一种铁路桥梁预应力钢束线形仿真计算方法与流程

本发明属于交通运输业桥梁工程，具体涉及一种铁路桥梁预应力钢束线形仿真计算方法。

背景技术：

1、

2、为保证线路平顺性和列车运营安全，高铁线路大多采用桥梁结构，一些高铁线路中桥梁结构占比超过70％。其中主梁使用预应力混凝土结构。混凝土梁体内预留管道，在混凝土浇筑养护完成后穿入预应力钢束，张拉钢束形成共同受力结构。预应力钢束能显著提高主梁承载力和抗裂性，并能够有效降低梁高、增加跨度，节约整体工程造价。

3、预应力钢束是预应力混凝土结构中重要构件，在建模计算、截面设计和结构出图中均需重点考虑。在结构计算和截面设计阶段，需准确输入预应力钢束布置方式和空间位置，并根据设计结果不断调整，直到满足设计指标限值要求；在结构出图阶段，因设计图纸均为二维图纸，因此需在水平面和竖向平面两个方向上的投影线形来描述预应力钢束空间线形。因此准确计算和处理预应力钢束线形对铁路桥梁设计十分重要。

4、我国铁路设计中，预应力钢束线形一般由直线段和圆弧段两种线形组成，二者在交点处相切。预应力钢束输入采用导线法，以导线点为基础计算钢束空间线形。钢束线形在水平面内发生弯曲称为平弯、在竖向平面内发生弯曲称为竖弯，有时平弯和竖弯同时发生，直线段和圆弧段均为空间直线和空间圆弧，此时虽然直线段在两平面内投影依然为直线，但圆弧段在两平面内投影已不再是圆弧。

5、对于这种情况，实际中为简化设计，会将空间圆弧直接作为其在两平面投影的实际线形。但这种处理会导致实际结构与计算模型有偏差，降低铁路桥梁结构设计精度。

6、针对上述问题，很有必要研究出一种铁路桥梁预应力钢束线形仿真计算方法，准确模拟和计算预应力钢束线形，以系统解决铁路桥梁预应力钢束线形模型仿真计算问题。

技术实现思路

1、本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种铁路桥梁预应力钢束线形仿真计算方法。

2、本发明的技术方案是：一种铁路桥梁预应力钢束线形仿真计算方法，包括以下步骤：

3、a.输入预应力钢束的导线点数据；

4、b.对输入的预应力钢束的导线点数据进行预处理；

5、c.计算每个导线点所在平面的局部坐标系；

6、d.变换导线点空间坐标到局部坐标系；

7、e.计算导线点的圆倒角；

8、f.修剪导线与圆倒角相切；

9、g.计算预应力钢束线形输出结果。

10、更进一步的，步骤a输入预应力钢束的导线点数据，具体过程如下：

11、每个导线点输入的导线点数据包括导线点空间坐标、半径、偏移方向、偏移角度、倾斜高度、偏移处半径；所述偏移方向、偏移角度、倾斜高度、偏移处半径组成偏移数据。

12、更进一步的，步骤b对输入的预应力钢束的导线点数据进行预处理，具体过程如下：

13、首先，将步骤a中需要偏移的导线点，根据偏移数据计算得到新的导线点；

14、然后，将新的导线点与导线点数据合并，然后排序并重新编号，得到预处理之后的导线点数据。

15、更进一步的，步骤c计算每个导线点所在平面的局部坐标系，具体过程如下：

16、首先，得到排序并重新编号的导线点数据；

17、然后，建立导线点的局部坐标系x轴；

18、以前邻导线点到该导线点的向量作为局部坐标系x轴；

19、再后，建立导线点的局部坐标系z轴；

20、将局部坐标系x轴与前邻导线点到后邻导线点的向量乘积作为局部坐标系z轴；

21、最后，建立导线点的局部坐标系y轴；

22、局部坐标系z轴与x轴乘积作为局部坐标系y轴。

23、更进一步的，步骤d变换导线点空间坐标到局部坐标系，具体过程如下：

24、首先，将局部坐标系中的x轴、y轴、z轴组集为转换矩阵；

25、然后，使用转换矩阵分别计算该导线点、前邻导线点、后邻导线点在局部坐标系中的坐标。

26、更进一步的，步骤e计算导线点的圆倒角，具体过程如下：

27、首先，连接前邻导线点与该导线点形成导线，建立导线的直线参数方程；连接该导线点与后邻导线点形成导线，建立导线的直线参数方程；

28、然后，以两直线参数方程为基础计算圆倒角圆弧的圆心坐标；

29、再后，计算圆心到两条导线的垂足，将垂足作为切点；

30、最后，连接两切点的圆弧就是所求圆倒角。

31、更进一步的，步骤f修剪导线与圆倒角相切，具体过程如下：

32、首先，将两条导线在切点处断开；

33、然后，使用步骤e得到的圆弧连接两切点；

34、最后，将修剪后线形为两条直线和一条圆弧的结果作为导线修剪结果。

35、更进一步的，步骤g计算预应力钢束线形输出结果，具体过程如下：

36、首先，将导线修剪结果根据导线点编号从小到大排列，形成直线段与圆弧段交替的线形数组；

37、然后，将线形数组向x-y平面、x-z平面进行投影，得到x-y平面、x-z平面上的投影点；

38、最后，将两平面内所有投影点相连形成预应力钢束线形输出结果。

39、更进一步的，对于直线段的投影，直线段在x-y平面、x-z平面内投影依然为直线，计算直线端点在整体坐标系中的坐标并进行投影，使用直线连接投影点。

40、更进一步的，对于圆弧段的投影，采用空间圆弧离散方法将圆弧离散为多个空间点，计算空间点的整体坐标系坐标并投影到x-y平面、x-z平面，使用直线依次连接各投影点。

41、本发明的有益效果如下：

42、本发明针对铁路桥梁预应力钢束线形计算问题建立仿真计算模型，通过定义一种导线点数据表征格式，构建了预应力钢束线形轮廓输入方法；通过三维空间坐标系转换和平面圆倒角算法，推导了空间坐标系下圆弧曲线空间坐标计算方法，从而建立了铁路桥梁预应力钢束线形仿真计算方法，解决了铁路桥梁预应力钢束空间线形准确计算难题。

43、本发明能够针对交通运输领域各类结构中预应力钢束仿真模型的线形计算进行准确模拟，解决模型计算准确性难题。

技术特征：

1.一种铁路桥梁预应力钢束线形仿真计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种铁路桥梁预应力钢束线形仿真计算方法，其特征在于：步骤a输入预应力钢束的导线点数据，具体过程如下：

3.根据权利要求1所述的一种铁路桥梁预应力钢束线形仿真计算方法，其特征在于：步骤b对输入的预应力钢束的导线点数据进行预处理，具体过程如下：

4.根据权利要求1所述的一种铁路桥梁预应力钢束线形仿真计算方法，其特征在于：步骤c计算每个导线点所在平面的局部坐标系，具体过程如下：

5.根据权利要求1所述的一种铁路桥梁预应力钢束线形仿真计算方法，其特征在于：步骤d变换导线点空间坐标到局部坐标系，具体过程如下：

6.根据权利要求1所述的一种铁路桥梁预应力钢束线形仿真计算方法，其特征在于：步骤e计算导线点的圆倒角，具体过程如下：

7.根据权利要求1所述的一种铁路桥梁预应力钢束线形仿真计算方法，其特征在于：步骤f修剪导线与圆倒角相切，具体过程如下：

8.根据权利要求1所述的一种铁路桥梁预应力钢束线形仿真计算方法，其特征在于：步骤g计算预应力钢束线形输出结果，具体过程如下：

9.根据权利要求8所述的一种铁路桥梁预应力钢束线形仿真计算方法，其特征在于：对于直线段的投影，直线段在x-y平面、x-z平面内投影依然为直线，计算直线端点在整体坐标系中的坐标并进行投影，使用直线连接投影点。

10.根据权利要求1所述的一种铁路桥梁预应力钢束线形仿真计算方法，其特征在于：对于圆弧段的投影，采用空间圆弧离散方法将圆弧离散为多个空间点，计算空间点的整体坐标系坐标并投影到x-y平面、x-z平面，使用直线依次连接各投影点。

技术总结
本发明公开了一种铁路桥梁预应力钢束线形仿真计算方法，包括以下步骤：输入预应力钢束的导线点数据；对输入的预应力钢束的导线点数据进行预处理；计算每个导线点所在平面的局部坐标系；变换导线点空间坐标到局部坐标系；计算导线点的圆倒角；修剪导线与圆倒角相切；计算预应力钢束线形输出结果。本发明定义了一种导线点数据表征格式，构建了预应力钢束线形轮廓输入方法；通过三维空间坐标系转换和平面圆倒角计算方法，推导了空间坐标系下圆弧曲线空间坐标计算方法，从而建立了铁路桥梁预应力钢束线形仿真计算方法。本发明能对铁路桥梁预应力钢束空间线形进行准确表征和模拟，解决预应力钢束线形模型计算准确性难题。

技术研发人员：苏伟,杨智慧,王雨权,廖立坚,傅安民,刘龙,闻济舟,张兴华,乔晋飞,蒋成强,许梦凡,王君,刘丽斌,彭建东
受保护的技术使用者：中国铁路设计集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15