技术领域
[0001] 本
发明涉及
桥梁施工技术领域，更为具体地，涉及一种孔道预
应力损失分析系统及方法。
背景技术
[0002] 预应力
混凝土桥的预应力是桥梁上部结构的重要组成部分。预应力束的恰当布置，不仅能够使结构的跨越能力出现飞跃，使工程
质量提高，而且可大幅度减轻结构自重，使结构变得美观轻巧，从而节约大量
钢材和混凝土。反之如果预应力配置不当，不仅浪费材料，而且还会造成混凝土结构开裂，甚至破坏的严重后果，因此预应力配置对工程具有重要的意义。
[0003] 尤其是大跨度
预应力混凝土桥梁，在施工过程中通常造成的预应力损失比按设计规范的预应力损失要大，甚至在长索拉张时出现预应力损失过大，甚至有时长索拉张后沿程损失殆尽。
发明内容
[0004] 鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种提高孔道摩阻参数
精度，防止出现在长索拉张时出现预应力损失过大的孔道预应力损失分析系统及方法。
[0005] 根据本发明的一个方面，提供一种桥梁预应力分析系统，包括：
[0006] 参数设定模
块，设置未完成施工的桥梁的设计参数，所述设计参数包括桥梁跨径组合、每米局部偏差对摩擦的影响系数的设计值k设计和预应力筋与管道壁之间的
摩擦系数的设计值μ设计；
[0007] 桥梁模拟模块，根据所述设计参数构建桥梁的三维模型，模型采用梁单元；
[0008] 分析截面选取模块，选取每个梁单元的主梁根部截面和跨中截面作为分析截面；
[0009] 实验模块，采用孔道摩阻实验获得孔道每米局部偏差对摩擦的影响系数的实验值k实验和预应力筋与管道壁之间的摩擦系数的实验值μ实验；
[0010] 判断模块，判断孔道摩阻实验获得的影响系数和摩擦系数的实验值k实验和μ实验与各自的设计值k设计和μ设计是否存在偏差，当存在偏差时，发送
信号给第一分析模块；
[0011] 第一分析模块，在设定范围内分析单独变量影响系数k和摩擦系数μ对分析截面的顶板和
底板的应力和竖向位移的影响；
[0012] 第二分析模块，将影响系数k和和单独变量摩擦系数μ进行组合，分析组合参数对分析截面的顶板和底板的应力和竖向位移的影响，形成组合参数影响；
[0013] 实验值调整模块，根据第一分析模块和第二分析模块的分析结果确定影响系数和摩擦系数的实验值k实验和μ实验各自的调整范围和最佳组合参数。
[0014] 根据本发明的另一个方面，提供一种桥梁预应力分析方法，包括：
[0015] 设置未完成施工的桥梁的设计参数，所述设计参数包括桥梁跨径组合、每米局部偏差对摩擦的影响系数的设计值k设计和预应力筋与管道壁之间的摩擦系数的设计值μ设计；
[0016] 根据所述设计参数构建桥梁的三维模型，模型采用梁单元；
[0017] 选取每个梁单元的主梁根部截面和跨中截面作为分析截面；
[0018] 采用孔道摩阻实验获得孔道每米局部偏差对摩擦的影响系数的实验值k实验和预应力筋与管道壁之间的摩擦系数的实验值μ实验；
[0019] 判断孔道摩阻实验获得的影响系数和摩擦系数的实验值k实验和μ实验与各自的设计值k设计和μ设计是否存在偏差；
[0020] 当存在偏差时，在设定范围内分析单独变量影响系数k和摩擦系数μ对分析截面的顶板和底板的应力和竖向位移的影响；
[0021] 将影响系数k和和单独变量摩擦系数μ进行组合，分析组合参数对分析截面的顶板和底板的应力和竖向位移的影响，形成组合参数影响；
[0022] 根据单独变量影响和组合参数影响的分析结果确定影响系数和摩擦系数的实验值k实验和μ实验各自的调整范围和最佳组合参数。
[0023] 本发明所述孔道预应力损失分析系统及方法通过设计值和实验值得比较，对孔道摩阻参数的合理范围与参数敏感性进行了分析，对预应力张拉施工提供了依据，保证了孔道摩阻参数的精确度。
附图说明
[0024] 通过参考以下结合附图的说明，随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
[0025] 图1是本发明所述孔道预应力损失分析系统的构成
框图；
[0026] 图2是本发明所述孔道摩阻实验的示意图；
[0027] 图3是本发明所述孔道预应力损失分析方法的
流程图；
[0028] 图4是管道每米局部偏差对摩擦的影响系数对截面应力影响的示意图；
[0029] 图5是管道每米局部偏差对摩擦的影响系数对截面挠度影响的示意图；
[0030] 图6是预应力筋与孔道壁的摩擦系数对截面应力影响的示意图；
[0031] 图7是预应力筋与孔道壁的摩擦系数对截面挠度影响的示意图；
[0032] 图8是组合参数对截面应力影响的示意图；
[0033] 图9是组合参数截面挠度影响的示意图。
具体实施方式
[0034] 在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个
实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
[0035] 以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
[0036] 图1是本发明所述孔道预应力损失分析系统的构成框图，如图1所示，本发明所述孔道预应力损失分析系统包括：
[0037] 参数设定模块1，设置未完成施工的桥梁的设计参数，所述设计参数包括桥梁跨径组合、每米局部偏差对摩擦的影响系数的设计值k设计和预应力筋与管道壁之间的摩擦系数的设计值μ设计；
[0038] 桥梁模拟模块2，根据所述设计参数构建桥梁的三维模型，模型采用梁单元；
[0039] 分析截面选取模块3，选取每个梁单元的主梁根部截面和跨中截面作为分析截面；
[0040] 实验模块4，采用孔道摩阻实验获得孔道每米局部偏差对摩擦的影响系数的实验值k实验和预应力筋与管道壁之间的摩擦系数的实验值μ实验；
[0041] 判断模块5，判断孔道摩阻实验获得的影响系数和摩擦系数的实验值k实验和μ实验与各自的设计值k设计和μ设计是否存在偏差，当存在偏差时，发送信号给第一分析模块；
[0042] 第一分析模块6，在设定范围内分析单独变量影响系数k和摩擦系数μ对分析截面的顶板和底板的应力和竖向位移的影响；
[0043] 第二分析模块7，将影响系数k和和单独变量摩擦系数μ进行组合，分析组合参数对分析截面的顶板和底板的应力和竖向位移的影响，形成组合参数影响；
[0044] 实验值调整模块8，根据第一分析模块和第二分析模块的分析结果确定影响系数和摩擦系数的实验值k实验和μ实验各自的调整范围和最佳组合参数。
[0045] 如图2所示，上述实验模块4包括：穿设于预应力管道中的预应力钢绞
线束411、沿轴线方向分别向两端依次穿过穿心式压力
传感器412、对中环413、穿心式千斤顶414、工具锚415，其中，
[0046] 穿心式
压力传感器412、对中环413、穿心式千斤顶414以及工具锚415均与预应力管道同心设置，
[0047] 其中，各穿心式压力传感器412通过数据线与测试仪416相连，在任一端上施加张拉力，穿心式压力传感器412会出现压缩
变形，测试仪416分别测出两端的预应力的差值即为管道摩阻力，
[0048] 其中，两个穿心式压力传感器412都通过接线箱，417中的数据线与测试仪416相连，两个油
泵418分别给对应的穿心式千斤顶414供油。
[0049] 在本发明的一个实施例中，孔道预应力损失分析系统还包括：
[0050]
知识库9，存储已完成施工的桥梁的设计参数、预应力体系参数以及采用孔道摩阻实验获得已完成施工桥梁的管道每米长度的局部偏差对摩擦的影响系数k已和预应力筋与管道壁之间的摩擦系数μ已，所述预应力体系参数包括：预应力张拉、混凝土收缩徐变、
温度变化、施工
载荷等；
[0051] 匹配模块10，根据设计参数、影响系数、摩擦系数或/和影响系数和摩擦系数的组合参数，将未完成施工的桥梁与已完成施工的桥梁进行匹配，得到与未完成施工桥梁相似的已完成施工桥梁，其中，
[0052] 未完成施工桥梁采用影响系数实验值k实验和摩擦系数的实验值μ实验进行匹配；
[0053] 实验值调整模块8还结合所述已完成施工桥梁的影响系数k已和摩擦系数μ已对未完成施工桥梁的影响系数和摩擦系数的实验值k实验和μ实验进行调整。
[0054] 优选地，所述匹配模块10包括：
[0055] 聚类单元101，采用聚类
算法(系统聚类、K均值聚类等)按照未完成施工桥梁的各设计参数、影响系数、摩擦系数以及影响系数和摩擦系数的组合参数对已完成施工桥梁进行聚类，得到不同设计参数、影响系数、摩擦系数和组合参数对应的聚类结果集合；
[0056] 判断单元102，判断多个聚类结果集合是否存在交集，如果存在交集，发送信号给第一匹配单元；如果不存在交集，发送信号给第二匹配单元；
[0057] 第一匹配单元103，将交集作为相似的已完成施工桥梁集合，将所述相似的已完成施工桥梁集合中各桥梁的模型参数的平均值作为实验值调整模块调整的依据；
[0058] 第二匹配单元104，将根据影响系数和摩擦系数的组合参数获得的聚类结果作为相似的已完成施工桥梁集合，将所述相似的已完成施工桥梁集合中各桥梁的模型参数的平均值作为实验值调整模块调整的依据。
[0059] 图3是本发明所述孔道预应力损失分析方法的流程图，如图3所示，所述孔道预应力损失分析方法包括：
[0060] 步骤S1，设置未完成施工的桥梁的设计参数，所述设计参数包括桥梁跨径组合、每米局部偏差对摩擦的影响系数的设计值k设计和预应力筋与管道壁之间的摩擦系数的设计值μ设计；
[0061] 步骤S2，根据所述设计参数构建桥梁的三维模型，模型采用梁单元；
[0062] 步骤S3，选取每个梁单元的主梁根部截面和跨中截面作为分析截面；
[0063] 步骤S4，采用孔道摩阻实验获得孔道每米局部偏差对摩擦的影响系数的实验值k实验和预应力筋与管道壁之间的摩擦系数的实验值μ实验；
[0064] 步骤S5，判断孔道摩阻实验获得的影响系数和摩擦系数的实验值k实验和μ实验与各自的设计值k设计和μ设计是否存在偏差；
[0065] 当存在偏差时，步骤S6，在设定范围内分析单独变量影响系数k和摩擦系数μ对分析截面的顶板和底板的应力和竖向位移的影响；
[0066] 步骤S7，将影响系数k和和单独变量摩擦系数μ进行组合，分析组合参数对分析截面的顶板和底板的应力和竖向位移的影响，形成组合参数影响；
[0067] 步骤S8，根据单独变量影响和组合参数影响的分析结果确定影响系数和摩擦系数的实验值k实验和μ实验各自的调整范围和最佳组合参数；
[0068] 当不存在偏差时，将实验值k实验和μ实验或设计值k设计和μ设计作为最佳组合参数。
[0069] 步骤S4中，所述曲线预应力孔道摩阻实验的方法包括：
[0070] 对管道进行清洁
整理，依据设计要求将预应力钢绞线穿好；
[0071] 搭建预应力管道摩阻试验装置，将传感器、对中环、穿心式千斤顶、工具锚依次安装在预应力管道内的预应力束上，并且，使得穿心式压力传感器、对中环、以及穿心式千斤顶均与预应力管道同心设置；
[0072] 通过数据线将两端的传感器分别与测试仪连接；
[0073] 对管道两端的千斤顶同时进行充油，并保持一定的压力；
[0074] 将其中一端作为张拉端，另一端作为固定端，关闭固定端的千斤顶油
阀，分五级张拉张拉端，一直达到设计张拉力为止，记录两端压力的差值；
[0075] 将两端进行
角色对换，将所述一端作为固定端，所述另一端作为张拉端，仍然分五级张拉，并记录两端压力的差值；
[0076] 利用以下的公式(1)和公式(2)，计算得到作为预应力筋的预应力钢绞线和管道的摩擦系数μ，管道每米局部偏差对摩擦的影响系数k，
[0077]
[0078]
[0079] 其中，
[0080] μ为预应力筋与管道壁的摩擦系数；
[0081] Yi为第i根预应力管道对应的ln(nz/nb)值，nz是主动端实际张拉力，nb是计算截面的实际拉力；
[0082] xi为第i根预应力管道对应的预应力筋空间曲线长度；
[0083] θi为第i根预应力管道对应的预应力筋空间曲线包角。
[0084] 在本发明的一个实施力中，孔道预应力损失分析方法还包括：
[0085] 存储已完成施工的桥梁的设计参数、预应力体系参数以及采用孔道摩阻实验获得已完成施工桥梁的管道每米长度的局部偏差对摩擦的影响系数k已和预应力筋与管道壁之间的摩擦系数μ已；
[0086] 根据设计参数、影响系数、摩擦系数或/和影响系数和摩擦系数的组合参数，将未完成施工的桥梁与已完成施工的桥梁进行匹配，得到与未完成施工桥梁相似的已完成施工桥梁，其中，
[0087] 未完成施工桥梁采用影响系数实验值k实验和摩擦系数的实验值μ实验进行匹配；
[0088] 结合所述已完成施工桥梁的影响系数k已和摩擦系数μ已对未完成施工桥梁的影响系数和摩擦系数的实验值k实验和μ实验进行调整。
[0089] 优选地，所述将未完成施工的桥梁与已完成施工的桥梁进行匹配的方法包括：
[0090] 采用
聚类算法按照未完成施工桥梁的各设计参数、影响系数、摩擦系数以及影响系数和摩擦系数的组合参数对已完成施工桥梁进行聚类，得到不同设计参数、影响系数、摩擦系数和组合参数对应的聚类结果集合；
[0091] 判断多个聚类结果集合是否存在交集；
[0092] 如果存在交集，将交集作为相似的已完成施工桥梁集合，将所述相似的已完成施工桥梁集合中各桥梁的模型参数的平均值作为未完成施工桥梁影响系数实验值k实验和摩擦系数的实验值μ实验调整的依据；
[0093] 如果不存在交集，将根据影响系数和摩擦系数的组合参数获得的聚类结果作为相似的已完成施工桥梁集合，将所述相似的已完成施工桥梁集合中各桥梁的模型参数的平均值作为未完成施工桥梁影响系数实验值k实验和摩擦系数的实验值μ实验调整的依据。
[0094] 在本发明的一个具体实施例中，未完成施工桥梁的跨径组合为58+100+58m，未完成施工桥梁的曲线半径为750m，采用有限元方法构建未完成施工桥梁的三维模型，根据施工梁段的划分、
支点、跨中、截面变化点等控制截面将全桥箱梁段划分为149个
节点和144个单元，模型采用梁单元，如图4所示，所述控制截面包括主梁根部界面1-1和跨中截面1-2，预应力孔道成孔采用塑料
波纹管成孔，按照《公路
钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，k设计＝0.0015，μ设计＝0.15。
[0095] 预应力孔道摩阻实验获得管道每米长度的局部偏差对摩擦的影响系数k实验＝0.0028和预应力筋与管道壁之间的摩擦系数μ实验＝0.35；
[0096] 未完成施工桥梁的影响系数和摩擦系数的设计值和实验值存在偏差；
[0097] 对孔道每米局部偏差对摩擦的影响系数k进行敏感性分析，参与敏感性分析取值分别为0.0015、0.0020、0.0030、0.0040、0.0050、0.0060，得到的实验结果如下表1，[0098] 表1
[0099]
[0100]
[0101] 采用曲线拟合方法对不同影响参数下的截面应力进行了曲线拟合，如图4所示，孔道每米局部偏差对摩擦的影响系数对1-1截面的上缘应力、2-2截面的下缘应力影响明显，而对1-1截面的下缘应力、2-2截面的上缘应力影响不大。K值自0.0015增大到0.006后，1-1截面的上缘应力从-10.1MPa变
化成-8.4MPa，压应力减小了1.7MPa，占16.8％；2-2截面的下缘应力从-10.2MPa变化称为-8.6MPa，压应力减小了1.6MPa，占15.7％。随着K值增大、主要截面的压应力呈现出减小的趋势，减小比例最大16.8％。
[0102] 采用曲线拟合方法对不同影响参数下的截面挠度进行了曲线拟合，如图5所示，孔道每米局部偏差对摩擦的影响系数对1-1截面的挠度影响较小，对2-2截面的挠度影响较大。当孔道每米局部偏差对摩擦的影响系数取设计值0.0015时，跨中截面的位移为6.7mm，而当K由0.0015变化为0.006时，跨中挠度变为-2.6mm，下降了9.3mm，而对于1-1截面，竖向挠度变化仅为0.4mm。
[0103] 对预应力筋与孔道壁的摩擦系数μ进行敏感性分析，参与敏感性分析取值分别为0.15、0.20、0.25、0.30、0.40、0.50，得到的实验结果如下表2，
[0104] 表2
[0105]
[0106] 采用曲线拟合方法对不同摩擦系数下的截面应力进行了曲线拟合，如图6所示，μ对1-1截面的上缘应力、2-2截面的下缘应力影响明显，而对1-1截面的下缘应力、2-2截面的上缘应力影响不大。K值自0.15增大到0.5后，1-1截面的上缘应力从-10.1MPa变化成-9MPa，压应力减小了1.1MPa，占10.9％；2-2截面的下缘应力从-10.2MPa变化称为-8.7MPa，压应力减小了1.5MPa，占14.7％。随着μ值增大、主要截面的压应力呈现出减小的趋势，减小比例最大14.7％。
[0107] 采用曲线拟合方法对不同摩擦系数下的截面挠度进行了曲线拟合，如图7所示，预应力筋与孔道壁的摩擦系数μ对1-1截面的挠度影响较小，对2-2截面的挠度影响较大。当预应力筋与孔道壁的摩擦系数取设计值0.15时，跨中截面的位移为6.7mm，而当μ由0.15变化为0.5时，跨中挠度变为0mm，下降了6.7mm，而对于1-1截面，竖向挠度变化仅为0.3mm。
[0108] 根据上述分析结果，对孔道每米局部偏差对摩擦的影响系数与预应力筋与孔道壁的摩擦系数进行组合，并进行参数敏感性分析。组合参数分别为：(0.0015,0.15)、(0.0020,0.20)、(0.0030,0.25)、(0.0040,0.30)、(0.0050,0.40)和(0.0060,0.50)，得到的实验结果如下表3，
[0109] 表3
[0110]
[0111] 采用曲线拟合方法对不同组合参数下的截面应力进行了曲线拟合，如图8所示，组合参数对1-1截面的上缘应力、2-2截面的下缘应力影响明显，而对1-1截面的下缘应力、2-2截面的上缘应力影响不大。组合参数自(0.0015,0.15)增大到(0.0060,0.50)后，1-1截面的上缘应力从-10.1MPa变化成-7.3MPa，压应力减小了2.8MPa，占27.7％；2-2截面的下缘应力从-10.2MPa变化称为-7.1MPa，压应力减小了3.1MPa，占30.4％。随着组合参数值增大、主要截面的压应力呈现出减小的趋势，减小比例最大30.4％。
[0112] 采用曲线拟合方法对不同组合参数下的截面挠度进行了曲线拟合，如图9所示，组合参数对1-1截面的挠度影响较小，对2-2截面的挠度影响较大。当组合参数取设计值时，跨中截面的位移为6.7mm，而组合参数自(0.0015,0.15)变化为(0.0060,0.50)时，跨中挠度变为-9.1mm，下降了15.8mm，而对于1-1截面，竖向挠度变化仅为0.7mm。
[0113] 所述影响系数的实验值k实验上下调整范围为不大于0.001，所述摩擦系数的实验值μ实验的上下调整范围为不大于0.1，预应力孔道摩阻实验获得，影响系数k实验＝0.0028和，摩擦系数μ实验＝0.35对界截面的应力影响和挠度影响适中，可以将(0.0028,0.35)作为最佳组合参数，优选地，k值在0.0023-0.0033范围内，μ值在0.30-0.40范围内进行预应力拉张。
[0114] 另外，还可以采用已经完成施工的桥梁对实验值进行矫正，例如，多个已完成施工桥梁分别按照K、μ和组合参数的欧氏距离进行聚类，去聚类结果的交集作为未完成施工桥梁相似的已完成施工桥梁集合，取平均值，结合上述各拟合曲线、现场的施工条件和成本对实验值进行调整，在一个具体实施例中，所述平均值为k平均＝0.00285，μ平均＝0.2572，k实验与k平均的差在0.001范围内，μ实验与μ平均的差在0.01范围内，通过图4-图9的拟合曲线可以看出对截面应力和挠度的影响不大，可以将(0.0028,0.35)作为最佳组合参数。
[0115] 在预应力损失中，预应力筋与孔道壁之间摩擦引起的应力损失占绝大部分，上述实施例通过相似的已完成施工桥梁的摩擦系数和影响系数调整未完成施工的桥梁的摩擦系数和影响系数，提高了模型参数的准确性。
[0116] 本发明的上述各实施例中，将设计值和实验值存在偏差作为敏感性分析启动的条件，但是本发明并不限于此，可以当设计值和实验值的差值超过误差范围时启动敏感性分析。
[0117] 综上所述，参照附图以示例的方式描述了根据本发明提出的
悬链线拱桥拱肋施工放样方法及系统。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的系统及方法，还可以在不脱离本发明内容的
基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的
权利要求书的内容确定。
