一种铁路桥梁单箱单室截面有效宽度数字孪生计算方法与流程

1.本发明属于交通运输业桥梁工程技术领域，具体涉及一种铁路桥梁单箱单室截面有效宽度数字孪生计算方法。


背景技术：

2.在桥梁结构计算中，箱梁截面存在因腹板处剪力流向翼板传递的滞后而导致翼板位移、纵向应力沿横向呈现不均匀分布的现象，即剪力滞效应，各国规范普遍采用通过计算箱梁截面有效宽度的方式来考虑这种效应。
3.对于常用的铁路桥梁单箱单室截面，在截面有效宽度的计算中，由于截面的拐点数量及各部位尺寸相对大小组合数量众多，为减少组合数量，一般情况下会根据设计需要固定拐点数量，以及各部位尺寸相对大小关系，然后针对该种截面形式，编制程序计算截面的有效宽度。但是这种方式的缺点是显而易见的，即一旦出现截面拐点数量增加或各部位尺寸大小关系有变化的情况，就需要重新编制程序，导致程序的通用性较低。
4.针对铁路桥梁单箱单室截面有效宽度计算中存在的实际问题，亟需一种更具通用性的数字孪生计算方法，高效快捷地进行多拐点单箱单室截面有效宽度计算。


技术实现要素：

5.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单箱单室截面有效宽度数字孪生计算方法。
6.本发明的技术方案是：一种铁路桥梁单箱单室截面有效宽度数字孪生计算方法，包括以下步骤：a.将单箱单室箱梁截面划分为悬臂区域、顶板翼缘区域、底板翼缘区域、腹板区域；b.依据悬臂区域的拐点数量及尺寸大小关系，将截面悬臂数字孪生仿真为节线形式；c.依据顶板翼缘区域的拐点数量及尺寸大小关系，将顶板翼缘数字孪生仿真为节线形式；d.依据底板翼缘区域拐点数量及尺寸大小关系，将底板翼缘数字孪生仿真为节线形式；e.依据腹板区域拐点数量及尺寸大小关系，将腹板数字孪生仿真为节线形式；f.合并各区域的局部节线信息形成截面的全局节线数据；g.依次计算各条全局节线的有效宽度，形成截面的有效宽度数据；h.完成单箱单室截面有效宽度计算。
7.更进一步的，拐点的定义，具体如下：悬臂区域、顶板翼缘区域、底板翼缘区域、腹板区域中截面折线变化处衔接点为拐点。
8.更进一步的，节线的定义和判定，具体如下：首先，将一条位于某一高度位置的无限长水平线与区域相交得到的线段即为节线；然后，将上述节线作为该高度位置的节线，并假设其长度为l0，当水平线与区域不相交时l0=0；再后，将水平线向上移动一段的距离，其与截面悬臂区域相交得到的节线长度为l1；再后，将水平线向下移动一段的距离，其与截面悬臂区域相交得到的节线长度为l2；最后，将l1、l2分别与l0作差，若差值无限接近于0，则舍弃该节线，否则将其作为该高度位置的节线。
9.更进一步的，步骤a将单箱单室箱梁截面划分为悬臂区域、顶板翼缘区域、底板翼缘区域、腹板区域中，悬臂区域、顶板翼缘区域位于截面顶部，底板翼缘区域位于截面底部，腹板区域竖向贯穿截面；悬臂区域位于腹板区域左侧，顶板翼缘区域位于腹板区域右侧，悬臂区域、顶板翼缘区域的横向尺寸从截面顶部往下逐渐减小，底板翼缘位于腹板右侧，其横向尺寸从截面顶部往下逐渐增大。
10.更进一步的，步骤b中依据悬臂区域拐点数量及尺寸大小关系，将悬臂数字孪生仿真为节线形式，具体过程如下：a.根据节线位于哪两个拐点之间进行分类，得到若干个ⅰ号子分支；b.根据a中拐点是否均存在进行分类，进一步得到若干个ⅱ号子分支；c.对b得到的每个分支，根据各拐点竖向的高低位置进行分类，进一步得到若干个ⅲ号子分支；d.对c得到的每个子分支，根据节线位于哪两个拐点之间进行分类，进一步得到若干个ⅳ号子分支；e.对d得到的每个子分支，根据拐点之间的高差是否为极小值进行分类，进一步得到若干个
ⅴ
号子分支；f.根据e得到的每个子分支，得到悬臂区域任意高度位置的节线数据。
11.更进一步的，步骤e中依据腹板区域拐点数量及尺寸大小关系，将腹板数字孪生仿真为节线形式，具体过程如下；a.根据拐点是否均存在进行分类，得到若干个
ⅰ
号子分支；b.对a得到的每个分支，根据各拐点竖向的高低位置进行分类，进一步得到若干个
ⅱ
号子分支；c.对b得到的每个子分支，根据节线位于哪两个拐点之间进行分类，进一步得到若干个
ⅲ
号子分支；d.根据c得到的每个子分支，得到腹板区域任意高度位置的节线数据。
12.更进一步的，悬臂区域中某一高度位置处节线数量最少为1条，最多为2条，悬臂区域中当某一高度位置处存在两条节线时，按从截面顶部往下节线长度依次减小的原则对两条节线进行排列。
13.更进一步的，顶部翼缘区域与悬臂区域的拐点、节线划分排列方式相同；
底部翼缘区域与悬臂区域的拐点、节线划分方式相同，底部翼缘区域当某一高度位置处存在两条节线时，按从截面顶部往下节线长度依次增大的原则对两条节线进行排列。
14.更进一步的，步骤f合并各区域的局部节线信息形成截面的全局节线数据，具体过程如下：首先，从截面某个拐点处引一条无限长水平线，分别求得各区域的局部节线；然后，将各区域的局部节线进行扩展，求得各区域局部节线数量的最大值lnum，在依次扩展各区域的局部节线，当区域中局部节线数量小于lnum时，复制当前局部节线形成lnum条局部节线，否则不进行扩展。
15.再后，合并各区域的局部节线信息形成全局节线。
16.最后，依次对截面各个拐点执行以上步骤，形成截面的全局节线数据。
17.更进一步的，步骤g依次计算各条全局节线的有效宽度，形成截面的有效宽度数据，具体过程如下：全局节线包含了在悬臂、顶板翼缘、底板翼缘、腹板区域中的长度，以及该节线距截面顶部的距离等数据；使用上述数据即可计算得到该节线在各区域的有效宽度，从而进一步得到截面的有效宽度数据。
18.本发明的有益效果如下：本发明针对铁路桥梁单箱单室截面的有效宽度计算，先将截面分为悬臂、顶板翼缘、底板翼缘、腹板等四个区域分别形成局部节线数据，将拐点数量及尺寸大小关系的组合限制在某一区域内，极大减少了组合数量，解决了全局节线跨越多个区域时的组合爆炸问题，然后再合并各区域的局部节线信息形成截面的全局节线数据，极大方便了多拐点单箱单室截面有效宽度的计算。
19.本发明能够针对铁路桥梁单箱单室截面，高效快捷地进行多拐点单箱单室截面有效宽度计算，适用范围广，通用性强。
附图说明
20.图1 为本发明的方法流图；图2 为本发明具体实施方式中的截面示意图；图3为本发明具体实施方式中步骤b的分支示意图；图4为本发明具体实施方式中步骤d的分支示意图；图5为本发明实施例一的截面尺寸图；图6为本发明实施例一计算得到的截面全局节线数据；图7为本发明实施例一计算得到的截面有效宽度数据；图8为本发明实施例二的截面尺寸图；图9为本发明实施例二计算得到的截面全局节线数据；图10为本发明实施例二计算得到的截面有效宽度数据。
具体实施方式
21.以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：如图1至图10所示，一种铁路桥梁单箱单室截面有效宽度数字孪生计算方法，包括以下步骤：a.将单箱单室箱梁截面划分为悬臂区域、顶板翼缘区域、底板翼缘区域、腹板区域；b.依据悬臂区域的拐点数量及尺寸大小关系，将截面悬臂数字孪生仿真为节线形式；c.依据顶板翼缘区域的拐点数量及尺寸大小关系，将顶板翼缘数字孪生仿真为节线形式；d.依据底板翼缘区域拐点数量及尺寸大小关系，将底板翼缘数字孪生仿真为节线形式；e.依据腹板区域拐点数量及尺寸大小关系，将腹板数字孪生仿真为节线形式；f.合并各区域的局部节线信息形成截面的全局节线数据；g.依次计算各条全局节线的有效宽度，形成截面的有效宽度数据；h.完成单箱单室截面有效宽度计算。
22.拐点的定义，具体如下：悬臂区域、顶板翼缘区域、底板翼缘区域、腹板区域中截面折线变化处衔接点为拐点；节线的定义和判定，具体如下：首先，将一条位于某一高度位置的无限长水平线与区域相交得到的线段即为节线；然后，将上述节线作为该高度位置的节线，并假设其长度为l0，当水平线与区域不相交时l0=0；再后，将水平线向上移动一段微小的距离，其与截面悬臂区域相交得到的节线长度为l1；再后，将水平线向下移动一段微小的距离，其与截面悬臂区域相交得到的节线长度为l2；最后，将l1、l2分别与l0作差，若差值无限接近于0，则舍弃该节线，否则将其作为该高度位置的节线。
23.步骤a将单箱单室箱梁截面划分为悬臂区域、顶板翼缘区域、底板翼缘区域、腹板区域中，悬臂、顶板翼缘位于截面顶部，底板翼缘位于截面底部，腹板竖向贯穿截面；悬臂位于腹板左侧，顶板翼缘位于腹板右侧，悬臂、顶板翼缘的横向尺寸从截面顶部往下逐渐减小，底板翼缘位于腹板右侧，其横向尺寸从截面顶部往下逐渐增大。
24.步骤b中依据悬臂区域拐点数量及尺寸大小关系，将悬臂数字孪生仿真为节线形式，具体过程如下：a.根据节线位于哪两个拐点之间进行分类，得到若干个ⅰ号子分支；b.根据a中拐点是否均存在进行分类，进一步得到若干个ⅱ号子分支；c.对b得到的每个分支，根据各拐点竖向的高低位置进行分类，进一步得到若干个
ⅲ
号子分支；d.对c得到的每个子分支，根据节线位于哪两个拐点之间进行分类，进一步得到若干个ⅳ号子分支；e.对d得到的每个子分支，根据拐点之间的高差是否为极小值进行分类，进一步得到若干个
ⅴ
号子分支；f.根据e得到的每个子分支，得到悬臂区域任意高度位置的节线数据。
25.步骤e中依据腹板区域拐点数量及尺寸大小关系，将腹板数字孪生仿真为节线形式，具体过程如下；a.根据拐点是否均存在进行分类，得到若干个
ⅰ
号子分支；b.对a得到的每个分支，根据各拐点竖向的高低位置进行分类，进一步得到若干个
ⅱ
号子分支；c.对b得到的每个子分支，根据节线位于哪两个拐点之间进行分类，进一步得到若干个
ⅲ
号子分支；d.根据c得到的每个子分支，得到腹板区域任意高度位置的节线数据。
26.悬臂区域中某一高度位置处节线数量最少为1条，最多为2条，悬臂区域中当某一高度位置处存在两条节线时，按从截面顶部往下节线长度依次减小的原则对两条节线进行排列。
27.顶部翼缘区域与悬臂区域的拐点、节线划分排列方式相同；底部翼缘区域与悬臂区域的拐点、节线划分方式相同，底部翼缘区域当某一高度位置处存在两条节线时，按从截面顶部往下节线长度依次增大的原则对两条节线进行排列。
28.步骤f合并各区域的局部节线信息形成截面的全局节线数据，具体过程如下：首先，从截面某个拐点处引一条无限长水平线，分别求得各区域的局部节线；然后，将各区域的局部节线进行扩展，求得各区域局部节线数量的最大值lnum，在依次扩展各区域的局部节线，当区域中局部节线数量小于lnum时，复制当前局部节线形成lnum条局部节线，否则不进行扩展。
29.再后，合并各区域的局部节线信息形成全局节线。
30.最后，依次对截面各个拐点执行以上步骤，形成截面的全局节线数据。
31.步骤g依次计算各条全局节线的有效宽度，形成截面的有效宽度数据，具体过程如下：全局节线包含了在悬臂、顶板翼缘、底板翼缘、腹板区域中的长度，以及该节线距截面顶部的距离等数据；使用上述数据即可计算得到该节线在各区域的有效宽度，从而进一步得到截面的有效宽度数据。
32.具体的，步骤b中悬臂区域某一高度位置处节线数量最少为1条，最多为2条。
33.具体的，步骤b中悬臂区域中当某一高度位置处存在两条节线时，按从截面顶部往下节线长度依次减小的原则对两条节线进行排列。
34.具体的，步骤b中悬臂区域中具体过程e中将根据计算精度可视为等于0的小值定义为极小值。
35.具体的，步骤c中依据顶板翼缘区域的拐点数量及尺寸大小关系将顶板翼缘数字孪生仿真为节线形式，具体过程参照悬臂区域。
36.顶板翼缘区域中拐点、节线的求值、节线数量、节线的排列与悬臂区域相同。
37.具体的，步骤d中依据底板翼缘区域拐点数量及尺寸大小关系将底板翼缘数字孪生仿真为节线形式，具体过程参照悬臂区域。
38.底板翼缘区域中拐点、节线的求值、节线数量与悬臂区域相同。
39.不同的是，底板翼缘区域中节线的排列，底板翼缘区域中当某一高度位置处存在两条节线时，按从截面顶部往下节线长度依次增大的原则对两条节线进行排列。
40.具体的，腹板区域中某一高度位置处节线数量有且仅有1条。
41.结合附图进行具体说明一种铁路桥梁单箱单室截面有效宽度数字孪生计算方法，包括以下步骤：a.将单箱单室箱梁截面划分为悬臂、顶板翼缘、底板翼缘、腹板等四个区域，如图2所示。图中，由于截面关于中心线对称，故仅示一半，点1~18为截面的拐点，除拐点3、4、8、9、11、13、14、17可能不存在以外，其余拐点均必存在。
42.其中，与悬臂区域相关的拐点为拐点1~5，与顶板翼缘相关的拐点为拐点6~10，与底板翼缘相关的拐点为拐点12~16，与腹板相关的拐点为拐点5、拐点10~12，拐点17~18。
43.b.依据悬臂区域的拐点数量及尺寸大小关系，将截面悬臂数字孪生仿真为节线形式，具体过程如下：a.根据节线位于哪两个拐点之间进行分类，得到若干个ⅰ号子分支；悬臂区域的3个分支分别是：节线位于点1以上；节线位于点1和点2之间；节线点2和点5之间。
44.b.根据a中拐点是否均存在进行分类，进一步得到若干个ⅱ号子分支以a中节线位于点2和点5之间的分支为例，根据拐点3和4是否存在进行分类，得到4个分支，分别是：拐点3存在、拐点4不存在；拐点3不存在，拐点4存在；拐点3和4均存在；拐点3和4均不存在。
45.c.对b得到的每个分支，根据各拐点竖向的高低位置进行分类，进一步得到若干个ⅲ号子分支为方便描述，将拐点3、4、5到拐点2的竖向距离分别用h1、h2、h3表示。以b中分支情况“拐点3和4均存在”为例，根据拐点3、4、5的高低位置进行分类，得到6个分支，分别是：h1《h2《h3；h1《h3《h2；h2《h1《h3；h2《h3《h1；h3《h1《h2；h3《h2《h1。
46.d.对c得到的每个子分支，根据节线位于哪两个拐点之间进行分类，进一步得到若
干个ⅳ号子分支以c中分支“h1《h2《h
3”为例，根据节线位置进行分类，得到3个分支，分别是：节线位于拐点2和拐点3之间；节线位于拐点3和拐点4之间；节线位于拐点4和拐点5之间；e.对d得到的每个子分支，根据拐点之间的高差是否为极小值进行分类，进一步得到若干个
ⅴ
号子分支为方便描述，将拐点3、4、5到拐点2的横向距离分别用b1、b2、b3表示，任意位置处节线的到拐点16的竖向距离用hy表示，拐点5到拐点16的竖向距离用h5表示。以d中分支“节线位于拐点2和拐点3之间”为例，得到的子分支见图3。
47.f.根据e得到的每个子分支，得到悬臂区域任意高度位置的节线数据。
48.c.依据顶板翼缘区域的拐点数量及尺寸大小关系将顶板翼缘数字孪生仿真为节线形式，具体过程如下：用拐点6~10分别代替步骤b中的拐点1~5，用顶板翼缘区域代替悬臂区域，并执行步骤b，可以得到顶板翼缘区域的局部节线数据。
49.d.依据底板翼缘区域拐点数量及尺寸大小关系将底板翼缘数字孪生仿真为节线形式，具体过程如下：a.根据节线位于哪两个拐点之间进行分类，得到若干个子分支；底板翼缘区域2个分支分别是：节线位于点12和点15之间；节线位于点15和点16之间；b.根据a中拐点是否均存在进行分类，进一步得到若干个分支；以a中节线位于点12和点15之间的分支为例，根据拐点13和14是否存在进行分类，得到4个分支，分别是：拐点13存在、拐点14不存在；拐点13不存在，拐点14存在；拐点13和14均存在；拐点13和14均不存在。
50.c.对b得到的每个分支，根据各拐点竖向的高低位置进行分类，进一步得到若干个子分支；为方便描述，将拐点14、13、12到拐点15的竖向距离分别用h1、h2、h3表示。以b中分支“拐点13和14均存在”为例，根据拐点12、13、14的高低位置进行分类，得到6个分支，分别是：h1《h2《h3；h1《h3《h2；h2《h1《h3；h2《h3《h1；h3《h1《h2；h3《h2《h1。
51.d.对c得到的每个子分支，根据节线位于哪两个拐点之间进行分类，进一步得到若干个子分支；以c中分支“h1《h3《h
2”为例，根据节线位置进行分类，得到3个分支，分别是：节线位于拐点13和拐点12之间；节线位于拐点12和拐点14之间；节线位于拐点14和拐点15之间；e.对d得到的每个子分支，根据拐点之间的高差是否为极小值进行分类，进一步得到若干个子分支；为方便描述，将拐点14、13、12到拐点15的横向距离分别用b1、b2、b3表示，任意位置处节线到拐点16的竖向距离用hy表示，拐点15到拐点16的竖向距离用h
15
表示。以d中分支“节线位于拐点12和拐点14之间”为例，得到的子分支见图4。
52.f.根据e得到的每个子分支，得到底板翼缘区域任意高度位置的节线数据。
53.e.依据腹板区域拐点数量及尺寸大小关系将腹板数字孪生仿真为节线形式，具体过程如下；a.根据拐点是否均存在进行分类，得到若干个分支；根据拐点11和17是否存在进行分类，得到4个分支，分别是：拐点11存在、拐点17不存在；拐点11不存在，拐点17存在；拐点11和17均存在；拐点11和17均不存在。
54.b.对a得到的每个分支，根据各拐点竖向的高低位置进行分类，进一步得到若干个子分支；为方便描述，拐点5、10、11、12、17到拐点16的竖向距离分别用h5、h
10
、h
11
、h
12
、h
17
表示。以a中分支“拐点11和17均存在”为例，根据拐点5、10、11、12、17的高低位置进行分类，由于拐点17始终位于拐点5和18之间，拐点11始终位于拐点10和12之间，共得到个6分支，分别是：h5≥h
10
且h
17
≥h
11
；h5≥h
10
且h
17
≥h
12
，h
17
《h
11
；h5≥h
10
且h
17《h12
；h5《h
10
且h
17
≥h
11
；h5《h
10
且h
17
≥h
12
，h
17
《h
11
；h5《h
10
且h
17
《h
12
。
55.c.对b得到的每个子分支，根据节线位于哪两个拐点之间进行分类，进一步得到若干个子分支；以b中分支“h5≥h
10
且h
17
≥h
11”为例，根据节线位置进行分类，得到6个分支，分别是：节线位于拐点5以上；节线位于拐点5和拐点10之间；节线位于拐点10和拐点17之间；
节线位于拐点17和拐点11之间；节线位于拐点11和拐点12之间；节线位于拐点12以下；d.根据c得到的每个子分支，得到腹板区域任意高度位置的节线数据；为方便描述，拐点10、11、17、18距箱梁中心线的横向距离分别用b
10
、b
11
、b
17
、b
18
表示，拐点10、11、17距拐点16的竖向距离分别用h
10
、h
11
、h
17
表示，任意位置处节线到拐点16的竖向距离用hy表示。以c中分支“节线位于拐点17和拐点11之间”为例，在该区间的节线长度为b
17-b
10
+(h
y-h
17
)/h
17
×
(b
17-b
18
)+(h
10-hy)/(h
10-h
11
)
×
(b
10-b
11
)。
56.f.合并各区域的局部节线信息形成截面的全局节线数据，具体过程如下：首先，从截面某个拐点处引一条无限长水平线，分别求得各区域的局部节线；然后，将各区域的局部节线进行扩展：首先求得各区域局部节线数量的最大值lnum，然后依次扩展各区域的局部节线。扩展方式如下：当区域中局部节线数量小于lnum时，复制当前局部节线形成lnum条局部节线，否则不进行扩展。
57.再后，合并各区域的局部节线信息形成全局节线。
58.最后，依次对截面各个拐点执行步骤(1)~(3)，形成截面的全局节线数据。
59.对于图2所示的单箱单室截面，依次对拐点1~拐点18执行上述步骤，剔除数据相同的节线，并按节线距截面顶部的距离进行升序排列，得到截面的全局节线数据。
60.g.依次计算各条全局节线的有效宽度形成截面的有效宽度数据；各条全局节线中包含了该节线在悬臂、顶板翼缘、底板翼缘、腹板等区域中的长度，以及该节线距截面顶部的距离等数据。使用这些数据结合规范条文即可计算得到该节线在各区域的有效宽度，从而进一步得到截面的有效宽度数据。
61.实施例一有一铁路桥梁单箱单室截面，直腹板，各部位尺寸如图5。
62.按照本发明的数字孪生计算方法进行有效宽度计算，步骤f得到的截面全局节线数据如图6，步骤g得到的各条全局节线的有效宽度如图7。
63.由于截面关于箱梁中心线对称，故图5仅示意截面左半部分尺寸，其中的拐点编号与图2一致，图6和图7的结果为截面左半部分的计算结果。
64.实施例二有一铁路桥梁单箱单室截面，斜腹板，各部位尺寸如图8。
65.按照本发明的数字孪生计算方法进行有效宽度计算，步骤f得到的截面全局节线数据如图9，步骤g得到的各条全局节线的有效宽度如图10。
66.由于截面关于箱梁中心线对称，故图8仅示意截面左半部分尺寸，其中的拐点编号与图2一致，图9和图10的结果为截面左半部分的计算结果。
67.本发明针对铁路桥梁单箱单室截面的有效宽度计算，先将截面分为悬臂、顶板翼缘、底板翼缘、腹板等四个区域分别形成局部节线数据，将拐点数量及尺寸大小关系的组合限制在某一区域内，极大减少了组合数量，解决了全局节线跨越多个区域时的组合爆炸问题，然后再合并各区域的局部节线信息形成截面的全局节线数据，极大方便了多拐点单箱单室截面有效宽度的计算。
68.本发明能够针对铁路桥梁单箱单室截面，高效快捷地进行多拐点单箱单室截面有
效宽度计算，适用范围广，通用性强。