一种新型LCP纤维复材悬索桥柔性中央扣的设计方法

本发明涉及桥梁工程设计的，尤其是涉及一种新型lcp纤维复材悬索桥柔性中央扣的设计方法。

背景技术：

1、悬索桥是跨越能力最大的桥型之一，也是新建超大跨径桥梁的首选桥型，中央扣作为悬索桥一种结构装置连接悬索桥主缆与主梁，可以提高悬索桥的纵向刚度以及扭转频率，进而提高结构抗风稳定性，同时，中央扣还可以降低梁端位移及跨中缆梁相对位移，常见的中央扣有柔性中央扣和刚性中央扣等。中央扣在国内外桥梁结构中得到了大量应用。

2、纤维复合材料(frp)，又名纤维增强聚合物。frp中的纤维按材料可分为液晶聚合物(lcp)、玻璃纤维(gf)、碳纤维(cf)等，纤维增强复合材料拉索可以采用各类混杂纤维，可以通过调整纤维体积比，来控制拉索的强度和弹性模量，达到任意想要的强度和弹性模量。目前，纤维增强复合材料拉索已被成功用于数十座桥梁中。

3、当前虽然已有学者对大跨径悬索桥中央扣做过研究，但采用新材料中央扣未见报道，且纤维增强复合材料作为缆索承重桥受力构件应用刚起步，且当前的钢索柔性中央扣的抗拉能力和静动力性能均存在进步空间，不能满足人们日益提高的对超大跨悬索桥稳定性的要求。

技术实现思路

1、根据现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种新型lcp纤维复材悬索桥柔性中央扣的设计方法，具有从抗拉能力、静动力性能影响等方面对比，皆优于传统的钢索中央扣拉索系统，从而提高超大跨悬索桥的稳定性的效果。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、一种新型lcp纤维复材悬索桥柔性中央扣的设计方法，包括以下步骤：

4、s1、获取悬索桥的框架单元力学参数和桁架单元力学参数，中央扣采用设置受压限值为0的桁架单元模拟；

5、其中，中央扣的材质为lcp纤维复材，中央扣拉索系统采用lcp纤维复材拉索，索夹处为骑跨式连接，加筋梁处为黏结式锚头，主缆中央扣索夹系统采用左右对合的结构形式，左、右两半索夹用螺杆紧箍于主缆上；

6、s2、利用三维建模软件建立悬索桥数学模型，存成或导出为有限元软件可识别的文件格式；

7、s3、根据框架单元力学参数和桁架单元力学参数，建立悬索桥有限元模型；

8、s4、基于悬索桥有限元模型，采用时程分析进行动力仿真计算，获取中央扣的力学参数。

9、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述步骤s3具体包括：

10、s31、将悬索桥数学模型导入到有限元分析软件；

11、s32、选择四面体或六面体单元对数学模型进行有限元网格划分；

12、s33、给数学模型或单元添加材料并输入材料参数；

13、s34、在数学模型上、有限元上或节点上施加边界条件。

14、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述步骤s2与所述步骤s3之间，根据所述悬索桥数学模型的特点，取消不必要的几何特征，具体的：根据所述三维几何特征的三维凸包确定面积最大的外轮廓三角平面；

15、将所述三维几何特征向所述外轮廓三角平面进行投影，得到第一二维几何特征；

16、在所述第一二维几何特征中确定具有相互连接关系的外轮廓；

17、根据所述外轮廓和所述第一二维几何特征的特点，确定需要清理的特征并进行清理。

18、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述步骤s4具体包括：

19、在有限元分析软件中设置解算输出项，包括：应力、位移、应变；

20、解算并显示解算结果，包括：应力、位移、应变。

21、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述悬索桥中，加劲梁、桥塔、承台及基础采用框架单元建模；主缆及吊索采用桁架单元建模。

22、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：在建立悬索桥有限元模型前，中央扣还串联一个粘滞阻尼器并一同进行动力分析，粘滞阻尼器采用maxwell模型模拟建模。

23、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：如果所述第一二维几何特征由完整环路构成，根据所述外轮廓以及所述第一二维几何特征与外轮廓的连接关系，确定需要清理的特征并进行清理。

24、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：如果所述第一二维几何特征由非完整环路构成，根据所述外轮廓以及所述三维几何特征中相邻面的夹角，确定需要清理的特征并进行清理。

25、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：如果所述第一二维几何特征包括曲面边界特征，根据所述外轮廓以及所述三维几何特征中的最大面积曲面，确定需要清理的特征并进行清理。

26、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：在根据所述悬索桥数学模型的特点，取消不必要的几何特征之前，还包括：采用训练好的深度学习神经网络模型，识别所述悬索桥数学模型中的设定几何特征。

27、综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

28、1.本发明通过有限元分析设计材质为lcp纤维复材的中央扣，相比与传统的钢索中央扣，具有高抗腐蚀性、高强度、高耐热性等优势，可以适应更加恶虐的环境，且具有优异的减振特性，更适用于活载、风荷载等影响下的超大跨径悬索桥，从而满足人们日益提高的对超大跨悬索桥稳定性的要求；

29、2.frp中央扣与梁端约束装置组合应用，可大幅降低中央扣及短吊索自身内力及应力幅，进一步的提高悬索桥的质量。

技术特征：

1.一种新型lcp纤维复材悬索桥柔性中央扣的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种新型lcp纤维复材悬索桥柔性中央扣的设计方法，其特征在于：所述步骤s3具体包括：

3.根据权利要求2所述的一种新型lcp纤维复材悬索桥柔性中央扣的设计方法，其特征在于：所述步骤s2与所述步骤s3之间，根据所述悬索桥数学模型的特点，取消不必要的几何特征，具体的：根据所述三维几何特征的三维凸包确定面积最大的外轮廓三角平面；

4.根据权利要求1所述的一种新型lcp纤维复材悬索桥柔性中央扣的设计方法，其特征在于：所述步骤s4具体包括：

5.根据权利要求1所述的一种新型lcp纤维复材悬索桥柔性中央扣的设计方法，其特征在于：所述悬索桥中，加劲梁、桥塔、承台及基础采用框架单元建模；主缆及吊索采用桁架单元建模。

6.根据权利要求5所述的一种新型lcp纤维复材悬索桥柔性中央扣的设计方法，其特征在于：在建立悬索桥有限元模型前，中央扣还串联一个粘滞阻尼器并一同进行动力分析，粘滞阻尼器采用maxwell模型模拟建模。

7.根据权利要求3所述的一种新型lcp纤维复材悬索桥柔性中央扣的设计方法，其特征在于：如果所述第一二维几何特征由完整环路构成，根据所述外轮廓以及所述第一二维几何特征与外轮廓的连接关系，确定需要清理的特征并进行清理。

8.根据权利要求3所述的一种新型lcp纤维复材悬索桥柔性中央扣的设计方法，其特征在于：如果所述第一二维几何特征由非完整环路构成，根据所述外轮廓以及所述三维几何特征中相邻面的夹角，确定需要清理的特征并进行清理。

9.根据权利要求3所述的一种新型lcp纤维复材悬索桥柔性中央扣的设计方法，其特征在于：如果所述第一二维几何特征包括曲面边界特征，根据所述外轮廓以及所述三维几何特征中的最大面积曲面，确定需要清理的特征并进行清理。

10.根据权利要求3所述的一种新型lcp纤维复材悬索桥柔性中央扣的设计方法，其特征在于：在根据所述悬索桥数学模型的特点，取消不必要的几何特征之前，还包括：采用训练好的深度学习神经网络模型，识别所述悬索桥数学模型中的设定几何特征。

技术总结
本发明涉及一种新型LCP纤维复材悬索桥柔性中央扣的设计方法，包括以下步骤：S1、获取悬索桥的框架单元力学参数和桁架单元力学参数，中央扣采用设置受压限值为0的桁架单元模拟；S2、利用三维建模软件建立悬索桥数学模型，存成或导出为有限元软件可识别的文件格式；S3、根据框架单元力学参数和桁架单元力学参数，建立悬索桥有限元模型；S4、基于悬索桥有限元模型，采用时程分析进行动力仿真计算，获取中央扣的力学参数。本发明涉及桥梁工程设计的技术领域。本发明的中央扣具有高抗腐蚀性、高强度、高耐热性等优势，可以适应恶虐的环境。具有优异的减振特性，更适用于活载、风荷载等影响下的超大跨径悬索桥。

技术研发人员：刘越,张太科,郭峰超,席铭洋,王茂强,吴玲正,孙康欣,陈上有,刘星星
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21