基于张拉力或强制位移值的主缆敏感性工程化分析方法与流程

本发明属于大型悬索桥的主缆吊杆张拉及工程化分析领域，尤其是涉及基于张拉力或强制位移值的主缆敏感性工程化分析方法。

背景技术：

悬索桥是目前跨径能力最大的一种桥型，其主缆作为主要承重构件，承受索夹和吊杆传递的加劲梁和桥面恒载以及各种活载，并将荷载传递至桥塔顶部。在大型悬索桥的施工建造中，对主缆敏感性的分析直接决定了主缆吊杆张拉方案的确定，是悬索桥施工中的关键技术。对悬索桥主缆受力的计算理论，主要有弹性理论、挠度理论和有限位移理论。随着桥梁跨径的不断加大，悬索桥主缆的几何非线性显得尤为突出，荷载作用下产生的结构大位移将对悬索桥的内力产生明显的影响。因此，对主缆在初内力以及新增荷载作用下的变形和内力进行分析计算，对于悬索桥的施工建造非常重要。

随着计算机技术的发展以及专业有限元软件的出现，对悬索桥主缆受力的分析越来越多的采用有限元法。通过采用合适的单元建立悬索桥的网格模型，再施加合适的边界条件和对应的荷载，迭代求解结构的刚度矩阵，即可得到主缆的内力和位移等信息。但这需要技术人员不仅具备桥梁施工建造的专业知识，且需对有限元理论和专业软件有较好的理解。在实际悬索桥施工中，往往需要快速地对主缆的张拉敏感性进行判断，而过于复杂精细的模型分析对工程技术人员的要求较高，使得无法及时的提供有效的数据辅助制定缆索张拉方案。

现有的悬索桥主缆的张拉计算至少存在以下缺点：往往需要建立较为复杂的空间模型，这固然可以得到主缆张拉的全部信息，但在工程上初步确定主缆张拉方案时，需要快速评估主缆的张拉敏感性，即确定在特定张拉力下的主缆位移，或是特定吊杆张拉位移下，需要施加多大的张拉力。空间模型法的建模和计算时间较长，边界条件处理复杂，且由于主缆自身的非线性往往导致计算过程难以收敛，不便于工程应用。因此，如何简化建模过程，快速有效的评估悬索桥主缆的张拉敏感性，提出一种适合工程应用的快速评估主缆敏感性的分析方法，是本领域工程技术人员需要解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出基于张拉力或强制位移值的主缆敏感性工程化分析方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于张拉力或强制位移值的主缆敏感性工程化分析方法，包括如下步骤:

①根据主缆的空缆坐标建立主缆空缆状态下的线形模型；将材料密度、弹性模量、热膨胀系数以及截面积等属性赋予步骤一所述的空缆模型；

②在步骤①中建立的空缆线形模型的边跨锚固处及桥塔部位施加竖向和水平向位移约束；

③保持上述的边界条件不变，对主缆施加温降荷载，使主缆收缩张紧，相当于施加初始预应力；

④保持上述温降荷载不变，对主缆施加自重荷载；

⑤对处于上述温降荷载和自重荷载作用下的模型进行计算，并与步骤①中建立的空缆线形模型进行对比，如位移差超过允许值，则返回步骤四，调整温降荷载再次计算，如位移差在允许范围内，进入下一步骤；

⑥在主缆对应的吊杆节点处施加预定张拉力或强制位移值，进行主缆张拉敏感性的评估。

进一步，所述空缆线形模型的单元类型选用桁架单元或梁单元。

进一步，将所述空缆线形模型的单元类型定义为只能受拉类型。

进一步，进行步骤③时，释放空缆线形模型边跨锚固点和桥塔部位节点的转动自由度。

进一步，所述温降荷载和自重荷载分级加载。

进一步，步骤⑥中，在回归的空缆模型上进行主缆敏感性判断，在对应吊杆节点处施加预定张拉力，可得到主缆的位移信息；同时在对应吊杆节点处施加强制位移，可得到所需的张拉力大小。

进一步，进行空缆线形回归时，主缆位移差在毫米数量级。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

采用本发明所提供的分析方法，可快速评估主缆的张拉敏感性，无需建立悬索桥的整桥模型，简化了建模过程，分级施加荷载，使得计算过程更容易收敛。仅需平面模型即可得到较高的计算精度，可用于方便快速的评估悬索桥主缆的张拉敏感性，便于工程上初步确定主缆的张拉方案。既可以判断吊杆张拉至戴帽位置需要多大的张拉力，这涉及到张拉千斤顶的选型；也可以判断在特定的张拉力下，吊杆能否张拉到位。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的分析方法示意图；

图2为所建的悬索桥主缆线形模型示意图；

图3为施加边界条件的主缆线形模型示意图；

图4为施加温降荷载的主缆线形模型示意图；

图5为回归至空缆线形的主缆模型示意图；

图6为施加预定张拉力(51#节点100吨)下的主缆位移示意图；

图7为施加强制位移时(51#吊杆张拉574mm)的吊杆张拉力示意图；

图8为主缆张拉线形(同步张拉51#-48#吊杆)和空缆线形的对比图。

附图标记说明：

1-孔缆线型；2-回归线型；3-吊杆；4-张拉线型。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图1至附图8，并结合实施例来详细说明本发明。主要步骤包括：建立空缆线形模型；施加边界条件；加温降荷载；加自重荷载；回归至空缆线形；施加预定张拉力/施加预定强制位移，具体的：

步骤1：根据悬索桥主缆的节点坐标建立空缆线形模型，如图2所示。单元类型可选用桁架单元或梁单元，将主缆单元定义为只能受拉；

步骤2：将材料密度、弹性模量、热膨胀系数和截面积等属性赋予所建空缆模型；

步骤3：如图3所示，对主缆边跨锚固点和桥塔顶部施加水平及竖向位移约束，同时释放其转动自由度；

步骤4：根据式(1)计算温降ΔT，所述温降ΔT通过判断与所述空缆线形1的位移差，经过反复调整模型试算得到。将温降荷载作为预定义场施加于步骤1所建模型，如图4所示，施加温降荷载的主缆模型；

$\mathrm{\Δ}T=\frac{F}{E_s{A}_{eff}\mathrm{\α}}---\left(1\right)$

式中ΔT表示温降值，℃；F表示张拉力施加值，N；E_s表示弹性模量，MPa；A_eff表示钢束有效截面积，mm²；α表示钢束热膨胀系数，/℃。

步骤5：施加自重荷载，计算在温降荷载和自重荷载共同作用下的主缆位移，并与步骤1所建空缆线形1进行对比，当位移差在允许值范围内，则认为模型已回归至步骤1所建空缆线形，否则，返回步骤4，修正温降值继续试算，直至位移差达到允许值。已回归至空缆线形的模型为回归线型2，如图5所示(为显示方便，模型位移放大1000倍显示)，此时最大位移差为0.6mm，最小位移差为-4.95mm，可认为在允许范围内；

步骤6：在回归的空缆模型上进行主缆敏感性判断，在对应吊杆3节点处施加预定张拉力，可得到主缆的位移信息；同时在对应吊杆3节点处施加强制位移，可得到所需的张拉力大小。在吊杆张拉节点施加所述预定张拉力或者所述预定强制位移，完成对主缆敏感性的判断以及张拉方案的初步确定。图6为在51#吊杆节点施加100吨张拉力时主缆各处的位移变化；图7为51#吊杆张拉574mm时，所需的张拉力为100吨。

在步骤4中，最好分级施加温降荷载和自重荷载，有助于提高模型计算的收敛性。

需要说明的是，空缆线形模型在施加所述自重荷载和温降荷载之后，需要再次回归至所述空缆线形，在步骤5进行空缆线形回归时，当主缆位移差在毫米数量级时，即可认为误差在可接受范围内。

在步骤6中，不仅可以单独张拉某一个吊杆，也可同时张拉某一组吊杆，形成张拉线型4，如图8所示，为同时张拉51#-48#吊杆时主缆的线形变化。

采用本发明所提供的分析方法，本领域的工程技术人员可快速评估主缆的张拉敏感性，无需建立悬索桥的整桥模型，简化了建模过程，分级施加荷载，使得计算过程更容易收敛。仅需平面模型即可得到较高的计算精度，可用于方便快速的评估悬索桥主缆的张拉敏感性，便于工程上初步确定主缆的张拉方案。既可以判断吊杆张拉至戴帽位置需要多大的张拉力，这涉及到张拉千斤顶的选型(千斤顶型号未定)；也可以判断在特定的张拉力下(千斤顶型号已定)，吊杆能否张拉到位。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。