拱肋整体提升施工过程中拱脚弹性变形计算方法及系统与流程

本申请涉及桥梁工程拱肋整体提升施工领域，具体涉及拱肋整体提升施工过程中拱脚弹性变形计算方法及系统。

背景技术：

1、在拱桥的拱肋施工工艺中，拱肋整体提升施工是利用提升支架将已拼装好的拱肋通过竖向拉索整体提升到合拢位置再进行焊接合拢的施工工艺，相较于缆索吊装节段拼装施工工艺，整体提升施工工艺避免了拱肋节段的斜拉扣挂拼装，能够更好的保证成拱线形，且施工速度较快。但在大跨径拱桥的整体提升施工过程中，由于拱肋的自重较大且相比成桥阶段受力状态较为不利，拱脚可能会发生较大的水平位移，从而严重影响拱肋的合拢精度，因此拱肋整体提升施工的关键技术在于对拱脚水平位移的控制。目前，较为有效的拱脚水平位移控制方法是利用横向拉索对拱脚施加预拉力以抵消拱肋在自重作用下产生的水平推力来进行控制。然而由于实际施工中无法做到绝对的精确，拱肋在被竖向拉索提起瞬间不可避免的会产生拱脚水平初始位移，此时竖向拉索将会产生一定的倾角，从而产生作用于拱脚的水平分力，当提升拱肋自重较大时，该水平分力的影响变得不可忽视。由于该水平分力源自拱脚水平位移，但又有使拱脚水平位移减小的趋势，所以与拱脚位移是一种耦合关系。但随着提升高度的加大，竖向拉索的长度将会变短，这使得竖向拉索倾角变大，相应的水平分力变大，进而使得拱脚位移变小。因此，在不同的提升高度，竖向拉索与拱肋处于不同的耦合平衡状态。事实上，由于竖向拉索上端点与支架连接，拱脚又受横向拉索预拉力作用，所以支架水平向刚度和横向拉索均会参与影响竖向拉索与拱肋的耦合平衡关系。

技术实现思路

1、为研究计算拱肋整体提升施工过程中不同提升高度下拱肋与竖向拉索、支架水、横向拉索之间的耦合平衡关系，本申请提出了一种考虑提升高度、支架水平刚度、横向拉索材料及截面特性、横向预拉力大小的拱肋整体提升全过程拱脚弹性变形计算方法。

2、为实现上述目的，本申请提供了拱肋整体提升施工过程中拱脚弹性变形计算方法，步骤包括：

3、基于拱肋整体提升过程中的受力特点，得到拱肋受力与拱脚位移之间的关系；

4、基于所述拱肋受力与拱脚位移之间的关系构建等效受力模型；

5、基于所述等效受力模型，计算拱脚的弹性变形。

6、优选的，构建所述等效受力模型的方法包括：计算拱肋整体提升过程中受竖向拉索水平分力、横向拉索预拉力以及拱脚位移导致横向拉索伸长后产生的附加力作用，则有：

7、f＝f0+t+tl

8、其中，f表示外荷载；f0表示竖向拉索水平分力；t为横向拉索预拉力；tl为横向拉索伸长后产生的附加力。

9、优选的，在构建所述等效受力模型的过程时，有以下力学平衡关系：

10、

11、式中，表示竖向拉索上端点的水平位移；表示竖向拉索下端点的水平位移；k1表示支架水平向刚度；x1p表示拱脚位移；l表示竖向拉索长度；最终，将f0表示为关于x1p的关系式：

12、

13、

14、其中，g表示拱肋自重。

15、优选的，在构建所述等效受力模型的过程时，tl的大小取决于横向拉索伸长量，即取决于拱脚水平位移，将tl表示为关于x1p的关系式：

16、

17、式中，el表示横向拉索弹性模量；al表示横向拉索截面积；l0横向拉索长度。

18、优选的，在构建所述等效受力模型的过程时，拱结构所受外荷载f最终表示为：

19、

20、优选的，所述等效受力模型所计算的位移结果表达式包括：

21、

22、式中，mp表示基本结构上一点(x，y)受外力作用下的弯矩；fnp表示基本结构上一点(x，y)受外力作用下的轴力；m1基本结构上一点(x，y)受单位力作用下的弯矩；fn1基本结构上一点(x，y)受单位力作用下的轴力；e表示拱结构材料弹性模量；i表示拱结构截面的惯性矩；a表示拱结构截面积。

23、本申请还提供了拱肋整体提升施工过程中拱脚弹性变形计算系统，包括：分析模块、构建模块和计算模块；

24、所述分析模块用于基于拱肋整体提升过程中的受力特点，得到拱肋受力与拱脚位移之间的关系；

25、所述构建模块用于基于所述拱肋受力与拱脚位移之间的关系构建等效受力模型；

26、所述计算模块基于所述等效受力模型，计算拱脚的弹性变形；所述计算模块包括：竖向拉索计算单元、横向拉索计算单元和外荷载计算单元。

27、优选的，所述竖向拉索计算单元的工作流程包括：对所述竖向拉索进行受力平衡分析：

28、

29、式中，表示竖向拉索上端点的水平位移；表示竖向拉索下端点的水平位移；k1表示支架水平向刚度；x1p表示拱脚位移；l表示竖向拉索长度；最终，将f0表示为关于x1p的关系式：

30、

31、

32、其中，g表示拱肋自重。

33、优选的，所述横向拉索计算单元的工作流程包括：计算tl表示为关于x1p的关系式：

34、

35、式中，el表示横向拉索弹性模量；al表示横向拉索截面积；l0横向拉索长度。

36、优选的，所述外荷载计算单元的工作流程包括：计算拱结构所受外荷载f：

37、

38、与现有技术相比，本申请的有益效果如下：

39、本申请针对拱肋在整体提升施工工艺中的受力特点，构建等效受力模型；基于等效受力模型，建立了一种考虑拱肋受自重、提升高度、支架水平刚度、横向拉索材料及截面特性、横向预拉力耦合影响的拱脚弹性变形理论计算方法。能够用于拱肋整体提升过程中变形规律的研究计算，填补了相关领域理论计算方法的空白，对相关结构设计、施工具有指导意义。

技术特征：

1.拱肋整体提升施工过程中拱脚弹性变形计算方法，其特征在于，步骤包括：

2.根据权利要求1所述的拱肋整体提升施工过程中拱脚弹性变形计算方法，其特征在于，构建所述等效受力模型的方法包括：计算拱肋整体提升过程中受竖向拉索水平分力、横向拉索预拉力以及拱脚位移导致横向拉索伸长后产生的附加力作用，则有：

3.根据权利要求2所述的拱肋整体提升施工过程中拱脚弹性变形计算方法，其特征在于，在构建所述等效受力模型的过程时，有以下力学平衡关系：

4.根据权利要求3所述的拱肋整体提升施工过程中拱脚弹性变形计算方法，其特征在于，在构建所述等效受力模型的过程时，tl的大小取决于横向拉索伸长量，即取决于拱脚水平位移，将tl表示为关于x1p的关系式：

5.根据权利要求4所述的拱肋整体提升施工过程中拱脚弹性变形计算方法，其特征在于，在构建所述等效受力模型的过程时，拱结构所受外荷载f最终表示为：

6.根据权利要求5所述的拱肋整体提升施工过程中拱脚弹性变形计算方法，其特征在于，所述等效受力模型所计算的位移结果表达式包括：

7.拱肋整体提升施工过程中拱脚弹性变形计算系统，其特征在于，包括：分析模块、构建模块和计算模块；

8.根据权利要求7所述的拱肋整体提升施工过程中拱脚弹性变形计算系统，其特征在于，所述竖向拉索计算单元的工作流程包括：对所述竖向拉索进行受力平衡分析：

9.根据权利要求7所述的拱肋整体提升施工过程中拱脚弹性变形计算系统，其特征在于，所述横向拉索计算单元的工作流程包括：计算tl表示为关于x1p的关系式：

10.根据权利要求7所述的拱肋整体提升施工过程中拱脚弹性变形计算系统，其特征在于，所述外荷载计算单元的工作流程包括：计算拱结构所受外荷载f：

技术总结
本申请公开了拱肋整体提升施工过程中拱脚弹性变形计算方法及系统，其中方法步骤包括：基于拱肋整体提升过程中的受力特点，得到拱肋受力与拱脚位移之间的关系；基于拱肋受力与拱脚位移之间的关系构建等效受力模型；基于等效受力模型，计算拱脚的弹性变形。本申请针对拱肋在整体提升施工工艺中的受力特点，构建等效受力模型；基于等效受力模型，建立了一种考虑拱肋受自重、提升高度、支架水平刚度、横向拉索材料及截面特性、横向预拉力耦合影响的拱脚弹性变形理论计算方法。能够用于拱肋整体提升过程中变形规律的研究计算，填补了相关领域理论计算方法的空白，对相关结构设计、施工具有指导意义。

技术研发人员：侯之瑶,占玉林,李治仑,黄文峰,孙约瀚
受保护的技术使用者：广西北投交通养护科技集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13