基于变形监测的大跨公轨同层斜拉桥运行舒适性评价方法

1.本发明涉及桥梁运营技术领域，具体为基于变形监测的大跨公轨同层斜拉桥运行舒适性评价方法。


背景技术：

2.斜拉桥作为索支承柔性结构体系，在车辆荷载、温度荷载、风荷载等因素作用下，主梁空间变形大、荷载响应显著，加之，基于材料变异、预应力损失、周期荷载等因素错综影响，主梁呈现不可恢复性变形，极大影响运行舒适性，严重时，危及运行安全性，大跨度公轨同层斜拉桥尤甚，其运行舒适性评价显得更为复杂严峻。
3.当前，城市轨道交通桥梁设计规范仅对各项荷载单独规定变形限值，没有对荷载组合作用下的刚度统一限值进行规定，如针对公轨斜拉桥，规定其在列车竖向静活载与公路静活载同时作用下，结构的竖向挠度不宜大于计算跨度的1/500，故进行运行舒适性分析时，规范规定的变形限值无法应用，存在技术瓶颈。另一方面，现阶段基本采用于列车上直接布设加速度传感器，经信息采集分析处理，获取列车加速度，但效果不甚理想，亦未能有效利用大跨度桥梁普遍安装且日趋成熟的结构监测系统，导致评价程序、投资额度等都呈现不同程度的增加。因此，针对现状技术和工程问题，提出依据车桥耦合振动分析，明晰运行舒适性与主梁刚度变化的关系，将运行舒适性评价通过主梁变形响应值与限值的对比来实现，并充分利用对桥梁变形测试精确的既有监测系统，完成大跨度公轨同层斜拉桥运行舒适性的快速准确评价。


技术实现要素：

4.(一)解决的技术问题
5.为解决现有大跨度公轨同层斜拉桥运行舒适性评价的技术和工程问题，本发明提出一种基于变形监测分析的大跨度公轨同层斜拉桥运行舒适性评价方法。
6.(二)技术方案
7.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于变形监测的大跨公轨同层斜拉桥运行舒适性评价方法，包括以下步骤：
8.步骤一：安装主梁空间变形监测系统，在桥梁未运营前，获取数据和记录环境因素；
9.步骤二：通过获取数据和记录环境因素，确定主梁最大竖向变形响应值s 和最大横向变形响应值h；
10.步骤三：依据桥梁结构有限元模型分析、车桥耦合振动分析技术方法，并以列车加速度达到极值为限和记录环境因素极值，综合确定主梁线形，进而获取主梁竖向变形限值s
max
和横向变形限值h
max
；
11.步骤四：依据响应值与限值的矢量计算，实现运行舒适性评价，具体如下：|s|-|s
max
|≤0或|h|-|h
max
|≤0，桥梁处于正常状态；|s|-|s
max
|＞0或 |h|-|h
max
|＞0，桥梁处于非
正常状态；
12.步骤五：为桥梁运营提供意见。
13.优选的，所述主梁竖向变形限值s
max
的确定包括以下步骤：
14.步骤一：依据规范确定列车竖向加速度限值as，即as＝a
s1
+a
s2
+a
s3
，a
s1
表示主梁未发生竖向变形时列车荷载引起的列车竖向加速度，a
s2
表示主梁因汽车满布荷载作用引起的竖向变形而对应的列车竖向加速度，a
s3
表示主梁因其他荷载作用引起的竖向变形而对应的列车竖向加速度；
15.步骤二：构建列车运动方程和桥梁运动方程式
①
和式
②
，经式
①
和式
②
的联立，实现列车与桥梁相互作用分析，再计入轨道随机不平顺，进行车桥耦合振动分析，确定a
s1
：
[0016][0017][0018]
式中，uv和ub分别表示列车和桥梁加速度、速度、位移； mv、cv、kv和mb、cb、kb分别表示列车子系统和桥梁子系统质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；f
bv
、f
vb
表示轮-轨相互作用力矩阵；
[0019]
步骤三：依据as＝a
s1
+a
s2
+a
s3
，计算主梁发生竖向变形时的列车竖向加速度，即a
s2
+a
s3
＝a
s-a
s1
；
[0020]
步骤四：据主梁发生竖向变形时的列车竖向加速度a
s2
+a
s3
与最小曲率半径 r的关系式
③
，确定最小曲率半径r：
[0021]as2
+a
s3
＝v2/r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式
③
[0022]
式中，v表示列车速度；
[0023]
步骤五：依据桥梁结构有限元模型分析，获取最不利加载工况下的主梁线形，经幅值调整，并与汽车荷载、其他荷载因素引起的主梁变形叠加，得到主梁发生竖向变形后的线形，当其对应的最小曲率半径r达到规范规定极限状态时，即可确定未计入列车荷载作用的主梁最大竖向变形值及其对应的线形；
[0024]
步骤六：将步骤五中确定的线形，以附加不平顺形式输入，计入列车荷载作用，进行车桥耦合振动分析，当列车竖向加速度达到限值as时，即可初定主梁竖向变形限值；
[0025]
步骤七：依据车桥耦合振动分析，通过运行舒适性评价指标和验证指标，检验主梁竖向变形限值的合理性，若任一指标达到合格限值，则确定主梁竖向变形限值s
max
，否则，重复执行步骤一至七。
[0026]
优选的，所述主梁横向变形限值h
max
的确定，包括以下步骤：
[0027]
步骤一：依据规范确定横向加速度限值ah，ah＝a
h1
+(a
h2
+a
h2
')+a
h3
,a
h1
表示主梁未发生横向变形时列车荷载引起的列车横向加速度,a
h2
表示主梁因风荷载作用引起的横向变形而对应的列车横向加速度,a
h2
'表示风荷载直接作用于列车引起的列车横向加速度,a
h1
表示主梁因其他荷载作用引起的横向变形而对应的列车横向加速度；
[0028]
步骤二依据列车分析模型和桥梁分析模型，经式
①
和式
②
的联立，实现列车与桥梁相互作用分析，再计入轨道随机不平顺，进行车桥耦合振动分析，确定a
h1
：
[0029]
步骤三：依据缩尺节段模型风洞试验，确定风荷载阻力系数，经风荷载公式
④
，计算得到桥梁静风荷载，进而确定列车横向加速度a
h2
'：
[0030][0031]
式中，cd表示风载阻力系数；ρ表示空气密度；u表示风速；h表示列车高度；l表示列车长度；
[0032]
步骤四：依据ah＝a
h1
+(a
h2
+a
h2
')+a
h3
，计算主梁发生横向变形时的列车横向加速度，即a
h2
+a
h3
＝a
h-a
h1-a
h2
'；
[0033]
步骤五：依据桥梁结构有限元模型分析，获取最不利加载工况下的主梁线形，并与风荷载、其他荷载因素引起的主梁变形叠加，得到主梁发生横向变形后的线形，即列车横向加速度a
h2
+a
h3
对应的线形；
[0034]
步骤六：将步骤五中确定的线形，以附加不平顺形式输入，经幅值调整，计入列车荷载作用，进行车桥耦合振动分析，再叠加-a
h2
'，当列车横向加速度达到限值ah时，即可初定主梁横向变形限值；
[0035]
步骤七：依据车桥耦合振动分析，通过运行舒适性评价指标和验证指标，检验主梁横向变形限值的合理性，若任一指标达到合格限值，则确定主梁横向变形限值h
max
，否则，重复执行步骤一至七。
[0036]
优选的，所述变形监测系统包括卫星定位设备，通过定位设备记录当前监测点的位移，并采用gps系统、北斗系统中的一种。
[0037]
优选的，所述环境因素，包括温度、风速、风向，其他载荷由环境因素所引起的。
[0038]
(三)有益效果
[0039]
本发明提供了基于变形监测的大跨公轨同层斜拉桥运行舒适性评价方法。具备以下有益效果：
[0040]
本发明，充分考虑了运营期间主梁变形对大跨度公轨同层斜拉桥运行舒适性的影响，完成了运行舒适性与主梁刚度变化的关系解算，将运行舒适性评价通过主梁变形响应值与限值的对比，实现运行舒适性快速准确评价，为大跨度公轨同层斜拉桥在运营期间的线形调控提供理论支撑和技术支持。
附图说明
[0041]
图1为本发明一种基于变形监测分析的大跨度公轨同层斜拉桥运行舒适性评价方法的步骤示意图；
[0042]
图2为本发明的主梁竖向变形限值确定的步骤示意图；
[0043]
图3为本发明的主梁横向变形限值确定的步骤示意图。
具体实施方式
[0044]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045]
实施例：
[0046]
如图1所示，本发明实施例提供基于变形监测的大跨公轨同层斜拉桥运行舒适性
评价方法，包括以下步骤：
[0047]
步骤一：安装主梁空间变形监测系统，变形监测系统包括卫星定位设备，通过定位设备记录当前监测点的位移，并采用gps系统、北斗系统中的一种，在桥梁未运营前，获取数据和记录环境因素，包括温度、风速、风向；
[0048]
步骤二：通过获取数据和记录环境因素，依据监测系统基线解算、信息分析处理等技术方法，结合基准条件，准确获取主梁竖向变形和横向变形监测响应值，依据统计分析技术方法，确定主梁最大竖向变形响应值s和最大横向变形响应值h；
[0049]
步骤三：依据桥梁结构有限元模型分析、车桥耦合振动分析技术方法，明晰运行舒适性与主梁刚度变化的关系，并以列车加速度达到极值为限和记录环境因素极值，综合确定主梁线形，进而获取主梁竖向变形限值s
max
和横向变形限值h
max
；
[0050]
步骤四：依据响应值与限值的矢量计算，实现运行舒适性评价，具体如下：|s|-|s
max
|≤0或|h|-|h
max
|≤0，桥梁处于正常状态；|s|-|s
max
|＞0或 |h|-|h
max
|＞0，桥梁处于非正常状态；
[0051]
步骤五：为桥梁运营提供意见，包括正常运营、专题分析研判并确定是否采取限速措施等。
[0052]
如图2所示，主梁竖向变形限值s
max
的确定包括以下步骤：
[0053]
步骤一：依据规范确定列车竖向加速度限值as，即as＝a
s1
+a
s2
+a
s3
，a
s1
表示主梁未发生竖向变形时列车荷载引起的列车竖向加速度，a
s2
表示主梁因汽车满布荷载作用引起的竖向变形而对应的列车竖向加速度，a
s3
表示主梁因其他荷载作用引起的竖向变形而对应的列车竖向加速度，其他荷载包括收缩徐变、温度荷载等；
[0054]
步骤二：构建列车运动方程和桥梁运动方程式
①
和式
②
，经式
①
和式
②
的联立，实现列车与桥梁相互作用分析，再计入轨道随机不平顺，进行车桥耦合振动分析，确定a
s1
：
[0055][0056][0057]
式中，uv和ub分别表示列车和桥梁加速度、速度、位移； mv、cv、kv和mb、cb、kb分别表示列车子系统和桥梁子系统质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；f
bv
、f
vb
表示轮-轨相互作用力矩阵；
[0058]
步骤三：依据as＝a
s1
+a
s2
+a
s3
，计算主梁发生竖向变形时的列车竖向加速度，即a
s2
+a
s3
＝a
s-a
s1
；
[0059]
步骤四：据主梁发生竖向变形时的列车竖向加速度a
s2
+a
s3
与最小曲率半径 r的关系式
③
，确定最小曲率半径r：
[0060]as2
+a
s3
＝v2/r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式
③
[0061]
式中，v表示列车速度；
[0062]
步骤五：依据桥梁结构有限元模型分析，获取最不利加载工况下的主梁线形，经幅值调整，并与汽车荷载、其他荷载因素引起的主梁变形叠加，得到主梁发生竖向变形后的线形，当其对应的最小曲率半径r达到规范规定极限状态时，即可确定未计入列车荷载作用的主梁最大竖向变形值及其对应的线形；
[0063]
步骤六：将步骤五中确定的线形，以附加不平顺形式输入，计入列车荷载作用，进
行车桥耦合振动分析，当列车竖向加速度达到限值as时，即可初定主梁竖向变形限值；
[0064]
步骤七：依据车桥耦合振动分析，通过运行舒适性评价指标和验证指标，检验主梁竖向变形限值的合理性，若任一指标达到合格限值，则确定主梁竖向变形限值s
max
，否则，重复执行步骤一至七。
[0065]
如图3所示，主梁横向变形限值h
max
的确定，包括以下步骤：
[0066]
步骤一：依据规范确定横向加速度限值ah，ah＝a
h1
+(a
h2
+a
h2
')+a
h3
,a
h1
表示主梁未发生横向变形时列车荷载引起的列车横向加速度,a
h2
表示主梁因风荷载作用引起的横向变形而对应的列车横向加速度,a
h2
'表示风荷载直接作用于列车引起的列车横向加速度,a
h1
表示主梁因其他荷载作用引起的横向变形而对应的列车横向加速度，其他荷载包括温度荷载、基础不均匀沉降等；
[0067]
步骤二依据列车分析模型和桥梁分析模型，经式
①
和式
②
的联立，实现列车与桥梁相互作用分析，再计入轨道随机不平顺，进行车桥耦合振动分析，确定a
h1
：
[0068]
步骤三：依据缩尺节段模型风洞试验，确定风荷载阻力系数，经风荷载公式
④
，计算得到桥梁静风荷载，进而确定列车横向加速度a
h2
'：
[0069][0070]
式中，cd表示风载阻力系数；ρ表示空气密度；u表示风速；h表示列车高度；l表示列车长度；
[0071]
步骤四：依据ah＝a
h1
+(a
h2
+a
h2
')+a
h3
，计算主梁发生横向变形时的列车横向加速度，即a
h2
+a
h3
＝a
h-a
h1-a
h2
'；
[0072]
步骤五：依据桥梁结构有限元模型分析，获取最不利加载工况下的主梁线形，并与风荷载、其他荷载(含收缩徐变、温度等)因素引起的主梁变形叠加，得到主梁发生横向变形后的线形，即列车横向加速度a
h2
+a
h3
对应的线形；
[0073]
步骤六：将步骤五中确定的线形，以附加不平顺形式输入，经幅值调整，计入列车荷载作用，进行车桥耦合振动分析，再叠加-a
h2
'，当列车横向加速度达到限值ah时，即可初定主梁横向变形限值；
[0074]
步骤七：依据车桥耦合振动分析，通过运行舒适性评价指标和验证指标，检验主梁横向变形限值的合理性，若任一指标达到合格限值，则确定主梁横向变形限值h
max
，否则，重复执行步骤一至七。
[0075]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。