大跨径悬索管道桥成桥风索线形计算方法与流程

文档序号:23004466发布日期:2020-11-20 11:54阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种大跨径悬索管道桥成桥风索线形计算方法,其特征在于,包括以下步骤:

步骤1,根据空间抛物线理论估算风索始端三向分力初值hfx0、hfy0和vf0;

步骤2,以风索始端三向分力初值hfx0、hfy0、vf0为迭代初值,利用节线法迭代计算并得到修正后的风索始端三向分力hfxl、hfyl、vfl;

步骤3,以风索始端三向分力hfxl、hfyl、vfl为迭代初值,由始端至末端对风索各索段进行计算,包括:

步骤3.1,根据第i索段起始端三向分力、第i索段纵桥向长度xi和风索平衡方程计算出风索第i索段无应力长度sfi及第i索段横、竖桥向长度yi、zi;

步骤3.2,对于第i根风拉索,由步骤3.1中所述风索平衡方程计算得到风拉索的下吊点坐标,同时根据已知的风拉索上吊点坐标、上吊点设计横向分力,计算出风拉索上吊点竖向分力pfdzji和风拉索的无应力长度sfdi;

步骤4,由第i索段末端节点平衡方程计算得到第i+1索段的起始端三向分力,重复步骤3.1-3.2,计算得到风索第i+1索段无应力长度sfi+1及第i+1索段横、竖桥向长度yi+1、zi+1和第i+1根风拉索上吊点竖向分力pfdzji+1和第i+1根风拉索的无应力长度sfdi+1,直至第n索段和第n根风拉索;

步骤5,以风索末端的横、竖向坐标及跨内指定点横向坐标为目标值,利用修正影响矩阵法修正风索始端三向分力hfxl、hfyl、vfl,获得迭代变量增量,反复迭代,直至目标变量误差小于允许值,计算得到成桥风索线形及各索段无应力长度。

2.根据权利要求1所述的大跨径悬索管道桥成桥风索线形计算方法,其特征在于,步骤1中根据空间抛物线理论估算风索始端三向分力hfx0、hfy0、vf0初值如下:

其中,

式中,hfx0、hfy0、vf0分别为风索始端纵向、横向和竖向分力,l为风索跨径,w为风索在风索平面内沿跨长的等效均布荷载;f为风索在风索平面内垂度;yfdji,zfdji,yfdii,zfdii分别为风拉索上、下吊点的横向及竖向坐标;pyi,pzi分别为风拉索上端的竖向和横向分力,i为1~n的正整数,n为风索始端到末端索段数。

3.根据权利要求1所述的大跨径悬索管道桥成桥风索线形计算方法,其特征在于,步骤2中利用节线法迭代计算风索始端三向分力方法如下:

假设风拉索数目为n,将风索分割成n段;

风索在竖向平面和水平面的平衡迭代式分别为:

其中,di为节点之间的水平长度;ti为节点之间风索单元张力;li是节点间风索直线单元长度;tx是风索张力水平分量;pfdi为第i根风拉索的张力;hi为风拉索长度;zfdji为第i根风拉索上吊点的竖向坐标;zfdii为第i根风拉索下吊点的竖向坐标;yfdii为第i根风拉索下吊点的横向坐标,yfdji为风拉索上吊点的横向坐标;wfi为风索节段自重;wfdi为将风拉索力及风拉索自重平均到风索上的集中荷载;

通过公式(5)、(6)求得风索节点坐标yfdii、zfdii,从而得到风索线形,再通过对风索系统整体受力分析,计算得到修正后的风索始端三向分力带入公式(5)、(6)再次迭代计算,求得未知量yfdii+1、zfdii+1,并计算得到修正后的风索始端三向分力反复迭代,直至相邻两次三向分力差值小于误差允许值:

从而得到修正后的风索始端三向分力

4.根据权利要求3所述的大跨径悬索管道桥成桥风索线形计算方法,其特征在于,所述步骤2中的节线法存在以下假定:

1)风拉索垂直于桥跨方向,且仅在横桥向有倾斜;

2)风索张力的水平分力在全跨相等;

3)风索与风拉索连接点间的风索作直线考虑;

4)已知风索的两端锚点坐标、跨中垂度、桥面上的吊点位置和风拉索设计横向分力。

5.根据权利要求1所述的大跨径悬索管道桥成桥风索线形计算方法,其特征在于,计算风索第i索段横桥向长度yi和竖桥向长度zi及无应力长度sfi方法如下:

式中,xi,yi,zi分别为风索第i索段纵桥向、横桥向和竖桥向长度;sfi,e和af分别为风索第i索段无应力长度、弹性模量和截面面积;qf为风索索段的自重集度;hfxi-1,hfyi-1和vfi-1分别为风索第i索段起始端的纵向、横向和竖向分力;hi-1为风索第i索段起始端的水平面合力;

其中,已知量包括风索第i索段纵桥向长度xi,风索弹性模量e和风索截面面积af,风索索段自重集度qf,风索第i索段起始端的纵向分力hfxi-1、横向分力hfyi-1和竖向分力vfi-1。

6.根据权利要求5所述的大跨径悬索管道桥成桥风索线形计算方法,其特征在于,计算风拉索上吊点竖向分力pfdzji和风拉索的无应力长度sfdi方法如下:

风索各索段始端三向分力的递推关系如下:

hfxl、hfyl、vfl分别为风索始端纵向、横向和竖向分力;hfxi,hfyi和vfi分别为风索第i索段始端的纵向、横向和竖向分力;

对于每根风拉索,已知量包括:风拉索上下吊点横向距离yfdji-yfd,风拉索上下吊点竖向距离zfdji-zfdii,风拉索自重集度qfd和风拉索上吊点横向分力pfdyji。

7.根据权利要求1所述的大跨径悬索管道桥成桥风索线形计算方法,其特征在于,步骤5中利用修正影响矩阵法迭代计算得到风索线形及各索段无应力长度包括以下步骤:

步骤5.1,建立目标函数f(x),其中x=(hfxl,hfyl,vfl);

式中,hfxl、hfyl、vfl分别为风索始端纵向、横向和竖向分力;n为风索始端到末端索段数,m为风索始端到设计控制点索段数;yi,zi分别为风索第i索段横桥向和竖桥向长度;δyδy和δz分别为风索始端和末端的坐标差值,fz为设计控制点和风索始端的竖向坐标差值;ey为风索末端横向坐标误差,ez为风索末端竖向坐标误差,ef为设计控制点竖向坐标误差;

步骤5.2,求解修正影响矩阵j(x,r):

r=(ey,ez,e,r1、r2、r3分别为r对应三个分量,e1、e2、e3分别为第1、2、3个空间坐标向量;

步骤5.3,修正风索始端三向分力:

其中,k代表迭代次数;

反复迭代,直至误差ey,ez和ef小于允许值,得到修正后的风索始端三向分力hfxl、hfyl、vfl,重复步骤2,重新计算得到风索线形及各索段无应力长度。


技术总结
本发明涉及一种大跨径悬索管道桥成桥风索线形计算方法,属于油气管道跨越设计领域,包括根据空间抛物线理论估算风索始端三向分力初值;利用节线法迭代计算并得到修正后的风索始端三向分力;以风索始端三向分力和设计控制点为迭代初值,利用空间分段悬链线理论计算风索线形及各索段无应力长度;利用修正影响矩阵法获得迭代变量增量,反复迭代,修正风索始端三向分力,重新计算得到风索线形及各索段无应力长度。本发明解决了以往设计不精、假设过多,计算误差太大的问题,采用本方法开展设计和计算,可以大大提高悬索管道桥成桥风索线形及无应力长度计算精度。

技术研发人员:左雷彬;胡川川;杨威;詹胜文;刘思萌;陈晓晖;李国辉
受保护的技术使用者:中国石油天然气集团有限公司;中国石油管道局工程有限公司;中国石油天然气管道工程有限公司
技术研发日:2020.08.31
技术公布日:2020.11.20
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