自锚式悬索桥桥塔节点位置确定方法、装置及计算机设备与流程

本发明涉及自锚式悬索桥研究，具体涉及一种自锚式悬索桥桥塔节点位置确定方法、装置及计算机设备。

背景技术：

1、当前大跨悬索桥按主缆锚固方式可分为地锚式悬索桥和自锚式悬索桥。与地锚式悬索桥相比，自锚式悬索桥具有不需要修建大体积锚碇、受地形地质限制小、较大的跨越能力、外形美观等优点。我国的自锚式悬索桥科学研究和发展相对较晚，但在21世纪初自锚式悬索桥兴起的时候，我国建造了一大批大跨度、加劲梁形式不同的自锚式悬索桥。从第一座自锚式悬索桥开始，起初用混凝土为主要构成材料，比如大连市金石滩金湾桥，到现在开始使用钢材为主要构成材料，大大提升了自锚式悬索桥的跨高比，例如桃花峪黄河大桥。

2、目前有关学者对于大跨度悬索桥的研究主要从悬索桥自振特性、主塔刚度对全桥稳定性的影响、加劲梁挠度及其应力响应、主缆线形等角度出发，围绕大跨度悬索桥的钢-混结合段受力性能、主塔刚度、吊杆张拉力控制和主缆线形等性能方面的影响开展的。在钢-混结合段受力性能方面，其受负弯矩影响大，钢梁顶板与混凝土梁顶板有产生分离风险；在主塔刚度方面，主塔刚度其对悬索桥的基频估算起着重大作用；在吊杆张拉控制方面，吊杆张拉顺序的优化可以保证施工过程中的各项指标安全可控。自锚式悬索桥相较于传统地锚式悬索桥静动力性能有很大不同，自锚式悬索桥为塔-梁-缆自平衡结构体系，其成桥顺序为先塔→加劲梁(有支架施工或顶推法)而后缆→吊索，最后将加劲梁成体吊索。其中桥塔的结构构造和受力更为复杂，随着人们对其力学性能认识的不断深入，自锚式悬索桥跨径不断增大，结构形式也变化多样。

3、上述研究主要集中在钢-混结合段受力性能、主塔刚度、吊杆张拉力控制和主缆成形条件方面，目前还少有人对自锚式悬索桥桥塔节点位置对全桥受力性能进行研究。本研究结合超宽异形桥塔自锚式悬索桥建立了全桥迈达斯模型，对主桥桥塔不同节点位置，中塔柱的塔肢不同角度进行受力分析，推导出主桥桥塔内部的应力情况及应力分布规律，分析主塔内部的传力机理，从而得到最合理的的主桥桥塔节点布置位置。

4、但是现有技术存在以下问题及缺陷：现有研究主要集中在钢-混结合段受力性能、主塔刚度、吊杆张拉力控制和主缆成形条件方面，目前还少有人对自锚式悬索桥桥塔节点位置对全桥受力性能进行研究。

技术实现思路

1、本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种自锚式悬索桥桥塔节点位置确定方法、装置及计算机设备，保证主塔的受力合理性，有效降低吊杆与主缆的轴拉力，减小主梁的最大弯矩及挠度，保证全桥受力的平衡性和保证全桥的安全。

2、为实现上述目的，本发明所设计的自锚式悬索桥桥塔节点位置确定方法，包括如下步骤：

3、a)建立自锚式悬索桥的数值模型；

4、b)基于桥梁结构确定数值模型中各构件之间的边界条件连接方式；

5、c)基于设计规范确定自锚式悬索桥数值模型的主要作用荷载；

6、d)对背景工程成桥状态进行模拟计算，得出成桥最合适的主桥桥塔节点的位置。

7、优选地，所述步骤a)中，利用midas civil软件建立自锚式悬索桥的数值模型。

8、优选地，建立自锚式悬索桥的数值模型包括：

9、主塔建模：主塔选取c50混凝土，弹性模量取3.45×107kn/m2，截面类型为变截面，泊松比取0.3，张拉主塔预应力筋；

10、主梁建模：钢主梁选取q345钢材，弹性模量取2.06×108kn/m2，截面类型为一般截面，泊松比取0.31，混凝土主梁选取c50混凝土，弹性模量取3.45×107kn/m2，截面类型为一般截面，泊松比取0.3，张拉混凝土主梁预应力筋；

11、主缆及吊杆建模：主缆选取1860钢绞线，弹性模量取2.05×108kn/m2，泊松比取0.3，截面类型为只受拉索单元，吊杆缆选取1770钢绞线，弹性模量取2.05×108kn/m2，泊松比取0.3，截面类型为只受拉桁架单元；

12、桩-土相互作用建模：桩基选取c30混凝土，弹性模量取3.0×107kn/m2，截面类型为一般截面，泊松比取0.2，x方向约束为2.78×106kn/m，y方向约束为1.0×106kn/m，桩底约束为固结约束。

13、优选地，所述步骤b)中，支座的连接方式为刚性连接，只受压弹簧竖向刚度为1.0×106kn/m，塔底固结，两边主缆固结；主梁与主塔下横梁处节点的连接方式为主从节点连接，上塔柱、中塔柱、下塔柱与主塔的连接方式均为主从节点连接，散索鞍与主塔的连接方式为主从节点连接，主梁与锚跨的连接方式为主从节点连接，主塔与承台的连接方式为主从节点连接，过渡墩与主梁的连接方式为主从节点连接，锚固墩与主梁的连接方式为主从节点连接，约束竖桥向、顺桥向平动。

14、优选地，所述步骤c)中，结合《公路桥涵设计通用规范》(jtgd60.2015)和桥梁设计说明，考虑所有荷载作用下的内力及应力进行计算分析，桥塔及混凝土主梁段均按设计图纸要求施加预应力，确定自锚式悬索桥数值模型的主要作用荷载。

15、优选地，所述步骤d)中，对背景工程成桥状态进行模拟计算，根据《公路桥涵设计通用规范》(jtgd60-2015)的规定进行荷载组合，根据桥塔节点高度变化对塔肢、全桥受力行为影响，通过比较得出成桥最合适的主桥桥塔节点位置。

16、优选地，确定桥塔节点的位置后，分析桥塔节点位置对自锚式悬索桥全桥受力行为的影响。

17、一种用于自锚式悬索桥桥塔节点位置确定方法的装置，包括：数值建模模块，用于建立自锚式悬索桥的数值模型；模拟计算模块，对背景工程成桥状态进行模拟计算，得出成桥最合适的主桥桥塔节点位置。

18、优选地，还包括分析模块，分析桥塔节点位置对自锚式悬索桥全桥受力行为的影响。

19、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行自锚式悬索桥桥塔节点位置确定方法的步骤。

20、本发明与现有技术相比，具有以下优点：

21、1、建立了超宽自锚式悬索桥全桥精细化有限元模型，对异形塔节点进行了精细化数值分析，通过改变塔肢节点高度比，用midas civil软件求解出主塔各塔肢弯矩、应力分布情况，保证全桥中主缆和吊杆的安全性，得到各塔肢间内力分配规律；

22、2、通过自锚式悬索桥全桥精细化有限元模型确定合理的桥塔节点位置，保证主塔的受力合理性；

23、3、通过设置合理的塔肢节点高度比，能有效降低吊杆与主缆的轴拉力，减小主梁的最大弯矩及挠度；

24、4、同时通过合理的桥塔节点位置来保证全桥受力的平衡性和保证全桥的安全。

技术特征：

1.一种自锚式悬索桥桥塔节点位置确定方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述自锚式悬索桥桥塔节点位置确定方法，其特征在于：所述步骤a)中，利用midas civil软件建立自锚式悬索桥的数值模型。

3.根据权利要求2所述自锚式悬索桥桥塔节点位置确定方法，其特征在于：建立自锚式悬索桥的数值模型包括：

4.根据权利要求1所述自锚式悬索桥桥塔节点位置确定方法，其特征在于：所述步骤b)中，支座的连接方式为刚性连接，只受压弹簧竖向刚度为1.0×106kn/m，塔底固结，两边主缆固结；主梁与主塔下横梁处节点的连接方式为主从节点连接，上塔柱、中塔柱、下塔柱与主塔的连接方式均为主从节点连接，散索鞍与主塔的连接方式为主从节点连接，主梁与锚跨的连接方式为主从节点连接，主塔与承台的连接方式为主从节点连接，过渡墩与主梁的连接方式为主从节点连接，锚固墩与主梁的连接方式为主从节点连接，约束竖桥向、顺桥向平动。

5.根据权利要求1所述自锚式悬索桥桥塔节点位置确定方法，其特征在于：所述步骤c)中，结合《公路桥涵设计通用规范》(jtgd60.2015)和桥梁设计说明，考虑所有荷载作用下的内力及应力进行计算分析，桥塔及混凝土主梁段均按设计图纸要求施加预应力，确定自锚式悬索桥数值模型的主要作用荷载。

6.根据权利要求1所述自锚式悬索桥桥塔节点位置确定方法，其特征在于：所述步骤d)中，对背景工程成桥状态进行模拟计算，根据《公路桥涵设计通用规范》(jtgd60-2015)的规定进行荷载组合，根据桥塔节点高度变化对塔肢、全桥受力行为影响，通过比较得出成桥最合适的主桥桥塔节点位置。

7.根据权利要求1所述自锚式悬索桥桥塔节点位置确定方法，其特征在于：确定桥塔节点的位置后，分析桥塔节点位置对自锚式悬索桥全桥受力行为的影响。

8.一种用于如权利要求1～7任一项所述自锚式悬索桥桥塔节点位置确定方法的装置，其特征在于：包括：数值建模模块，用于建立自锚式悬索桥的数值模型；模拟计算模块，对背景工程成桥状态进行模拟计算，得出成桥最合适的主桥桥塔节点位置。

9.根据权利要求8所述自锚式悬索桥桥塔节点位置确定装置，其特征在于：还包括分析模块，分析桥塔节点位置对自锚式悬索桥全桥受力行为的影响。

10.一种计算机设备，其特征在于：包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1～7任一项所述自锚式悬索桥桥塔节点位置确定方法的步骤。

技术总结
本发明涉及自锚式悬索桥研究技术领域，公开了一种自锚式悬索桥桥塔节点位置确定方法，包括如下步骤：A)建立自锚式悬索桥的数值模型；B)基于桥梁结构确定数值模型中各构件之间的边界条件连接方式；C)基于设计规范确定自锚式悬索桥数值模型的主要作用荷载；D)对背景工程成桥状态进行模拟计算，得出成桥最合适的主桥桥塔节点的位置。本发明还公开了一种自锚式悬索桥桥塔节点位置确定装置和计算机设备。本发明自锚式悬索桥桥塔节点位置确定方法、装置及计算机设备，保证主塔的受力合理性，有效降低吊杆与主缆的轴拉力，减小主梁的最大弯矩及挠度，保证全桥受力的平衡性和保证全桥的安全。

技术研发人员：孙方岛,曾瑞祥,胡波,董正午,徐亮,钱沛林,李富军
受保护的技术使用者：中交第二航务工程局有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10