装调整等措施按主梁实际成桥线形进行微调拟合，工序繁琐、影响桥梁按时开通。
3.根据斜拉索桥热挤聚乙烯高强钢丝拉索技术条件标准的要求，斜拉索成品索由索体、锚具(锚杯、锚圈、连接筒)等部件组成，制索厂家根据该标准将斜拉索索长可调节构造段即锚杯长度进行了标准化，即跨度100m与1000m斜拉桥的斜拉索锚固段长度是相同的，在理论上是可行的。但随着交通建设的发展，公路斜拉桥跨度已经由400m左右跃升至1000m级，当主梁设计与实施荷载差异、制造及安装误差、混凝土收缩及徐变等因素对主梁成桥线形的影响随跨度增大而更加显著，亟需在斜拉索索长设计时从源头解决。
4.随着我国高速铁路已进入快速发展阶段，与此同时，一批高速铁路大跨度斜拉桥相继建成投入运营，跨度由开始时的504m迅速发展到1092m，取得了举世瞩目的成就，但铁路斜拉桥的桥面线形除存在与公路斜拉桥同样的影响因素外，多线有砟铁路还存在铁路预留线与高铁整幅布置而轨道系统分期建设开通、道砟离散性大(以四线纯铁路斜拉桥为例，道砟随着运营维护不断加砟捣固密实，道砟容重从17kn/m3至21kn/m3范围引起二恒重量变化约6％)的特点，加剧了铁路大跨斜拉桥桥面线形控制的难度，导致成桥桥面线形往往与设计位置不一致，不得以通过斜拉桥两端若干长度范围内的高铁轨道系统缓慢渐变拟合调整运营轨道线形，造成极大的时间与经济的浪费，而且预留线轨道系统安装后还需再次大范围对高铁轨道系统拟合调整。另外，铁路斜拉桥轨道系统及桥面系组成的二期恒载与成桥恒载相比较公路斜拉桥大(主梁二期恒载/(主梁自重+二期恒载)：公路斜拉桥占比一般不超过20％，铁路钢箱梁斜拉桥占比可达62％)，因此铁路大跨斜拉桥施工中常有因斜拉索安装阶段索力较小、索长短而安装困难，如被动采用临时接长杆连接，又有一定施工安全风险。
5.如果斜拉索索长设计阶段能充分考虑各个可能的荷载状态、主梁制造及安装误差、混凝土收缩及徐变、斜拉索安装阶段索力小及索长短等因素，那么经斜拉索索长调整完
全可以使主梁成桥线形准确回到设计线形。但当前却缺乏有效的斜拉索索长设计方法。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于多状态同目标的斜拉索索长设计方法及系统，解决了按单一状态设计斜拉索参数而导致索长调节能力不足的问题。
7.为达到以上目的，本发明提供一种基于多状态同目标的斜拉索索长设计方法，具体包括以下步骤：
8.s1：建立全桥空间有限元计算模型，并确定桥梁设计状态下的理论成桥目标状态和施工合龙目标状态，并计算得到对应的斜拉索无应力索长；
9.s2：根据桥梁的多种实际运营状态，采用全桥空间有限元计算模型模拟，均以所述理论成桥目标状态的线形为同目标，控制大桥线形，检算大桥的承载力，并计算得到不同实际运营状态下的斜拉索无应力索长；
10.s3：基于所述理论成桥目标状态下的斜拉索参数，按规范选择斜拉索标准产品，确定斜拉索张拉端、固定端的标准锚杯调节量参数；
11.s4：基于无应力状态控制法，计算得到从理论施工合龙目标状态至理论成桥目标状态，对应的施工阶段斜拉索的调节量；
12.s5：基于无应力状态控制法，计算得到从理论成桥目标状态至各实际运营状态，对应的运营阶段斜拉索的最大调节量；
13.s6：根据计算得到的施工阶段斜拉索的调节量和运营阶段斜拉索的最大调节量，设计斜拉索张拉端锚杯长度；
14.s7：基于无应力状态控制法，结合斜拉索实际制造偏差和实际锚点施工偏差，修正固定端锚杯外露量，同时计算出施工合龙目标状态、不同实际运营状态下张拉端锚杯外露量，指导现场斜拉索张拉作业，达到成桥同目标线形控制。
15.在上述技术方案的基础上，所述计算得到对应的斜拉索无应力索长，具体步骤包括：
16.基于无应力状态控制法的施工控制理论，根据斜拉索索力、斜拉索重量、弹性模量参数和塔梁端实际锚点坐标参数，结合悬链线经典公式计算得到理论成桥目标状态下的无应力索长，以及理论施工合龙目标状态下的无应力索长。
17.在上述技术方案的基础上，
18.所述实际运营状态包括第一实际运营状态、第二实际运营状态、第三实际运营状态和其它实际运营状态，所述同目标指多种实际运营状态下的成桥线形均为设计线形；
19.所述第一实际运营状态为运营初期，且此时道砟容重为17kn/m3，多线铁路均开通；
20.所述第二实际运营状态下道砟容重为17kn/m3，部分铁路线未开通，且相应的道砟或轨道结构暂未安装，桥梁偏载受力，控制主梁上下游侧线形一致，受力差异导致上下侧斜拉索索力不同；
21.所述第三实际运营状态为基于第一实际运营状态运营多年之后，调索解决主梁跨中收缩徐变下挠；
22.所述其它实际运营状态为第一实际运营状态、第二实际运营状态和第三实际运营状态外的其他可能运营状态。
23.在上述技术方案的基础上，所述基于所述理论成桥目标状态下的斜拉索参数，按规范选择斜拉索标准产品，确定斜拉索张拉端、固定端的标准锚杯调节量参数，具体步骤包括：
24.基于确定的理论成桥目标状态，按规范选择斜拉索标准产品，确定标准固定端、张拉端锚杯调节量参数范围：
25.施工状态固定端锚杯外露量：h1≤w1≤s
1-h
q-50
26.施工状态张拉端锚杯外露量：50≤w2≤s
2-h
q-50
27.运营状态张拉端锚杯外露量：h2≤w2≤s
2-h
q-50
28.其中，w1表示施工状态控制固定端锚杯的外露量，w2表示施工、运营状态控制张拉端锚杯的外露量，s1表示固定端锚杯长度，s2表示张拉端锚杯长度，hq表示锚圈长度，h1表示固定端锚杯空心段长度，h2表示张拉端锚杯空心段长度；
29.根据确定的理论成桥目标状态，推算得到施工状态下标准张拉端锚杯可提供的调索能力：
[0030][0031][0032]
其中，d
1b
表示施工状态标准张拉端锚杯可提供的最大拔索量，d
1f
表示施工状态标准张拉端锚杯可提供的最大放索量；
[0033]
根据确定的理论成桥目标状态，推算得到运营状态张拉端锚杯可提供的调索能力：
[0034][0035][0036]
其中，d
0b
表示运营状态标准张拉端锚杯可提供的最大拔索量，d
0f
表示运营状态标准张拉端锚杯可提供的最大放索量。
[0037]
在上述技术方案的基础上，所述计算得到从理论施工合龙目标状态至理论成桥目标状态，对应的施工阶段斜拉索的调节量，具体步骤包括：
[0038]
计算得到施工过程中，实际需要的张拉端锚杯拔索量和放索量，具体的计算公式为：
[0039]
δ
1b
＝l
0-min(l0,l1)
[0040]
δ
1f
＝max(l0,l1)-l0[0041]
其中，δ
1b
表示施工过程中实际需要的张拉端锚杯拔索量，δ
1f
表示施工过程中实
际需要的张拉端锚杯放索量，l0表示理论成桥目标状态下的无应力索长，l1表示施工合龙目标状态下的无应力索长，min表示最小值计算函数，max表示最大值计算函数。
[0042]
在上述技术方案的基础上，
[0043]
当施工过程中需要的张拉端锚杯拔索量超过施工状态标准张拉端锚杯可提供的最大拔索量，或需要的张拉端锚杯放索量超过施工状态标准张拉端锚杯可提供的最大放索量时，则对张拉端锚杯进行加长设计；
[0044]
当施工过程中需要的张拉端锚杯拔索量超过施工状态标准张拉端锚杯可提供的最大拔索量时，张拉端锚杯的反向加长值c
1b
＝max(0,δ
1b-d
1b
)；
[0045]
当施工过程中实际需要的张拉端锚杯放索量超过施工状态标准张拉端锚杯可提供的最大放索量时，张拉端锚杯的正向加长值c
1f
＝max(0,δ
1f-d
1f
)。
[0046]
在上述技术方案的基础上，
[0047]
所述基于无应力状态控制法，计算得到从理论成桥目标状态至各实际运营状态，对应的运营阶段斜拉索的最大调节量，具体步骤包括：
[0048]
基于无应力状态控制法，并根据不同实际运营状态下的无应力索长，计算得到运营过程中，实际需要的张拉端锚杯最大拔索量和最大放索量：
[0049]
δ
0b
＝l
0-min(l0,l2,l3,l4)
[0050]
δ
0f
＝max(l0,l2,l3,l4)-l0[0051]
其中，δ
0b
表示运营过程中需要的张拉端锚杯最大拔索量，δ
0f
表示运营过程中需要的张拉端锚杯最大放索量，l2表示第一实际运营状态下的无应力索长，l3表示第二实际运营状态下的无应力索长，l4表示第三实际运营状态下的无应力索长；
[0052]
当运营过程中实际需要的张拉端锚杯最大拔索量超过运营状态标准张拉端锚杯可提供的最大拔索量，或运营过程中实际需要的张拉端锚杯最大放索量超过运营状态标准张拉端锚杯可提供的最大放索量，则对张拉端锚杯进行加长设计；
[0053]
当运营过程中实际需要的张拉端锚杯最大拔索量超过运营状态标准张拉端锚杯可提供的最大拔索量时，张拉端锚杯的反向加长值c
0b
＝max(0,δ
0b-d
0b
)；
[0054]
运营过程中实际需要的张拉端锚杯最大放索量超过运营状态标准张拉端锚杯可提供的最大放索量时，张拉端锚杯的正向加长值c
0f
＝max(0,δ
0f-d
0f
)。
[0055]
在上述技术方案的基础上，所述根据计算得到的施工阶段斜拉索的调节量和运营阶段斜拉索的最大调节量，设计斜拉索张拉端锚杯长度，具体步骤包括：
[0056]
根据张拉端锚杯的正向加长值和反向加长值，确定张拉端锚杯的设计长度值：
[0057]
s2′
＝s2+max(c
0b
,c
1b
)+max(c
0f
,c
1f
)
[0058]
其中，s2′
表示张拉端锚杯的设计长度值，当塔梁端处均设张拉端锚杯且均具备张拉条件时，按张拉端锚杯总加长值总量值为max(c
0b
,c
1b
)+max(c
0f
,c
1f
)，以不同分担比例设计塔、梁端处的锚杯；
[0059]
确定基准温度下含张拉端、固定端锚杯长度的斜拉索无应力总长：
[0060]
l
′
＝l0+w
10
+w
20
+2hq+max(c
0f
,c
1f
)
[0061]
其中，l
′
表示设计斜拉索无应力总长，w
10
表示理论成桥目标状态确定的固定端标准锚杯锚圈外露长度，w
20
表示理论成桥状态目标状态下确定的张拉端标准锚杯锚圈外露长度。
[0062]
在上述技术方案的基础上，所述计算出施工合龙目标状态、不同实际运营状态下张拉端锚杯外露量，具体的：
[0063]
按设计斜拉索参数指令，制造完成后，斜拉索厂家反馈的基准温度下含锚杯的斜拉索制造总长l
cs
，斜拉索实际锚点施工偏差引起的斜拉索工作段无应力索长增加值δl
xs
；
[0064]
计算得到施工合龙目标状态下张拉端杯外露量的理论值：
[0065]w2-1
＝l
cs-l
1-δl
xs-w
1s-2hq[0066]
其中，w
2-1
表示施工合龙目标状态下张拉端锚杯外露量的理论值，w
1s
表示考虑斜拉索加工及施工锚点偏差后，修正的固定端锚杯外露量值；
[0067]
计算得到理论成桥目标状态张拉端锚杯外露量的理论值：
[0068]w2-0
＝l
cs-l
0-δl
xs-w
1s-2hq[0069]
其中，w
2-0
表示理论成桥目标状态张拉端锚杯外露量的理论值；
[0070]
计算得到第一实际运营状态下张拉端锚杯外露量的理论值：
[0071]w2-2
＝l
cs-l
2-δl
xs-w
1s-2hq[0072]
其中，w
2-2
表示第一实际运营状态下张拉端锚杯外露量的理论值；
[0073]
计算得到第二实际运营状态下张拉端锚杯外露量的理论值：
[0074]w2-3
＝l
cs-l
3-δl
xs-w
1s-2hq[0075]
其中，w
2-3
表示第二实际运营状态下张拉端锚杯外露量的理论值；
[0076]
计算得到第三实际运营状态下张拉端杯外露量的理论值：
[0077]w2-4
＝l
cs-l
4-δl
xs-w
1s-2hq[0078]
其中，w
2-4
表示第三实际运营状态下张拉端锚杯外露量的理论值。
[0079]
本发明提供的一种基于多状态同目标的斜拉索索长设计系统，包括：
[0080]
建立模块，其用于建立全桥空间有限元计算模型，并确定桥梁设计状态下的理论成桥目标状态和施工合龙目标状态，并计算得到对应的斜拉索无应力索长；
[0081]
第一计算模块，其用于根据桥梁的多种实际运营状态，采用全桥空间有限元计算模型模拟，均以所述理论成桥目标状态的线形为目标，控制大桥线形，检算大桥的承载力，并计算得到不同实际运营状态下的斜拉索无应力索长；
[0082]
确定模块，其用于基于所述理论成桥目标状态下的斜拉索参数，按规范选择斜拉索标准产品，确定斜拉索张拉端、固定端的标准锚杯调节量参数；
[0083]
第二计算模块，其用于基于无应力状态控制法，计算得到从理论施工合龙目标状态至理论成桥目标状态，对应的施工阶段斜拉索的调节量；
[0084]
第三计算模块，其用于基于无应力状态控制法，计算得到从理论成桥目标状态至各实际运营状态，对应的运营阶段斜拉索的最大调节量；
[0085]
设计模块，其用于根据计算得到的施工阶段斜拉索的调节量和运营阶段斜拉索的最大调节量，设计斜拉索张拉端锚杯长度；
[0086]
运用模块，其用于基于无应力状态控制法，结合斜拉索实际制造偏差和实际锚点施工偏差，修正固定端锚杯外露量，同时计算出施工合龙目标状态、不同实际运营状态下张拉端锚杯外露量，指导现场斜拉索张拉作业，达到成桥同目标线形控制。
[0087]
与现有技术相比，本发明的优点在于：提出并应用了一种利用全桥空间有限元计算模型，基于无应力状态施工控制理论，按多种运营状态下成桥线形均能达到设计线形为
目标，且兼顾施工调索需求来精准设计斜拉索张拉端锚杯调节量的方法；解决了现有技术按单一状态设计斜拉索参数而导致索长调节能力不足的问题；实现了多种运营状态下，均能通过经济而高效的调索手段，准确控制成桥线形达到设计线形的目标。
附图说明
[0088]
为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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技术的一些实施例，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。
[0089]
图1为本发明实施例中一种基于多状态同目标的斜拉索索长设计方法的流程图；
[0090]
图2为斜拉桥桥梁的结构示意图；
[0091]
图3为常规理论成桥状态斜拉索参数示意图；
[0092]
图4为实际状态斜拉索参数示意图。
具体实施方式
[0093]
为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的典型实施例，而不是全部的实施例。
[0094]
参见图1所示，本发明针对多线铁路有砟斜拉桥，钢梁自重轻二恒重引起斜拉索调索拔出量大、施工偏差、运营初期道砟容重低，多年收缩徐变跨中下挠及预留线后期启用等多种状态下，均有通过调索使成桥线形达到设计线形的需求，而现有技术按单一状态设计的斜拉索存在长度调节能力不足的问题，提出一种基于多状态同目标的斜拉索索长设计方法，相比斜拉索的长度被动调节措施安全、高效、经济、耐久性好。本发明的斜拉索索长设计方法，具体包括以下步骤：
[0095]
s1：建立全桥空间有限元计算模型，并确定桥梁设计状态下的理论成桥目标状态和施工合龙目标状态，并计算得到对应的斜拉索无应力索长；
[0096]
参见图2所示，对于本发明中所述的桥梁，斜拉索采用悬链线索单元，通过全桥有限元计算模型可以确定设计状态下的理论成桥目标状态和施工合龙目标状态。
[0097]
全桥设两个或多个主塔，主塔设多对斜拉索，斜拉索对主塔起约束作用，表现在按斜拉索塔端实际锚点与主塔锚固连接；斜拉索对主梁起支承约束作用，表现在按斜拉索梁端实际锚点与主梁锚固连接，主梁与主塔、桥墩间设支承约束，主梁起承担桥面荷载及多线列车活载，斜拉索受拉，起传递荷载至主塔的作用。图2中，1表示主梁，2表示斜拉索，3表示主塔，4表示桥墩。
[0098]
设计恒载状态下按塔直梁平的设计线形为理论成桥目标状态(道砟及多线铁路线路设备按规范取值，其中道砟容重为21kn/m3)。按施工步骤，采用正装计算，以控制合龙口(图3中标号11所示)两侧梁端标高及转角一致为理论施工合龙目标状态，以单根斜拉索为例，直接利用有限元软件或按悬链线经典公式提取计算索力、斜拉索重量和弹性模量参数及塔梁端实际锚点坐标参数(梁端实际锚点为图3中标号27所示，塔端实际锚点为图3中标号28所示)，计算出锚垫板(梁端锚垫板为图3中标号25所示，塔端锚垫板为图3中标号26所
示)间斜拉索的理论成桥目标状态和施工合龙目标状态的无应力索长。
[0099]
本发明实施例中，计算得到对应的斜拉索无应力索长，具体步骤包括：基于无应力状态控制法的施工控制理论，根据斜拉索索力、斜拉索重量、弹性模量参数和塔梁端实际锚点坐标参数，结合悬链线经典公式计算得到理论成桥目标状态下的无应力索长，以及理论施工合龙目标状态下的无应力索长。
[0100]
s2：根据桥梁的多种实际运营状态，采用全桥空间有限元计算模型模拟，均以所述理论成桥目标状态的线形为同目标(即设计线形)，控制大桥线形，检算大桥的承载力，并计算得到不同实际运营状态下的斜拉索无应力索长；
[0101]
本发明实施例中，实际运营状态包括第一实际运营状态、第二实际运营状态、第三实际运营状态和其它实际运营状态；第一实际运营状态为运营初期，且此时道砟容重为17kn/m3，多线铁路均开通；第二实际运营状态下道砟容重为17kn/m3，部分铁路线未开通(相应的道砟或轨道结构暂不安装)，桥梁偏载受力，控制主梁上下游侧线形一致，受力差异导致上下侧斜拉索索力不同；第三实际运营状态为基于第一实际运营状态运营多年之后，调索解决主梁跨中收缩徐变下挠。其它实际运营状态为第一实际运营状态、第二实际运营状态和第三实际运营状态外的其他可能运营状态，如铁路线路改造引起的荷载变化等。
[0102]
即利用建立的全桥空间有限元计算模型，按照可能实际运营状态下，采取初期、远期道砟容重、实际运营线路设备计算二恒，基于以设计线形为目标状态控制原则，检算大桥的承载力，确保结构安全。对于第一实际运营状态、第二实际运营状态和第三实际运营状态下的斜拉索无应力索长，其计算原理与步骤s1中的无应力索长计算方式相同。
[0103]
s3：基于所述理论成桥目标状态下的斜拉索参数，按规范选择斜拉索标准产品，确定斜拉索张拉端、固定端的标准锚杯调节量参数；
[0104]
本发明实施例中，基于所述理论成桥目标状态下的斜拉索参数(索力、锚点坐标等)，按规范选择斜拉索标准产品，确定斜拉索张拉端、固定端的标准锚杯调节量参数，具体步骤包括：
[0105]
s301：基于确定的理论成桥目标状态，按规范选择斜拉索标准产品，确定标准固定端、张拉端锚杯调节量参数范围。即基于确定的理论成桥目标状态下，斜拉索的受力，按规范选择斜拉索标准产品，可根据桥梁实际操作空间和结构特点，确定塔端或梁端为斜拉索张拉端锚杯调节斜拉索长度，则另一端为斜拉索固定端；或塔梁端均设张拉端锚杯调节斜拉索长度。以下以斜拉索设计塔端为张拉端，梁端为固定端为例说明，考虑斜拉索锚固安全后确定标准固定端、张拉端锚杯调节量参数范围(以下斜拉索参数，长度单位:mm，温度单位:℃)：
[0106]
施工状态固定端锚杯外露量：h1≤w1≤s
1-h
q-50
[0107]
施工状态张拉端锚杯外露量：50≤w2≤s
2-h
q-50
[0108]
运营状态张拉端锚杯外露量：h2≤w2≤s
2-h
q-50
[0109]
其中，w1表示施工状态控制固定端锚杯的外露量，w2表示施工、运营状态控制张拉端锚杯的外露量，s1表示固定端锚杯长度，s2表示张拉端锚杯长度，hq表示锚圈长度，h1表示固定端锚杯空心段长度，h2表示张拉端锚杯空心段长度；
[0110]
设计的理论成桥目标状态按常规设计斜拉索参数(即根据当前规范选择标准产品)，计算得到梁端锚圈中心布置在标准固定端锚杯实体段中心处的外露量值w
10
，以及塔端
锚圈中心布置在标准张拉端锚杯实体段中心处的外露量值w
20
，实现斜拉索传力最佳，固定端锚杯调整正负初始偏差(如斜拉索长制造偏差、塔梁端锚点坐标施工偏差)能力相当，张拉端锚杯拔索或放索调节能力相当。
[0111]
固定端锚杯理论成桥目标状态：
[0112]
张拉端锚杯理论成桥目标状态：
[0113]
斜拉索安装时先确定固定端锚杯外露值，后续施工、成桥、及实际运营状态下索长的调整采用调整张拉端锚杯上锚圈的位置，以实现对主梁线形和索力的控制。
[0114]
s302：根据确定的理论成桥目标状态，推算得到施工状态下标准张拉端锚杯可提供的调索能力：
[0115][0116][0117]
其中，d
1b
表示施工状态标准张拉端锚杯可提供的最大拔索量，d
1f
表示施工状态标准张拉端锚杯可提供的最大放索量；
[0118]
s303：根据确定的理论成桥目标状态，推算得到运营状态张拉端锚杯可提供的调索能力：
[0119][0120][0121]
其中，d
0b
表示运营状态标准张拉端锚杯可提供的最大拔索量，d
0f
表示运营状态标准张拉端锚杯可提供的最大放索量。
[0122]
即基于理论成桥目标状态，斜拉索的受力，按规范(斜拉索桥热挤聚乙烯高强钢丝拉索技术条件标准)选择斜拉索标准产品，可根据桥梁实际操作空间和结构特点，确定塔端或梁端设置为斜拉索张拉端(布置张拉设备)调节索长，则另一端为斜拉索固定端；或塔梁端均设张拉端(布置张拉设备)调节索长。一般斜拉索设计塔端为张拉端即塔端设张拉端锚杯(调节索长)，梁端为固定端即梁端可选择张拉端锚杯(可调节索长)或固定端锚杯，参见图3所述，斜拉索产品由梁端(固定端)锚杯、塔端(张拉端)锚杯、斜拉索或索体、锚圈含球铰、分丝锚板、索体连接筒组成。按设计规范选取梁端锚杯为标准张拉或固定端锚杯，塔端锚杯按张拉端标准锚杯，锚圈含球铰通过螺纹旋转于梁端锚杯、塔端锚杯上，且支撑于梁端锚垫板、塔端锚垫板上锚固斜拉索。图3中，22表示张拉端锚杯，21表示固定端锚杯，23表示锚圈，24表示分丝锚板，29表示索体连接筒，25表示梁端锚垫板，26表示塔端锚垫板。图3中
的状态0表示理论成桥目标状态。
[0123]
当实际需要的张拉端锚杯调节量超过步骤s3中常规设计的斜拉索标准产品可提供的拔索量或放索量时，需要对张拉端锚杯进行加长设计。张拉端锚杯加长设计按维持锚杯空心段h2长度不变，以增加锚杯实体段长度，螺纹参数同设计规范要求，正向加长值为增加含锚杯的斜拉索总长，而反向加长值为不增加含锚杯的斜拉索总长。
[0124]
s4：基于无应力状态控制法，计算得到从理论施工合龙目标状态至理论成桥目标状态，对应的施工阶段斜拉索的调节量；
[0125]
本发明实施例中，计算得到从理论施工合龙目标状态至理论成桥目标状态，对应的施工阶段斜拉索的调节量，具体步骤包括：
[0126]
计算得到施工过程中，实际需要的张拉端锚杯拔索量和放索量，具体的计算公式为：
[0127]
δ
1b
＝l
0-min(l0,l1)
[0128]
δ
1f
＝max(l0,l1)-l0[0129]
其中，δ
1b
表示施工过程中实际需要的张拉端锚杯拔索量，δ
1f
表示施工过程中实际需要的张拉端锚杯放索量，l0表示理论成桥目标状态下的无应力索长，l1表示施工合龙目标状态下的无应力索长，min表示最小值计算函数，max表示最大值计算函数。
[0130]
当施工过程中需要的张拉端锚杯拔索量超过施工状态标准张拉端锚杯可提供的最大拔索量，或需要的张拉端锚杯放索量超过施工状态标准张拉端锚杯可提供的最大放索量时，则对张拉端锚杯进行加长设计；
[0131]
当施工过程中需要的张拉端锚杯拔索量超过施工状态标准张拉端锚杯可提供的最大拔索量时，张拉端锚杯的反向加长值c
1b
＝max(0,δ
1b-d
1b
)；
[0132]
当施工过程中实际需要的张拉端锚杯放索量超过施工状态标准张拉端锚杯可提供的最大放索量时，张拉端锚杯的正向加长值c
1f
＝max(0,δ
1f-d
1f
)。
[0133]
s5：基于无应力状态控制法，计算得到从理论成桥目标状态至各实际运营状态，对应的运营阶段斜拉索的最大调节量；
[0134]
本发明实施例中，基于无应力状态控制法，计算得到从理论成桥目标状态至各实际运营状态，对应的运营阶段斜拉索的最大调节量，具体步骤包括：基于无应力状态控制法，并根据不同实际运营状态下的无应力索长，计算得到运营过程中，实际需要的张拉端锚杯最大拔索量和最大放索量：
[0135]
δ
0b
＝l
0-min(l0,l2,l3,l4)
[0136]
δ
0f
＝max(l0,l2,l3,l4)-l0[0137]
其中，δ
0b
表示运营过程中需要的张拉端锚杯最大拔索量，δ
0f
表示运营过程中需要的张拉端锚杯最大放索量，l2表示第一实际运营状态下的无应力索长，l3表示第二实际运营状态下的无应力索长，l4表示第三实际运营状态下的无应力索长。
[0138]
当运营过程中实际需要的张拉端锚杯最大拔索量超过运营状态标准张拉端锚杯可提供的最大拔索量，或运营过程中实际需要的张拉端锚杯最大放索量超过运营状态标准张拉端锚杯可提供的最大放索量，则对张拉端锚杯进行加长设计。
[0139]
当运营过程中实际需要的张拉端锚杯最大拔索量超过运营状态标准张拉端锚杯可提供的最大拔索量时，张拉端锚杯的反向加长值c
0b
＝max(0,δ
0b-d
0b
)；
[0140]
运营过程中实际需要的张拉端锚杯最大放索量超过运营状态标准张拉端锚杯可提供的最大放索量时，张拉端锚杯的正向加长值c
0f
＝max(0,δ
0f-d
0f
)。
[0141]
s6：根据计算得到的施工阶段斜拉索的调节量和运营阶段斜拉索的最大调节量，设计斜拉索张拉端锚杯长度；
[0142]
本发明实施例中，根据计算得到的施工阶段斜拉索的调节量和运营阶段斜拉索的最大调节量，设计斜拉索张拉端锚杯长度，具体步骤包括：
[0143]
s601：根据张拉端锚杯的正向加长值和反向加长值，确定张拉端锚杯的设计长度值：
[0144]
s2′
＝s2+max(c
0b
,c
1b
)+max(c
0f
,c
1f
)
[0145]
其中，s2′
表示张拉端锚杯的设计长度值；即综合步骤s4、s5计算得到的张拉端锚杯加长值，设计张拉端锚杯加长设计维持锚杯空心段h2长度不变，以增加锚杯实体段长度，螺纹参数同设计规范要求。
[0146]
当塔梁端处均设张拉端锚杯且均具备张拉条件时，按张拉端锚杯总加长值为max(c
0b
,c
1b
)+max(c
0f
,c
1f
)，可根据具体实施条件，以不同的分担比例，分别对塔梁端锚杯进行加长设计，调节斜拉索时以塔梁端配合使用。
[0147]
s602：确定基准温度下含张拉端、固定端锚杯长度的斜拉索无应力总长：
[0148]
l
′
＝l0+w
10
+w
20
+2hq+max(c
0f
,c
1f
)
[0149]
其中，l
′
表示设计斜拉索无应力总长，w
10
表示理论成桥目标状态确定的固定端标准(梁端)锚杯锚圈外露长度(锚圈居中锚杯实体段)，w
20
表示理论成桥状态目标状态下确定的张拉端标准(塔端)锚杯锚圈外露长度(锚圈居中锚杯实体段)，其他参数如前述。
[0150]
对于斜拉索平行钢丝下料长度，计算公式为：
[0151]
ls＝(l
′‑h1-h2+2a)+(l
′‑h1-h2+2a)
×
1.18
×
10-5
×
(t
t-t0)
[0152]
其中，ls表示平行钢丝下料长度，a表示斜拉索制造厂家根据工艺修正的分丝锚板处墩头锚固钢丝长度，t0表示基准温度，t
t
表示平行钢丝下料时的实际温度，h1、h2分别表示固定端、张拉端锚杯空心段长度。
[0153]
s7：基于无应力状态控制法，结合斜拉索实际制造偏差和实际锚点施工偏差，修正固定端锚杯外露量，同时计算出施工合龙目标状态、不同实际运营状态下张拉端锚杯外露量，指导现场斜拉索张拉作业，达到成桥同目标线形控制。
[0154]
本发明实施例中，结合斜拉索实际制造偏差和实际锚点施工偏差，修正固定端锚杯外露量，进而调整初始偏差，同时计算出施工合龙目标状态、不同实际运营状态下张拉端锚杯外露量，指导现场斜拉索张拉作业，达到成桥同目标线形即设计线形控制。计算出施工合龙目标状态、不同实际运营状态下张拉端锚杯外露量，具体步骤包括：
[0155]
s701：按设计斜拉索参数指令，制造完成后，斜拉索厂家反馈的基准温度下含锚杯的斜拉索制造总长l
xs
，计算索长制造偏差值δl
cs
，斜拉索实际锚点施工偏差引起的斜拉索工作段无应力索长增加值δl
xs
。结合斜拉索实际加工偏差和实际锚点施工偏差，修正固定端锚杯外露量，进而调整初始偏差。
[0156]
斜拉索厂家根据设计单位提供的斜拉索参数指令，制造斜拉索存在索长偏差，体现在斜拉索的平行钢丝下料长度偏差；斜拉索塔梁端实际锚点存在施工偏差，这些偏差均需要满足现行施工验收标准的要求。
[0157]
根据斜拉索厂家反馈的基准温度下含锚杯的斜拉索制造总长l
cs
，则斜拉索制造偏差值δl
cs
：
[0158]
δl
cs
＝l
cs-l'，制造偏差值以斜拉索下料偏长为正，反之为负。
[0159]
而斜拉索制造长度l'允许偏差应符合规范要求，具体要求如下：
[0160]
l'≤200m,δl
cs
≤0.02m；
[0161]
l'＞200m,δl
cs
≤(l'/20000+0.010)m
[0162]
施工验收标准要求斜拉索实际锚固点的施工容许偏差为：
[0163]
桥梁为混凝土结构构件时，塔端及梁端斜拉索实际锚点允许偏差为
±
10mm；桥梁为钢结构构件时，塔端及梁端斜拉索实际锚点容许偏差为
±
5mm。
[0164]
安装斜拉索前根据现场实测斜拉索的塔端、梁端实际锚点坐标，与同施工工况下设计的理论实际锚点坐标差，可作为成桥时塔梁端实际锚点的偏差，通过修正理论成桥目标状态下的斜拉索锚固坐标参数，忽略锚点坐标偏差引起的索力变化，取理论成桥索力，按步骤s1的方法计算斜拉索的工作段无应力长索长l
xs
，则斜拉索实际锚点偏差引起的斜拉索工作段无应力索长增加值δl
xs
：
[0165]
δl
xs
＝l
xs-l0，实际锚点施工偏差以斜拉索工作段无应力长度变长为正，反之为负。
[0166]
实际施工时修正固定端锚杯外露量：w
1s
＝w
10
+δl
cs-δl
xs
，同时确保固定端锚杯外露量w
1s
控制范围为：h1≤w
1s
≤s
1-h
q-50，确保斜拉索传力安全可靠，当w
1s
不满足上述控制条件时，取邻近控制条件的边界值。其中：w
1s
表示修正斜拉索制造及施工锚点偏差后的梁端锚杯外露量，其他参数同前。
[0167]
s702：根据斜拉索厂家反馈的斜拉索实际制造长度，推算施工合龙状态、不同实际运营状态下的张拉端锚杯外露量理论值，现场指导斜拉索张拉作业，达到成桥同目标线形控制。以下为各状态下的张拉端锚杯外露量值。
[0168]
计算得到施工合龙目标状态下张拉端杯外露量的理论值：
[0169]w2-1
＝l
cs-l
1-δl
xs-w
1s-2hq[0170]
其中，w
2-1
表示施工合龙目标状态下张拉端锚杯外露量的理论值，w
1s
表示考虑斜拉索加工及施工锚点偏差后，修正的固定端锚杯外露量值；
[0171]
计算得到理论成桥目标状态张拉端锚杯外露量的理论值：
[0172]w2-0
＝l
cs-l
0-δl
xs-w
1s-2hq[0173]
其中，w
2-0
表示理论成桥目标状态张拉端锚杯外露量的理论值；
[0174]
计算得到第一实际运营状态下张拉端锚杯外露量的理论值：
[0175]w2-2
＝l
cs-l
2-δl
xs-w
1s-2hq[0176]
其中，w
2-2
表示第一实际运营状态下张拉端锚杯外露量的理论值；
[0177]
计算得到第二实际运营状态下张拉端锚杯外露量的理论值：
[0178]w2-3
＝l
cs-l
3-δl
xs-w
1s-2hq[0179]
其中，w
2-3
表示第二实际运营状态下张拉端锚杯外露量的理论值；
[0180]
计算得到第三实际运营状态下张拉端杯外露量的理论值：
[0181]w2-4
＝l
cs-l
4-δl
xs-w
1s-2hq[0182]
其中，w
2-4
表示第三实际运营状态下张拉端锚杯外露量的理论值。
[0183]
经上述分析后，即参见图4所示，调整塔端锚杯外露量值实现多种运营状态下成桥同目标线形的控制。斜拉索安装时根据实际斜拉索制造偏差及塔梁端实际锚点施工偏差(图4中，27表示梁端实际锚点，28表示塔端实际锚点)，修正实际梁端锚杯外露量值达到调整初始偏差，斜拉索张拉设备设置在主塔端，初张拉按索力控制，调索以调整塔端斜拉索锚杯拔出量控制。基于无应力状态法控制理论，可控制施工及运营阶段张拉端锚杯外露量值达到控制主梁线形及索力，同时确保了成桥(永久状态)后张拉端锚杯外露量范围：
[0184]
h2≤w
2-i
≤s
′
2-h
q-50，保证斜拉索传力安全可靠。
[0185]
以下以新建安九铁路鳊鱼洲长江大桥南汊航道桥上游侧38号斜拉索(大桥为主跨672m的四线有砟铁路钢箱梁斜拉桥，按2线高铁+2线预留铁路整幅布置，张拉设备设在塔端)为例进行说明。
[0186]
成桥以高铁设计线形为控制目标计算不同状态下的斜拉索索长参数。以下为空间有限元软件计算得的参数：
[0187]
设计理论成桥目标状态：设计钢梁自重30t/m，按规范道砟容重21kn/m3，多线铁路均开通，计算得二恒48t/m，按设计线形控制计算无应力索长l0＝414.661m。
[0188]
施工合龙目标状态：考虑桥面吊机、钢梁自重30t/m计算得合龙状态索力为设计理论成桥目标状态索力的45％，按施工合龙状态线形计算无应力索长l1＝415.115m。
[0189]
第一实际运营状态：按实际运营初期道砟容重17kn/m3，多线铁路均开通，计算得二恒43t/m，按设计线形控制计算无应力索长l2＝414.697m。
[0190]
第二实际运营状态：按实际运营初期道砟容重17kn/m3，预留铁路暂不开通即预留线仅有道砟，无轨道及轨枕，计算得二恒41.5t/m，上下游侧重量偏差1.5t/m，控制主梁上下游侧线形一致，即按设计线形控制计算无应力索长l3＝414.715m。
[0191]
第三实际运营状态：以实际的第一实际运营状态为基础，运营10年后，主跨跨中下挠95mm，采用调索措施调整线形至设计线形，计算无应力索长l4＝414.641m。
[0192]
斜拉索设计参数：38号索规格为pes7-349，标准强度为f
pk
＝1670mpa。查斜拉索规范，塔梁端均采用张拉端锚杯，下表1为按前述步骤计算公式计算得主要结果。
[0193]
表1
[0194][0195]
塔端锚杯设计长度值：
[0196]
s2′
＝s2+max(c
0b
,c
1b
)+max(c
0f
,c
1f
)＝889mm，
[0197]
锚杯空心段h2＝220mm，螺纹参数同设计规范要求。
[0198]
设计基准温度时确定含塔梁端锚杯的斜拉索无应力总长：
[0199]
l
′
＝l0+w
10
+w
20
+2hq+max(c
0f
,c
1f
)＝416.050m
[0200]
设计基准温度时斜拉索平行钢丝下料长度：
[0201]
ls＝(l
′‑h1-h2+2a)＝415.710m
[0202]
假定a为斜拉索制造厂家根据工艺修正的分丝锚板处墩头锚固钢丝长度为50mm。
[0203]
按斜拉索设计参数指令，斜拉索厂家加工完成后，反馈基准温度下该斜拉索含锚杯实际长度为l
cs
＝416.075m，计算的斜拉索加工长度偏差δl
cs
＝l
cs-l'＝0.025m，满足施工验收要求。
[0204]
施工现场实测发现该斜拉索塔端实际锚点位置高程偏高10mm，梁端实际锚点里程偏大5mm，但塔梁端锚点施工偏差均满足施工验收规范要求。
[0205]
根据计算考虑实际锚点偏差后的理论成桥目标状态索的无应力长度l
xs
＝414.668m，则斜拉索实际锚点坐标偏差引起的索长偏差值δl
xs
＝l
xs-l0＝0.007m。
[0206]
安装时考虑斜拉索厂家加工偏差及塔梁端实际锚点施工偏差，采取调整梁端锚杯外露值达到调整初始偏差，计算得修正后梁端锚杯外露量w
1s
＝w
10
+δl
cs-δl
xs
＝343mm，满足w
1s
控制范围为[220mm,380mm]。
[0207]
基于无应力状态法控制理论，可控制施工及运营阶段塔端锚杯外露量值达到控制主梁线形及索力，上述不同状态下的理论塔端外露量控制值w
2-i
见下表2所示，同时满足成桥状态(理论成桥及实际运营状态)后w
2-i
控制范围为[220mm,559mm]。
[0208]
表2
[0209][0210]
本发明实施例的基于多状态同目标的斜拉索索长设计方法，即采用全桥空间有限元计算模型，基于无应力状态施工控制理论，按多种运营状态下成桥线形均能达到设计线形为目标，且兼顾施工调索需求来精准设计斜拉索张拉端锚杯调节量的方法；解决了现有技术按单一状态设计斜拉索参数而导致索长调节能力不足的问题；实现了多种运营状态下，均能通过经济而高效的调索手段，准确控制成桥线形达到设计线形的目标。
[0211]
本发明实施例提供的一种基于多状态同目标的斜拉索索长设计系统，包括建立模块、第一计算模块、确定模块、第二计算模块、第三计算模块、设计模块和应用模块。
[0212]
建立模块用于建立全桥空间有限元计算模型，并确定桥梁设计状态下的理论成桥目标状态和施工合龙目标状态，并计算得到对应的斜拉索无应力索长；第一计算模块用于根据桥梁的多种实际运营状态，采用全桥空间有限元计算模型模拟，均以所述理论成桥目标状态的线形为目标，控制大桥线形，检算大桥的承载力，并计算得到不同实际运营状态下的斜拉索无应力索长；确定模块用于基于所述理论成桥目标状态下的斜拉索参数，按规范
选择斜拉索标准产品，确定斜拉索张拉端、固定端的标准锚杯调节量参数；第二计算模块用于基于无应力状态控制法，计算得到从理论施工合龙目标状态至理论成桥目标状态，对应的施工阶段斜拉索的调节量；第三计算模块用于基于无应力状态控制法，计算得到从理论成桥目标状态至各实际运营状态，对应的运营阶段斜拉索的最大调节量；设计模块用于根据计算得到的施工阶段斜拉索的调节量和运营阶段斜拉索的最大调节量，设计斜拉索张拉端锚杯长度；运用模块用于基于无应力状态控制法，结合斜拉索实际制造偏差和实际锚点施工偏差，修正固定端锚杯外露量，同时计算出施工合龙目标状态、不同实际运营状态下张拉端锚杯外露量，指导现场斜拉索张拉作业，达到成桥同目标线形控制。
[0213]
以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
[0214]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。