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自锚式悬索桥施工监控方法、装置及其相关设备

申请号 CN202410170018.X 申请日 2024-02-06 公开(公告)号 CN117904975A 公开(公告)日 2024-04-19
申请人 中铁大桥局集团有限公司; 中铁大桥科学研究院有限公司; 发明人 赵训刚; 赖修文; 张亚州; 周陈旭; 钟继卫; 黄晓航; 王波; 吴巨峰; 古洲扬; 郑党鑫; 李逸; 盛兆琦;
摘要 本 发明 公开一种自锚式悬索桥施工监控方法、装置及其相关设备。该方法包括:根据第一输入信息和各施工阶段的各跨主缆吊索上吊点索 力 ,通过分段 悬链线 解析法 计算得到各施工阶段的主缆线形、索力及左右塔顶索鞍预偏量,第一输入信息用于求解各施工阶段的主缆状态;根据第二输入信息、各施工阶段的各跨主缆吊索下吊点索力、各施工阶段的主缆索力和左右塔顶索鞍预偏量,通过 有限元分析 法计算得到各施工阶段的主塔、主梁的线形和 应力 ,第二输入信息用于求解各施工阶段的主塔、主梁状态;根据计算结果进行施工监控。通过本发明,保证计算的实时性、收敛性,又能将主塔、主梁与主缆同步进行计算。
权利要求

1.一种自锚式悬索桥施工监控方法,其特征在于,所述自锚式悬索桥施工监控方法包括:
根据第一输入信息和各施工阶段的各跨主缆吊索上吊点索,通过分段悬链线解析法计算得到各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量,其中,所述第一输入信息用于求解各施工阶段的主缆状态;
获取第二输入信息和各施工阶段的各跨主缆吊索下吊点索力;
根据所述第二输入信息、各施工阶段的各跨主缆吊索下吊点索力、各施工阶段的主缆索力和左右塔顶索鞍预偏量,通过有限元分析法计算得到各施工阶段的主塔、主梁的线形和应力,其中,所述第二输入信息用于求解各施工阶段的主塔、主梁状态;
根据各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量,各施工阶段的主塔、主梁的线形和应力进行施工监控。
2.如权利要求1所述的自锚式悬索桥施工监控方法,其特征在于,所述根据第一输入信息和各施工阶段的各跨主缆吊索上吊点索力,通过分段悬链线解析法计算得到各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量的步骤包括:
建立目标关系表达式;
根据第一输入信息、所述目标关系表达式和成桥阶段的各跨主缆吊索上吊点索力确定成桥阶段的各跨主缆各索段索力和无应力长度,其中,所述第一输入信息用于求解各施工阶段的主缆状态,且各施工阶段包括成桥阶段;
根据成桥阶段的各跨主缆各索段无应力长度、第一输入信息、所述目标关系表达式和各施工阶段的各跨主缆吊索上吊点索力,确定各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量。
3.如权利要求2所述的自锚式悬索桥施工监控方法,其特征在于,所述建立目标关系表达式的步骤包括:
基于悬链线理论,建立第i索段的几何变量与左端索端力之间的第1组关系表达式,所述第1组关系表达式为:
其中,li表示第i索段两端平间距,各跨主缆第i索段的索段编号均从左往右依次编号;ci表示第i索段两端高差,所述高差为右端点高程减去左端点高程的差值;F0xi表示第i索段左端水平索端力;F0zi表示第i索段左端竖直索端力,索端力包括水平索端力和竖直索端力;Si表示第i索段无应力长度;E表示主缆弹性模量;A表示主缆面积;q表示主缆自重荷载集度;
建立第i索段左端索端力与右端索端力之间的第2组关系表达式,所述第2组关系表达式为:
F1xi=‑F0xi (3)
F1zi=‑F0zi+qSi (4)
其中,F1xi表示第i索段右端水平索端力;F1zi表示第i索段右端竖直索端力;
建立第i+1索段左端索端力与第i索段右端索端力之间的第3组关系表达式,所述第3组关系表达式为:
F0xi+1=‑F1xi (5)
F0zi+1=‑F1zi‑Pi (6)
其中,F0xi+1表示第i+1索段左端水平索端力;F0zi+1表示第i+1索段左端竖直索端力;Pi表示第i索段和第i+1索段之间的吊索上吊点索力;
根据所述第2组关系表达式和所述第3组关系表达式,递推得到第i索段左端索端力和第i+1索段左端索端力之间的第4组关系表达式,所述第4组关系表达式为:
F0xi+1=F0xi (7)
F0zi+1=F0zi‑qSi‑Pi (8)
将第1~4组关系表达式确定为目标关系表达式。
4.如权利要求3所述的自锚式悬索桥施工监控方法,其特征在于,第一输入信息包括各跨主缆弹性模量、主缆面积和主缆自重荷载集度,成桥阶段的各跨主缆各索段两端水平间距,成桥阶段的各跨主缆两端高差以及成桥阶段的中跨主缆跨中垂度,所述根据第一输入信息、所述目标关系表达式和成桥阶段的各跨主缆吊索上吊点索力确定成桥阶段的各跨主缆各索段索力和无应力长度的步骤包括:
针对成桥阶段的中跨主缆,基于中跨主缆两端高差闭合及跨中垂度闭合的条件,根据中跨主缆弹性模量、主缆面积和主缆自重荷载集度,成桥阶段的中跨主缆各索段两端水平间距,成桥阶段的中跨主缆吊索上吊点索力,目标关系表达式,成桥阶段的中跨主缆两端高差以及成桥阶段的中跨主缆跨中垂度,建立非线性方程组,其中,所述非线性方程组为:
其中,n表示中跨主缆的分段数;m表示中跨主缆从左塔到跨中的分段数;FM0x1表示成桥阶段的中跨主缆第1索段左端水平索端力;FM0z1表示成桥阶段的中跨主缆第1索段左端竖直索端力;CM表示成桥阶段的中跨主缆两端高差;f表示成桥阶段的中跨主缆跨中垂度;cMi表示成桥阶段的中跨主缆第i索段两端高差;
对中跨主缆第1索段左端水平索端力和中跨主缆第1索段左端竖直索端力赋初值,再通过非线性方程组9~10,利用迭代算法求解中跨主缆第1索段左端索端力,再根据目标关系表达式1,目标关系表达式7~8和目标关系表达式3~4,求解得到成桥阶段的中跨主缆各索段索端力和无应力长度;
针对成桥阶段的任一边跨主缆,基于任一边跨主缆两端高差闭合的条件,根据任一边跨主缆弹性模量、主缆面积和主缆自重荷载集度,成桥阶段的任一边跨主缆各索段两端水平间距,成桥阶段的任一边跨主缆吊索上吊点索力,目标关系表达式以及成桥阶段的任一边跨主缆两端高差,建立非线性方程,其中,所述非线性方程为:
其中,d表示成桥阶段的任一边跨主缆的分段数;FT0x1表示成桥阶段的任一边跨主缆第1索段左端水平索端力;FT0z1表示成桥阶段的任一边跨主缆第1索段左端竖直索端力;CT表示成桥阶段的任一边跨主缆两端高差;cTi表示成桥阶段的任一边跨主缆第i索段两端高差;
以成桥阶段的中跨主缆第1索段左端水平索端力作为成桥阶段的任一边跨主缆第1索段左端水平索端力,对成桥阶段的任一边跨主缆第1索段左端竖直索端力赋初值,再通过非线性方程11,利用迭代算法求解任一边跨主缆第1索段左端竖直索端力,再根据目标关系表达式1,目标关系表达式7~8和目标关系表达式3~4,求解得到成桥阶段的任一边跨主缆各索段索端力和无应力长度;
根据成桥阶段的中跨主缆各索段索端力和无应力长度,以及成桥阶段的所有边跨主缆各索段索端力和无应力长度确定成桥阶段的各跨主缆索力和无应力长度。
5.如权利要求4所述的自锚式悬索桥施工监控方法,其特征在于,第一输入信息还包括各施工阶段的各跨主缆两端高差,所述根据成桥阶段的各跨主缆各索段无应力长度、第一输入信息、所述目标关系表达式和各施工阶段的各跨主缆吊索上吊点索力,确定各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量的步骤包括:
针对每一施工阶段,确定n+j+k+6个目标未知量,其中,n+j+k+6个目标未知量包括施工阶段的中跨主缆各索段两端水平间距,其数量为n个;施工阶段的左边跨主缆各索段两端水平间距,其数量为j个;施工阶段的右边跨主缆各索段两端水平间距,其数量为k个;施工阶段的中跨主缆第1索段左端水平索端力;施工阶段的中跨主缆第1索段左端竖直索端力;施工阶段的左边跨主缆第1索段左端竖直索端力;施工阶段的右边跨主缆第1索段左端竖直索端力;施工阶段的左右塔顶索鞍预偏量;
基于成桥阶段的各跨主缆各索段无应力长度与每一施工阶段的各跨主缆各索段无应力长度守恒的条件,根据各跨主缆弹性模量、主缆面积和主缆自重荷载集度,施工阶段的各跨主缆吊索上吊点索力以及目标关系表达式,成桥阶段的各跨主缆各索段无应力长度,建立n+j+k个非线性方程为:
其中,SMi、SLi和SRi分别表示成桥阶段的中跨、左边跨和右边跨主缆第i索段无应力长度; 和 分别表示施工阶段的中跨、左边跨和右边跨主缆第i索段无应力长度;
和 分别表示施工阶段的中跨、左边跨和右边跨主缆第i索段两端水平间距;
分别表示施工阶段的中跨主缆第1索段左端水平索端力和中跨主缆第1索段左端竖直索端力; 表示施工阶段的左边跨主缆第1索段左端竖直索端力; 表示施工阶段的右边跨主缆第1索段左端竖直索端力;
基于每一施工阶段的各跨主缆两端高差闭合及各跨跨度闭合的条件,根据各跨主缆弹性模量、主缆面积和主缆自重荷载集度,施工阶段的各跨主缆吊索上吊点索力,目标关系表达式,成桥阶段的各跨主缆各索段两端水平间距以及施工阶段的各跨主缆两端高差,建立6个非线性方程为:
其中, 和 分别表示施工阶段的中跨、左边跨及右边跨主缆第i索段两端高差; 分别表示施工阶段的中跨、左边跨及右边跨主缆两端高差;δL和δR分别表示施工阶段的左塔顶索鞍预偏量和右塔顶索鞍预偏量;lMi、lLi和lRi分别表示成桥阶段的中跨、左边跨和右边跨主缆第i索段两端水平间距;
分别对每一施工阶段的n+j+k+6个目标未知量赋初值,再通过非线性方程组12~20,利用迭代算法求解得到每一施工阶段的各跨主缆第1索段左端索端力、各索段两端水平间距和左右塔顶索鞍预偏量,再根据目标关系表达式1,目标关系表达式7~8和目标关系表达式
3~4,求解每一施工阶段的各跨主缆各索段索端力,并确定各施工阶段的主缆索力和左右塔顶索鞍预偏量;
以左边跨主缆和主梁锚固点为原点构建坐标系,根据各施工阶段的各跨主缆各索段两端高差和各索段两端水平间距,确定各施工阶段的各跨主缆各索段分段点的坐标;
根据各施工阶段的各跨主缆各索段分段点的坐标确定各施工阶段的主缆线形。
6.如权利要求5所述的自锚式悬索桥施工监控方法,其特征在于,第二输入信息为节点数据、单元数据、结构组数据、边界组数据、荷载组数据、材料数据、截面数据、弹性连接数据、刚性连接数据、约束数据、荷载数据、工况数据,所述根据所述第二输入信息、各施工阶段的各跨主缆吊索下吊点索力、各施工阶段的主缆索力和左右塔顶索鞍预偏量,通过有限元分析法计算得到各施工阶段的主塔、主梁的线形和应力的步骤包括:
基于节点数据、单元数据、结构组数据、边界组数据、荷载组数据、材料数据、截面数据、弹性连接数据、刚性连接数据、约束数据、荷载数据、工况数据,构建主塔及主梁有限元模型;
根据各施工阶段的主缆索端力和左右塔顶索鞍预偏量确定左右边跨主梁锚固点所受索端力、塔顶所受索端合力和左右塔顶所受力矩;
将各施工阶段的各跨主缆吊索下吊点索力、左右边跨主梁锚固点所受索端力、塔顶所受索端合力和左右塔顶所受力矩输入所述主塔及主梁有限元模型上,对主塔及主梁进行线性有限元分析,得到各施工阶段的主塔及主梁线形和应力。
7.一种自锚式悬索桥施工监控装置,其特征在于,所述自锚式悬索桥施工监控装置包括:
第一计算模,用于根据第一输入信息和各施工阶段的各跨主缆吊索上吊点索力,通过分段悬链线解析法计算得到各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量,其中,所述第一输入信息用于求解各施工阶段的主缆状态;
获取模块,用于获取第二输入信息和各施工阶段的各跨主缆吊索下吊点索力;
第二计算模块,用于根据所述第二输入信息、各施工阶段的各跨主缆吊索下吊点索力、各施工阶段的主缆索力和左右塔顶索鞍预偏量,通过有限元分析法计算得到各施工阶段的主塔、主梁的线形和应力,其中,所述第二输入信息用于求解各施工阶段的主塔、主梁状态;
制模块,用于根据各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量,各施工阶段的主塔、主梁的线形和应力进行施工监控。
8.如权利要求7所述的自锚式悬索桥施工监控装置,其特征在于,所述第一计算模块,具体用于:
建立目标关系表达式;
根据第一输入信息、所述目标关系表达式和成桥阶段的各跨主缆吊索上吊点索力确定成桥阶段的各跨主缆各索段索力和无应力长度,其中,所述第一输入信息用于求解各施工阶段的主缆状态,且各施工阶段包括成桥阶段;
根据成桥阶段的各跨主缆各索段无应力长度、第一输入信息、所述目标关系表达式和各施工阶段的各跨主缆吊索上吊点索力,确定各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量。
9.一种自锚式悬索桥施工监控设备,其特征在于,所述自锚式悬索桥施工监控设备包括处理器、存储器、以及存储在所述存储器上并可被所述处理器执行的自锚式悬索桥施工监控程序,其中所述自锚式悬索桥施工监控程序被所述处理器执行时,实现如权利要求1至
6中任一项所述的自锚式悬索桥施工监控方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质上存储有自锚式悬索桥施工监控程序,其中所述自锚式悬索桥施工监控程序被处理器执行时,实现如权利要求1至6中任一项所述的自锚式悬索桥施工监控方法的步骤。

说明书全文

自锚式悬索桥施工监控方法、装置及其相关设备

技术领域

[0001] 本申请涉及桥梁施工监控技术领域,具体涉及一种自锚式悬索桥施工监控方法、装置及其相关设备。

背景技术

[0002] 自锚式悬索桥施工监控的难点和要点主要在于控制主缆线形,而主缆线形的控制又分为成桥线形控制及施工阶段的线形控制。针对这两种情形,经过多年的发展主要有两种计算方法,一是基于悬索学的解析法,另一种是基于有限位移理论的有限元法。两种方法各有优劣,解析法力学概念清晰、计算精度高、计算速度快、收敛性好,一旦知道成桥吊索力和各施工阶段的吊索力能快速计算主缆各施工阶段的线形、索力及左右塔顶索鞍预偏量,能满足施工监控的实时性和收敛性要求,但只能针对主缆进行求解,不能同时计算较为复杂的主塔和主梁;然而主塔及主梁的线形和应力也是自锚式悬索桥施工监控时所要关注的,有限元法在索‑梁混合非线性分析方面有着独特优势,能将主缆、主塔及主梁同时进行求解,但非线性有限元法计算时间显著慢于解析法,且针对空间缆索进行求解时,计算容易不收敛,不满足施工监控的实时性和收敛性要求。
[0003] 因此,如何对主塔、主梁和主缆进行同步计算,并且保证计算的实时性和收敛性是有待解决的技术问题。发明内容
[0004] 本申请提供一种自锚式悬索桥施工监控方法、装置及其相关设备,可以解决现有技术中在对主塔、主梁和主缆进行同步计算时,无法保证计算的实时性和收敛性的技术问题。
[0005] 第一方面,本申请实施例提供一种自锚式悬索桥施工监控方法,所述自锚式悬索桥施工监控方法包括:
[0006] 根据第一输入信息和各施工阶段的各跨主缆吊索上吊点索力,通过分段悬链线解析法计算得到各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量,其中,所述第一输入信息用于求解各施工阶段的主缆状态;
[0007] 获取第二输入信息和各施工阶段的各跨主缆吊索下吊点索力;
[0008] 根据所述第二输入信息、各施工阶段的各跨主缆吊索下吊点索力、各施工阶段的主缆索力和左右塔顶索鞍预偏量,通过有限元分析法计算得到各施工阶段的主塔、主梁的线形和应力,其中,所述第二输入信息用于求解各施工阶段的主塔、主梁状态;
[0009] 根据各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量,各施工阶段的主塔、主梁的线形和应力进行施工监控。
[0010] 第二方面,本申请实施例提供了一种自锚式悬索桥施工监控装置,所述自锚式悬索桥施工监控装置包括:
[0011] 第一计算模,用于根据第一输入信息和各施工阶段的各跨主缆吊索上吊点索力,通过分段悬链线解析法计算得到各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量,其中,所述第一输入信息用于求解各施工阶段的主缆状态;
[0012] 获取模块,用于获取第二输入信息和各施工阶段的各跨主缆吊索下吊点索力;
[0013] 第二计算模块,用于根据所述第二输入信息、各施工阶段的各跨主缆吊索下吊点索力、各施工阶段的主缆索力和左右塔顶索鞍预偏量,通过有限元分析法计算得到各施工阶段的主塔、主梁的线形和应力,其中,所述第二输入信息用于求解各施工阶段的主塔、主梁状态;
[0014] 控制模块,用于根据各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量,各施工阶段的主塔、主梁的线形和应力进行施工监控。
[0015] 第三方面,本申请实施例提供了一种自锚式悬索桥施工监控设备,所述自锚式悬索桥施工监控设备包括处理器、存储器、以及存储在所述存储器上并可被所述处理器执行的自锚式悬索桥施工监控程序,其中所述自锚式悬索桥施工监控程序被所述处理器执行时,实现如上所述的自锚式悬索桥施工监控方法的步骤。
[0016] 第四方面,本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质上存储有自锚式悬索桥施工监控程序,其中所述自锚式悬索桥施工监控程序被处理器执行时,实现如上所述的自锚式悬索桥施工监控方法的步骤。
[0017] 本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果包括:
[0018] 通过悬链线解析法求解各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量,再通过有限元分析法求解得到各施工阶段的主塔、主梁的线形和应力,将两者求解结果输入数据库来进行施工监控,能够保证计算的实时性和收敛性,又能同时将主缆、主塔及主梁进行同步计算。附图说明
[0019] 图1为本申请自锚式悬索桥施工监控方法的流程示意图;
[0020] 图2为本申请自锚式悬索桥施工监控方法主缆第i索段平衡状态的示意图;
[0021] 图3为本申请自锚式悬索桥施工监控方法确定施工阶段的主缆线形的示意图;
[0022] 图4为本申请自锚式悬索桥施工监控方法主缆、吊索、与主塔、主梁之间的相互作用的示意图(某一施工阶段);
[0023] 图5为本申请自锚式悬索桥施工监控装置的功能模块示意图;
[0024] 图6为本申请实施例方案中涉及的自锚式悬索桥施工监控设备的硬件结构示意图。

具体实施方式

[0025] 为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
[0026] 首先,对本申请中的部分技术术语进行解释说明,以便于本领域技术人员理解本申请。
[0027] 为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
[0028] 第一方面,本申请实施例提供一种自锚式悬索桥施工监控方法。
[0029] 一实施例中,参照图1,图1为本申请自锚式悬索桥施工监控方法的流程示意图。如图1所示,自锚式悬索桥施工监控方法包括:
[0030] 步骤S10,根据第一输入信息和各施工阶段的各跨主缆吊索上吊点索力,通过分段悬链线解析法计算得到各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量,其中,所述第一输入信息用于求解各施工阶段的主缆状态;
[0031] 本实施例中,提前规划并输入利用分段悬链线解析法求解各施工阶段的主缆状态的需求信息,得到第一输入信息,例如:第一输入信息包括各跨主缆弹性模量、主缆面积和主缆自重荷载集度,成桥阶段的各跨主缆各索段两端平间距,成桥阶段的各跨主缆两端高差,成桥阶段的中跨主缆跨中垂度以及各施工阶段的各跨主缆两端高差;根据第一输入信息和各施工阶段的各跨主缆吊索上吊点索力,通过分段悬链线解析法计算得到各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量,这样得到的计算结果计算精度高、计算速度快、收敛性好。需补充说明的是,悬索桥的各施工阶段包括成桥阶段,且成桥阶段为最后一个施工阶段,左右塔顶索鞍预偏量亦为中跨主缆左右两端点的预偏量,属于主缆线形的一部分。
[0032] 进一步地,一实施例中,根据第一输入信息和各施工阶段的各跨主缆吊索上吊点索力,通过分段悬链线解析法计算得到各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量的步骤包括:
[0033] 建立目标关系表达式;
[0034] 本实施例中,为了快速计算得到各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量,需要建立目标关系表达式,例如:建立第i索段的几何变量与左端索端力之间的关系表达式、建立第i索段左端索端力与右端索端力之间的关系表达式、建立第i+1索段左端索端力与第i索段右端索端力之间的关系表达式以及第i索段左端索端力和第i+1索段左端索端力之间的关系表达式。
[0035] 根据第一输入信息、所述目标关系表达式和成桥阶段的各跨主缆吊索上吊点索力确定成桥阶段的各跨主缆各索段索力和无应力长度,其中,所述第一输入信息用于求解各施工阶段的主缆状态,且各施工阶段包括成桥阶段;
[0036] 本实施例中,第一输入信息用于求解成桥阶段的主缆状态,根据第一输入信息、目标关系表达式和成桥阶段的各跨主缆吊索上吊点索力,基于各跨主缆两端高差闭合及中跨主缆跨中垂度闭合的条件,构建非线性方程组,采用迭代等非线性方程组求解方法,确定成桥阶段的各跨主缆各索段索力和无应力长度。
[0037] 根据成桥阶段的各跨主缆各索段无应力长度、第一输入信息、所述目标关系表达式和各施工阶段的各跨主缆吊索上吊点索力,确定各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量。
[0038] 本实施例中,第一输入信息还用于求解各施工阶段的主缆状态,基于成桥阶段的各跨主缆各索段无应力长度与各施工阶段的各跨主缆各索段无应力长度守恒、各施工阶段的各跨主缆两端高差闭合及各跨主缆跨度闭合的条件,根据成桥阶段的各跨主缆各索段无应力长度、第一输入信息、目标关系表达式和各施工阶段的各跨主缆吊索上吊点索力,构建非线性方程组,同样采用牛顿迭代等非线性方程组求解方法,进一步确定各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量。
[0039] 进一步地,一实施例中,所述建立目标关系表达式的步骤包括:
[0040] 请参照图2,图2为本申请自锚式悬索桥施工监控方法主缆第i索段平衡状态的示意图。如图2所示,基于悬链线理论,建立第i索段的几何变量与左端索端力之间的第1组关系表达式,所述第1组关系表达式为:
[0041]
[0042]
[0043] 其中,li表示第i索段两端水平间距,各跨主缆第i索段的索段编号均从左往右依次编号;ci表示第i索段两端高差,所述高差为右端点高程减去左端点高程的差值;F0xi表示第i索段左端水平索端力;F0zi表示第i索段左端竖直索端力,索端力包括水平索端力和竖直索端力;Si表示第i索段无应力长度;E表示主缆弹性模量;A表示主缆面积;q表示主缆自重荷载集度;
[0044] 建立第i索段左端索端力与右端索端力之间的第2组关系表达式,所述第2组关系表达式为:
[0045] F1xi=‑F0xi (3)
[0046] F1zi=‑F0zi+qSi (4)
[0047] 其中,F1xi表示第i索段右端水平索端力;F1zi表示第i索段右端竖直索端力;
[0048] 建立第i+1索段左端索端力与第i索段右端索端力之间的第3组关系表达式,所述第3组关系表达式为:
[0049] F0xi+1=‑F1xi (5)
[0050] F0zi+1=‑F1zi‑Pi (6)
[0051] 其中,F0xi+1表示第i+1索段左端水平索端力;F0zi+1表示第i+1索段左端竖直索端力;Pi表示第i索段和第i+1索段之间的吊索上吊点索力;
[0052] 根据所述第2组关系表达式和所述第3组关系表达式,递推得到第i索段左端索端力和第i+1索段左端索端力之间的第4组关系表达式,所述第4组关系表达式为:
[0053] F0xi+1=F0xi (7)
[0054] F0zi+1=F0zi‑qSi‑Pi (8)
[0055] 将第1~4组关系表达式确定为目标关系表达式。
[0056] 进一步地,一实施例中,第一输入信息包括各跨主缆弹性模量、主缆面积和主缆自重荷载集度,成桥阶段的各跨主缆各索段两端水平间距,成桥阶段的各跨主缆两端高差以及成桥阶段的中跨主缆跨中垂度,所述根据第一输入信息、所述目标关系表达式和成桥阶段的各跨主缆吊索上吊点索力确定成桥阶段的各跨主缆各索段索力和无应力长度的步骤包括:
[0057] 针对成桥阶段的中跨主缆,基于中跨主缆两端高差闭合及跨中垂度闭合的条件,根据中跨主缆弹性模量、主缆面积和主缆自重荷载集度,成桥阶段的中跨主缆各索段两端水平间距,成桥阶段的中跨主缆吊索上吊点索力,目标关系表达式,成桥阶段的中跨主缆两端高差以及成桥阶段的中跨主缆跨中垂度,建立非线性方程组,其中,所述非线性方程组为:
[0058]
[0059]
[0060] 其中,n表示中跨主缆的分段数;m表示中跨主缆从左塔到跨中的分段数;FM0x1表示成桥阶段的中跨主缆第1索段左端水平索端力;FM0z1表示成桥阶段的中跨主缆第1索段左端竖直索端力;CM表示成桥阶段的中跨主缆两端高差;f表示成桥阶段的中跨主缆跨中垂度;cMi表示成桥阶段的中跨主缆第i索段两端高差;
[0061] 本实施例中,第一输入信息包括各跨主缆弹性模量、主缆面积和主缆自重荷载集度,成桥阶段的各跨主缆各索段两端水平间距,成桥阶段的各跨主缆两端高差以及成桥阶段的中跨主缆跨中垂度。针对成桥阶段的中跨主缆,将中跨主缆弹性模量EM、主缆面积AM和主缆自重荷载集度qM,以及中跨主缆第i索段两端水平间距lMi代入关系表达式1,此时当给定中跨主缆第i索段左端水平索端力FM0xi和中跨主缆第i索段左端竖直索端力FM0zi,则可通过表达式1求解SMi;将中跨主缆弹性模量EM、主缆面积AM和主缆自重荷载集度qM代入关系表达式2,则可以发现中跨主缆第i索段两端高差cMi是关于中跨主缆第i索段无应力长度SMi、中跨主缆第i索段左端水平索端力FM0xi和中跨主缆第i索段左端竖直索端力FM0zi的函数。
[0062] 综上所述,可以发现中跨主缆第i索段两端高差cMi是关于中跨主缆第i索段左端水平索端力FM0xi和中跨主缆第i索段左端竖直索端力FM0zi的函数;再结合目标关系表达式7~8和成桥阶段的中跨主缆吊索上吊点索力,可以进一步发现成桥阶段的中跨主缆第i索段两端高差cMi是关于中跨主缆第1索段左端水平索端力FM0x1和中跨主缆第1索段左端竖直索端力FM0z1的函数。因此,基于中跨主缆两端高差闭合及跨中垂度闭合的条件,根据中跨主缆弹性模量、主缆面积和主缆自重荷载集度,成桥阶段的中跨主缆各索段两端水平间距,成桥阶段的中跨主缆两端高差,成桥阶段的中跨主缆跨中垂度,目标关系表达式以及成桥阶段的中跨主缆吊索上吊点索力,建立非线性方程组,其中,所述非线性方程组为:
[0063]
[0064]
[0065] 其中,n表示中跨主缆的分段数;m表示中跨主缆从左塔到跨中的分段数;CM表示成桥阶段的中跨主缆两端高差;
[0066] 对中跨主缆第1索段左端水平索端力和中跨主缆第1索段左端竖直索端力赋初值,再通过非线性方程组9~10,利用迭代算法求解中跨主缆第1索段左端索端力,再根据目标关系表达式1,目标关系表达式7~8和目标关系表达式3~4,求解得到成桥阶段的中跨主缆各索段索端力和无应力长度;
[0067] 本实施例中,求解得到成桥阶段的中跨主缆各索段索端力和无应力长度的方法分为以下几个步骤:
[0068] 首先,对中跨主缆第1索段左端水平索端力FM0x1和中跨主缆第1索段左端竖直索端力FM0z1赋初值(注:依据实际经验,提前设置初值,且初值为接近实际值的值,这样的好处在于,初值越接近实际值,迭代求解次数越少,效果就越好,利于节省计算时间),利用迭代算法求解非线性方程组9~10,计算得到中跨主缆第1索段左端索端力(中跨主缆第1索段左端索端力包括中跨主缆第1索段左端水平索端力和中跨主缆第1索段左端竖直索端力);
[0069] 然后,将中跨主缆第1索段左端索端力、第1索段两端水平间距、主缆弹性模量、主缆面积和主缆自重荷载集度代入关系表达式1,对中跨主缆第1索段无应力长度赋初值,通过迭代算法可求得中跨主缆第1索段无应力长度;
[0070] 再然后,根据递推关系表达式7~8、成桥阶段的中跨主缆第1索段左端索端力、自重荷载集度、第1索段和第2索段之间的吊索上吊点索力和第1索段无应力长度,可以计算得到中跨主缆第2索段左端索端力;
[0071] 紧接着,将中跨主缆第2索段左端索端力和中跨主缆第2索段两端水平间距代入表达式1再进行步骤2和步骤3的操作,类似可得到中跨主缆第2索段无应力长度,中跨主缆第3索段左端索端力,继续进行步骤2和步骤3操作,直到求得中跨主缆各索段左索端力和无应力长度为止。
[0072] 最后,根据推关系表达式3~4、中跨主缆自重荷载集度以及各索段无应力长度,可以计算得到中跨主缆各索段右端索端力,至此求解得到成桥阶段的中跨主缆各索段索端力。
[0073] 需注意的是,步骤1和步骤2中的迭代算法包括但不限于牛顿迭代法等。
[0074] 针对成桥阶段的任一边跨主缆,基于任一边跨主缆两端高差闭合的条件,根据任一边跨主缆弹性模量、主缆面积和主缆自重荷载集度,成桥阶段的任一边跨主缆各索段两端水平间距,成桥阶段的任一边跨主缆吊索上吊点索力,目标关系表达式以及成桥阶段的任一边跨主缆两端高差,建立非线性方程,其中,所述非线性方程为:
[0075]
[0076] 其中,d表示成桥阶段的任一边跨主缆的分段数;FT0x1表示成桥阶段的任一边跨主缆第1索段左端水平索端力;FT0z1表示成桥阶段的任一边跨主缆第1索段左端竖直索端力;CT表示成桥阶段的任一边跨主缆两端高差;cTi表示成桥阶段的任一边跨主缆第i索段两端高差;
[0077] 本实施例中,针对成桥阶段的任一边跨主缆(注:任一边跨主缆为左边跨主缆或右边跨主缆),与成桥阶段的中跨主缆同理,可以发现成桥阶段的任一边跨主缆第i索段两端高差cTi是关于任一边跨主缆第1索段左端水平索端力FT0x1和任一边跨主缆第1索段左端竖直索端力FT0z1的函数,此处不再赘述。因此,基于成桥阶段的任一边跨主缆两端高差闭合的条件,根据任一边跨主缆弹性模量、主缆面积和主缆自重荷载集度,成桥阶段的任一边跨主缆各索段两端水平间距,成桥阶段的任一边跨主缆两端高差,目标关系表达式以及成桥阶段的任一边跨主缆吊索上吊点索力,建立非线性方程,其中,所述非线性方程为:
[0078]
[0079] 其中,d表示成桥阶段的任一边跨主缆的分段数;CT表示成桥阶段的任一边跨主缆两端高差。
[0080] 以成桥阶段的中跨主缆第1索段左端水平索端力作为成桥阶段的任一边跨主缆第1索段左端水平索端力,对成桥阶段的任一边跨主缆第1索段左端竖直索端力赋初值,再通过非线性方程11,利用迭代算法求解任一边跨主缆第1索段左端竖直索端力,再根据目标关系表达式1,目标关系表达式7~8和目标关系表达式3~4,求解得到成桥阶段的任一边跨主缆各索段索端力和无应力长度;
[0081] 本实施例中,为了保证左右塔顶两端主缆水平力相等,以成桥阶段的中跨主缆第1索段左端水平索端力FM0x1作为成桥阶段的任一边跨主缆第1索段左端水平索端力FT0x1,故此,将成桥阶段的任一边跨主缆第1索段左端水平索端力FT0x1作为已知量代入非线性方程11,则可以看出非线性方程11仅含一个未知量为成桥阶段的任一边跨主缆第1索段左端竖直索端力FT0z1,通过对成桥阶段的任一边跨主缆第1索段左端竖直索端力FT0z1赋初值,再通过非线性方程11,利用迭代算法求解任一边跨主缆第1索段左端竖直索端力,即确定成桥阶段任一边跨主缆第1索段左端索端力,再根据目标关系表达式1,目标关系表达式7~8和目标关系表达式3~4,采取与成桥阶段的中跨主缆相同的计算方法(此处计算过程相似,不再赘述),进而求解得到成桥阶段的任一边跨主缆各索段索端力和无应力长度(即得到成桥阶段的左边跨主缆各索段索端力和无应力长度,或者成桥阶段的右边跨主缆各索段索端力和无应力长度)。
[0082] 根据成桥阶段的中跨主缆各索段索端力和无应力长度,以及成桥阶段的所有边跨主缆各索段索端力和无应力长度确定成桥阶段的各跨主缆索力和无应力长度。
[0083] 本实施例中,由于索端力包括水平索端力和竖直索端力,索力为索端力合力,即水平索端力和竖直索端力的合力。因此,根据成桥阶段的中跨主缆各索段索端力和无应力长度,以及成桥阶段的所有边跨主缆各索段索端力和无应力长度,进一步确定成桥阶段的各跨主缆索力和无应力长度。
[0084] 进一步地,一实施例中,第一输入信息还包括各施工阶段的各跨主缆两端高差,所述根据成桥阶段的各跨主缆各索段无应力长度、第一输入信息、所述目标关系表达式和各施工阶段的各跨主缆吊索上吊点索力,确定各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量的步骤包括:
[0085] 针对每一施工阶段,确定n+j+k+6个目标未知量,其中,n+j+k+6个目标未知量包括施工阶段的中跨主缆各索段两端水平间距,其数量为n个;施工阶段的左边跨主缆各索段两端水平间距,其数量为j个;施工阶段的右边跨主缆各索段两端水平间距,其数量为k个;施工阶段的中跨主缆第1索段左端水平索端力;施工阶段的中跨主缆第1索段左端竖直索端力;施工阶段的左边跨主缆第1索段左端竖直索端力;施工阶段的右边跨主缆第1索段左端竖直索端力;施工阶段的左右塔顶索鞍预偏量;
[0086] 本实施例中,针对每一施工阶段,由于施工阶段的主缆受力与成桥阶段的不同,各分段点在主缆上的位置不再确定,且与成桥阶段相比,未知量增加索鞍预偏量,因此,存在n+j+k+6个目标未知量,包括施工阶段的中跨主缆各索段两端水平间距,其数量为n个;施工阶段的左边跨主缆各索段两端水平间距,其数量为j个;施工阶段的右边跨主缆各索段两端水平间距,其数量为k个;施工阶段的中跨主缆第1索段左端水平索端力;施工阶段的中跨主缆第1索段左端竖直索端力;施工阶段的左边跨主缆第1索段左端竖直索端力;施工阶段的右边跨主缆第1索段左端竖直索端力(需注意的是,施工阶段的各跨主缆与成桥阶段的各跨主缆采用同样的做法,为了保证左右塔顶两端主缆水平力相等,将施工阶段的中跨主缆第1索段左端水平索端力作为施工阶段的任一边跨主缆第1索段左端水平索端力,因此,仅仅只存在施工阶段的任一边跨主缆第1索段左端竖直索端力为未知量)及施工阶段的左右塔顶索鞍预偏量(规定两塔顶索鞍向边跨侧预偏为正)。
[0087] 基于成桥阶段的各跨主缆各索段无应力长度与每一施工阶段的各跨主缆各索段无应力长度守恒的条件,根据各跨主缆弹性模量、主缆面积和主缆自重荷载集度,施工阶段的各跨主缆吊索上吊点索力以及目标关系表达式,成桥阶段的各跨主缆各索段无应力长度,建立n+j+k个非线性方程为:
[0088]
[0089]
[0090]
[0091] 其中,SMi、SLi和SRi分别表示成桥阶段的中跨、左边跨和右边跨主缆第i索段无应力长度; 和 分别表示施工阶段的中跨、左边跨和右边跨主缆第i索段无应力长度;和 分别表示施工阶段的中跨、左边跨和右边跨主缆第i索段两端水平间距;
分别表示施工阶段的中跨主缆第1索段左端水平索端力和中跨主缆第1索段左
端竖直索端力; 表示施工阶段的左边跨主缆第1索段左端竖直索端力; 表示施工阶段的右边跨主缆第1索段左端竖直索端力;
[0092] 本实施例中,针对每一施工阶段,将任一跨主缆弹性模量、主缆面积和主缆自重荷载集度代入关系表达式1,再结合关系表达式7~8和该跨主缆吊索上吊点索力,此时当给定该跨主缆第1索段左端水平索端力和竖直索端力以及该跨主缆各索段两端水平间距,则可通过表达式1求解该跨主缆各索段无应力长度,又由于任一边跨主缆第1索段左端水平索端力与中跨主缆第1索段左端水平索端力相等为已知量,因此求解任一边跨各索段无应力长度时,可以不用给定任一边跨主缆第1索段左端水平索端力。因此,基于成桥阶段的各跨主缆各索段无应力长度与每一施工阶段的各跨主缆各索段无应力长度守恒的条件,根据各跨主缆弹性模量、主缆面积和主缆自重荷载集度,施工阶段的各跨主缆吊索上吊点索力以及目标关系表达式,成桥阶段的各跨主缆各索段无应力长度,建立n+j+k个非线性方程为:
[0093]
[0094]
[0095]
[0096] 其中,SMi、SLi和SRi分别表示成桥阶段的中跨、左边跨和右边跨主缆第i索段无应力长度; 和 分别表示施工阶段的中跨、左边跨和右边跨主缆第i索段无应力长度;和 分别表示施工阶段的中跨、左边跨和右边跨主缆第i索段两端水平间距;
分别表示施工阶段的中跨主缆第1索段左端水平索端力和中跨主缆第1索段左
端竖直索端力; 表示施工阶段的左边跨主缆第1索段左端竖直索端力; 表示施工阶段的右边跨主缆第1索段左端竖直索端力;
[0097] 基于每一施工阶段的各跨主缆两端高差闭合及各跨跨度闭合的条件,根据各跨主缆弹性模量、主缆面积和主缆自重荷载集度,施工阶段的各跨主缆吊索上吊点索力,目标关系表达式,成桥阶段的各跨主缆各索段两端水平间距以及施工阶段的各跨主缆两端高差,建立6个非线性方程为:
[0098]
[0099]
[0100]
[0101]
[0102]
[0103]
[0104] 其中, 和 分别表示施工阶段的中跨、左边跨及右边跨主缆第i索段两端高差; 分别表示施工阶段的中跨、左边跨及右边跨主缆两端高差;δL和δR分别表示施工阶段的左塔顶索鞍预偏量和右塔顶索鞍预偏量;lMi、lLi和lRi分别表示成桥阶段的中跨、左边跨和右边跨主缆第i索段两端水平间距;
[0105] 本实施例中,在前述实施例中,在成桥阶段有以下结论:中跨主缆第i索段两端高差cMi是关于中跨主缆第1索段左端水平索端力FM0x1和中跨主缆第1索段左端竖直索端力FM0z1的函数、任一边跨主缆第i索段两端高差cTi是关于该边跨主缆第1索段左端竖直索端力FT0z1的函数(成桥阶段的任一边跨主缆第1索段左端水平索端力FT0x1与成桥阶段的中跨主缆第1索段左端水平索端力FM0x1相等为已知量);而在施工阶段,通过观察表达式1~2,与成桥阶段相比仅增加各跨主缆各索段两端水平间距为未知量,因此可以发现施工阶段的中跨主缆第i索段两端高差 是关于中跨主缆第1索段左端水平索端力 中跨主缆第1索段左端竖直索端力 和施工阶段的中跨主缆第i索段两端水平间距 的函数,施工阶段的左边跨主缆第i索段两端高差 是关于左边跨主缆第1索段左端竖直索端力 和施工阶段的左边跨主缆第i索段两端水平间距 的函数,施工阶段的右边跨主缆第i索段两端高差是关于右边跨主缆第1索段左端竖直索端力 和施工阶段的右边跨主缆第i索段两端水平间距 的函数。因此,基于每一施工阶段的各跨主缆两端高差闭合及各跨跨度闭合的条件,根据各跨主缆弹性模量、主缆面积和主缆自重荷载集度,施工阶段的各跨主缆吊索上吊点索力,目标关系表达式,成桥阶段的各跨主缆各索段两端水平间距以及施工阶段的各跨主缆两端高差,建立6个非线性方程为:
[0106]
[0107]
[0108]
[0109]
[0110]
[0111]
[0112] 其中, 和 分别表示施工阶段的中跨、左边跨及右边跨主缆第i索段两端高差; 分别表示施工阶段的中跨、左边跨及右边跨主缆两端高差;δL和δR分别表示施工阶段的左塔顶索鞍预偏量和右塔顶索鞍预偏量;lMi、lLi和lRi分别表示成桥阶段的中跨、左边跨和右边跨主缆第i索段两端水平间距;
[0113] 本实施例中,分别对每一施工阶段的n+j+k+6个目标未知量赋初值,再通过非线性方程组12~20,利用迭代算法求解得到每一施工阶段的各跨主缆第1索段左端索端力、各索段两端水平间距和左右塔顶索鞍预偏量,然后根据目标关系表达式1,目标关系表达式7~8和目标关系表达式3~4求解每一施工阶段的各跨主缆各索段索端力(计算方法与前述施例中成桥阶段的各跨主缆各索段索端力求解过程一致,所以不再赘述)并确定各施工阶段的主缆索力和左右塔顶索鞍预偏量。
[0114] 以左边跨主缆和主梁锚固点为原点构建坐标系,根据各施工阶段的各跨主缆各索段两端高差和各索段两端水平间距,确定各施工阶段的各跨主缆各索段分段点的坐标;
[0115] 本实施例中,参照图3,图3为本申请自锚式悬索桥施工监控方法确定施工阶段的主缆线形的示意图。如图3所示,以左边跨主缆和主梁锚固点为原点构建坐标系,竖直向上为z轴正方向,顺桥向右为x轴正方向,通过各跨主缆上分段点的坐标,进而得到主缆线形,其中,坐标的计算方法为:
[0116]
[0117]
[0118]
[0119] 其中,OLi、OMi和ORi分别表示左边跨、中跨和右边跨主缆第i索段分段点的坐标;cLo、cMo和cRo分别表示左边跨、中跨和右边跨主缆索段高差;lLo、lMo和lRo分别表示左边跨、中跨和右边跨主缆索段两端水平间距;
[0120] 根据各施工阶段的各跨主缆各索段分段点的坐标确定各施工阶段的主缆线形。
[0121] 步骤S20,获取第二输入信息和各施工阶段的各跨主缆吊索下吊点索力;
[0122] 本实施例中,第二输入信息和各施工阶段的各跨主缆吊索下吊点索力均为已知量,可直接获取,用于求解各施工阶段的主塔、主梁状态,此处不再过多赘述。
[0123] 步骤S30,根据所述第二输入信息、各施工阶段的各跨主缆吊索下吊点索力、各施工阶段的主缆索力和左右塔顶索鞍预偏量,通过有限元分析法计算得到各施工阶段的主塔、主梁的线形和应力,其中,所述第二输入信息用于求解各施工阶段的主塔、主梁状态;
[0124] 本实施例中,为了对各施工阶段的主塔、主梁的线形和应力进行有限元法计算,需要规划主塔、主梁输入信息,即第二输入信息,例如:第二输入信息包括节点数据、单元数据、结构组数据、边界组数据、荷载组数据、材料数据、截面数据、弹性连接数据、刚性连接数据、约束数据、荷载数据和工况数据。根据第二输入信息,建立主塔及主梁有限元模型;基于悬索桥缆索与塔梁之间的相互作用关系,根据各施工阶段的各跨主缆吊索下吊点索力、各施工阶段的主缆索力和左右塔顶索鞍预偏量,通过有限元分析法计算得到各施工阶段的主塔、主梁的线形和应力。
[0125] 进一步地,一实施例中,第二输入信息为节点数据、单元数据、结构组数据、边界组数据、荷载组数据、材料数据、截面数据、弹性连接数据、刚性连接数据、约束数据、荷载数据、工况数据,所述根据所述第二输入信息、各施工阶段的各跨主缆吊索下吊点索力、各施工阶段的主缆索力和左右塔顶索鞍预偏量,通过有限元分析法计算得到各施工阶段的主塔、主梁的线形和应力的步骤包括:
[0126] 基于节点数据、单元数据、结构组数据、边界组数据、荷载组数据、材料数据、截面数据、弹性连接数据、刚性连接数据、约束数据、荷载数据、工况数据,构建主塔及主梁有限元模型;
[0127] 根据各施工阶段的主缆索端力和左右塔顶索鞍预偏量确定左右边跨主梁锚固点所受索端力、塔顶所受索端合力和左右塔顶所受力矩;
[0128] 本实施例中,从锚固点的度进行受力分析,基于锚固点主缆受力和锚固点主梁受力之间的对应关系,根据各施工阶段的左边跨、右边跨主缆索端力,计算得到各施工阶段的左边跨、右边跨主梁锚固点所受索端力:
[0129] FL’0z=‑FL0z (24)
[0130] FL’0x=‑FL0x (25)
[0131] FR’1z=‑FR1z (26)
[0132] FR’1x=FR1x (27)
[0133] 其中,FL0z表示左边跨主缆左端竖直索端力;FL0x表示左边跨主缆左端水平索端力;FR1z表示右边跨主缆右端竖直索端力;FR1x表示右边跨主缆右端水平索端力;FL’0z表示左边跨主梁锚固点所受竖直索端力;FL’0x表示左边跨主梁锚固点所受水平索端力;F’R1z表示右边跨主梁锚固点所受竖直索端力;F’R1x表示右边跨主梁锚固点所受水平索端力;
[0134] 基于塔顶主缆受力和主塔受力之间的对应关系,计算得到各施工阶段的塔顶所受索端合力,其中,塔顶主缆受力和主塔受力之间的对应关系为:
[0135] F’0z=FL1z+FM0z (28)
[0136] F’1z=FR0z+FM1z (29)
[0137] 其中,FM0z表示中跨主缆左端竖直索端力;FM1z表示中跨主缆右端竖直索端力;FL1z表示左边跨主缆右端竖直索端力;FR0z表示右边跨主缆左端竖直索端力;F’0z表示左塔顶所受索端合力;F’1z表示右塔顶所受索端合力;
[0138] 此外,由于施工阶段的左右塔顶索鞍存在预偏量,因此左右塔顶所受索端合力F’0z和F’1z会与左右桥塔中心线存在一个偏位,因此施工阶段的左、右塔顶分别多受一个力矩M’0y和M’1y,进而通过计算公式可以得到施工阶段的塔顶所受力矩,计算公式为:
[0139] M’0y=δL(FL1z+FM0z)=δLF’0z (30)
[0140] M’1y=δR(FR0z+FM1z)=δRF’1z (31)
[0141] 其中,δL和δR分别表示左塔索鞍预偏量和右塔索鞍预偏量;
[0142] 将各施工阶段的吊索下吊点索力、左右边跨主梁锚固点所受索端力、塔顶所受索端合力和左右塔顶所受力矩输入所述主塔及主梁有限元模型上,对主塔及主梁进行线性有限元分析,得到各施工阶段的主塔及主梁线形和应力。
[0143] 本实施例中,在塔‑梁有限元模型中,请参照图4,图4为本申请自锚式悬索桥施工监控方法主缆、吊索、与主塔、主梁之间的相互作用的示意图(某一施工阶段),如图4所示,每个力的箭头方向为力的正方向,某施工阶段的主缆及吊索对主塔及主梁产生的作用力为:施工阶段的吊索下吊点索力直接作用于主梁上,其中,P’L2~P’L3为左边跨塔‑梁有限元模型计算输入的施工阶段的吊索下吊点索力,P’M1、P’M2、P’M6、P’M7为中跨塔‑梁有限元模型计算输入的施工阶段的吊索下吊点索力,P’R1~P’R2为右边跨塔‑梁有限元模型计算输入的施工阶段的吊索下吊点索力;左边跨主梁锚固点所受索端力F’L0x、F’L0z作用在左边跨主梁上,右边跨主梁锚固点所受索端力F’R1x、F’R1z作用在右边跨主梁上;塔顶所受索端合力F’0z、F’1z分别作用在左塔顶和右塔顶上,在施工阶段,主缆塔顶所受索端合力还将分别在左、右塔顶各产生一个力矩M’0y和M’1y,利用线性梁单元对主塔及主梁有限元模型进行有限元分析,得到各施工阶段的主塔及主梁线形和应力。
[0144] 步骤S30,根据各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量,各施工阶段的主塔、主梁的线形和应力进行施工监控。
[0145] 本实施例中,将计算得到的各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量,各施工阶段的主塔、主梁的线形和应力按照与前端BIM模型编号相同的规律储存于数据库,用于施工监控计算结果的在线可视化及悬索桥受力超限部位预警。例如:构建一个悬索桥BIM模型,悬索桥BIM模型主缆分段方式同解析法主缆分段,悬索桥BIM模型主塔、主梁分段方式同主塔及主梁有限元模型,然后按照主缆、吊索、主塔及主梁的顺序对悬索桥BIM模型各段进行编号,最后将各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量,各施工阶段的主塔、主梁的线形和应力按照对应编号储存于数据库,用于前端可视化展示及受力超限部位预警,BIM模型作为前端的信息载体。
[0146] 第二方面,本申请实施例还提供一种自锚式悬索桥施工监控装置。
[0147] 一实施例中,参照图5,图5为本申请自锚式悬索桥施工监控装置的功能模块示意图。如图5所示,自锚式悬索桥施工监控装置包括:
[0148] 第一计算模块10,用于根据第一输入信息和各施工阶段的各跨主缆吊索上吊点索力,通过分段悬链线解析法计算得到各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量,其中,所述第一输入信息用于求解各施工阶段的主缆状态;
[0149] 获取模块20,用于获取第二输入信息和各施工阶段的各跨主缆吊索下吊点索力;
[0150] 第二计算模块30,用于根据所述第二输入信息、各施工阶段的各跨主缆吊索下吊点索力、各施工阶段的主缆索力和左右塔顶索鞍预偏量,通过有限元分析法计算得到各施工阶段的主塔、主梁的线形和应力,其中,所述第二输入信息用于求解各施工阶段的主塔、主梁状态;
[0151] 控制模块40,用于根据各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量,各施工阶段的主塔、主梁的线形和应力进行施工监控。
[0152] 进一步地,一实施例中,所述第一计算模块10,具体用于:
[0153] 建立目标关系表达式;
[0154] 根据第一输入信息、所述目标关系表达式和成桥阶段的各跨主缆吊索上吊点索力确定成桥阶段的各跨主缆各索段索力和无应力长度,其中,所述第一输入信息用于求解各施工阶段的主缆状态,且各施工阶段包括成桥阶段;
[0155] 根据成桥阶段的各跨主缆各索段无应力长度、第一输入信息、所述目标关系表达式和各施工阶段的各跨主缆吊索上吊点索力,确定各施工阶段的主缆线形、主缆索力及左右塔顶索鞍预偏量。
[0156] 进一步地,一实施例中,所述第一计算模块10,具体还用于:
[0157] 针对成桥阶段的中跨主缆,基于中跨主缆两端高差闭合及跨中垂度闭合的条件,根据中跨主缆弹性模量、主缆面积和主缆自重荷载集度,成桥阶段的中跨主缆各索段两端水平间距,成桥阶段的中跨主缆吊索上吊点索力,目标关系表达式,成桥阶段的中跨主缆两端高差以及成桥阶段的中跨主缆跨中垂度,建立非线性方程组,其中,所述非线性方程组为:
[0158]
[0159]
[0160] 其中,n表示中跨主缆的分段数;m表示中跨主缆从左塔到跨中的分段数;FM0x1表示成桥阶段的中跨主缆第1索段左端水平索端力;FM0z1表示成桥阶段的中跨主缆第1索段左端竖直索端力;CM表示成桥阶段的中跨主缆两端高差;f表示成桥阶段的中跨主缆跨中垂度;cMi表示成桥阶段的中跨主缆第i索段两端高差;
[0161] 对中跨主缆第1索段左端水平索端力和中跨主缆第1索段左端竖直索端力赋初值,再通过非线性方程组9~10,利用迭代算法求解中跨主缆第1索段左端索端力,再根据目标关系表达式1,目标关系表达式7~8和目标关系表达式3~4,求解得到成桥阶段的中跨主缆各索段索端力和无应力长度;
[0162] 针对成桥阶段的任一边跨主缆,基于任一边跨主缆两端高差闭合的条件,根据任一边跨主缆弹性模量、主缆面积和主缆自重荷载集度,成桥阶段的任一边跨主缆各索段两端水平间距,成桥阶段的任一边跨主缆吊索上吊点索力,目标关系表达式以及成桥阶段的任一边跨主缆两端高差,建立非线性方程,其中,所述非线性方程为:
[0163]
[0164] 其中,d表示成桥阶段的任一边跨主缆的分段数;FT0x1表示成桥阶段的任一边跨主缆第1索段左端水平索端力;FT0z1表示成桥阶段的任一边跨主缆第1索段左端竖直索端力;CT表示成桥阶段的任一边跨主缆两端高差;cTi表示成桥阶段的任一边跨主缆第i索段两端高差;
[0165] 以成桥阶段的中跨主缆第1索段左端水平索端力作为成桥阶段的任一边跨主缆第1索段左端水平索端力,对成桥阶段的任一边跨主缆第1索段左端竖直索端力赋初值,再通过非线性方程11,利用迭代算法求解任一边跨主缆第1索段左端竖直索端力,再根据目标关系表达式1,目标关系表达式7~8和目标关系表达式3~4,求解得到成桥阶段的任一边跨主缆各索段索端力和无应力长度;
[0166] 根据成桥阶段的中跨主缆各索段索端力和无应力长度,以及成桥阶段的所有边跨主缆各索段索端力和无应力长度确定成桥阶段的各跨主缆索力和无应力长度。
[0167] 其中,上述自锚式悬索桥施工监控装置中各个模块的功能实现与上述自锚式悬索桥施工监控方法实施例中各步骤相对应,其功能和实现过程在此处不再一一赘述。
[0168] 第三方面,本申请实施例提供一种自锚式悬索桥施工监控设备,自锚式悬索桥施工监控设备可以是个人计算机(personal computer,PC)、笔记本电脑服务器等具有数据处理功能的设备。
[0169] 参照图6,图6为本申请实施例方案中涉及的自锚式悬索桥施工监控设备的硬件结构示意图。本申请实施例中,自锚式悬索桥施工监控设备可以包括处理器、存储器、通信接口以及通信总线。
[0170] 其中,通信总线可以是任何类型的,用于实现处理器、存储器以及通信接口互连。
[0171] 通信接口包括输入/输出(input/output,I/O)接口、物理接口和逻辑接口等用于实现自锚式悬索桥施工监控设备内部的器件互连的接口,以及用于实现自锚式悬索桥施工监控设备与其他设备(例如其他计算设备或用户设备)互连的接口。物理接口可以是以太网接口、光纤接口、ATM接口等;用户设备可以是显示屏(Display)、键盘(Keyboard)等。
[0172] 存储器可以是各种类型的存储介质,例如随机存取存储器(randomaccess memory,RAM)、只读存储器(read‑only memory,ROM)、非易失性RAM(non‑volatileRAM,NVRAM)、闪存、光存储器、硬盘、可编程ROM(programmable ROM,PROM)、可擦除PROM(erasable PROM,EPROM)、电可擦除PROM(electrically erasable PROM,EEPROM)等。
[0173] 处理器可以是通用处理器,通用处理器可以调用存储器中存储的自锚式悬索桥施工监控程序,并执行本申请实施例提供的自锚式悬索桥施工监控方法。例如,通用处理器可以是中央处理器(central processing unit,CPU)。其中,自锚式悬索桥施工监控程序被调用时所执行的方法可参照本申请自锚式悬索桥施工监控方法的各个实施例,此处不再赘述。
[0174] 本领域技术人员可以理解,图6中示出的硬件结构并不构成对本申请的限定,可以包括比图示更多或更少的部件,或者组合某些部件,或者不同的部件布置。
[0175] 第四方面,本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质。
[0176] 本申请计算机可读存储介质上存储有自锚式悬索桥施工监控程序,其中所述自锚式悬索桥施工监控程序被处理器执行时,实现如上述的自锚式悬索桥施工监控方法的步骤。
[0177] 其中,自锚式悬索桥施工监控程序被执行时所实现的方法可参照本申请自锚式悬索桥施工监控方法的各个实施例,此处不再赘述。
[0178] 需要说明的是,上述本申请实施例序号仅仅为了描述,不代表实施例的优劣。
[0179] 本申请的说明书权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形,意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元,而是可选地还包括没有列出的步骤或单元,或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。术语“第一”、“第二”和“第三”等描述,是用于区分不同的对象等,其不代表先后顺序,也不限定“第一”、“第二”和“第三”是不同的类型。
[0180] 在本申请实施例的描述中,“示例性的”、“例如”或者“举例来说”等用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”、“例如”或者“举例来说”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言,使用“示例性的”、“例如”或者“举例来说”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
[0181] 在本申请实施例的描述中,除非另有说明,“/”表示或的意思,例如,A/B可以表示A或B;文本中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系,表示可以存在三种关系,例如,A和/或B,可以表示:单独存在A,同时存在A和B,单独存在B这三种情况,另外,在本申请实施例的描述中,“多个”是指两个或多于两个。
[0182] 在本申请实施例描述的一些流程中,包含了按照特定顺序出现的多个操作或步骤,但是应该理解,这些操作或步骤可以不按照其在本申请实施例中出现的顺序来执行或并行执行,操作的序号仅用于区分开各个不同的操作,序号本身不代表任何的执行顺序。另外,这些流程可以包括更多或更少的操作,并且这些操作或步骤可以按顺序执行或并行执行,并且这些操作或步骤可以进行组合。
[0183] 通过以上的实施方式的描述,本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现,当然也可以通过硬件,但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解,本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在如上所述的一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中,包括若干指令用以使得一台终端设备执行本申请各个实施例所述的方法。
[0184] 以上仅为本申请的优选实施例,并非因此限制本申请的专利范围,凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本申请的专利保护范围内。
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