一种用于获取悬索桥缆索系统线形的方法与流程

本发明涉及悬索桥缆索系统线形的计算，具体涉及一种用于获取悬索桥缆索系统线形的方法。

背景技术：

1、缆索是悬索桥的主要承重构件。空间缆索悬索桥是由主缆和吊杆形成的三维索系，其外形美观，受到了设计者的青睐。空间曲梁单边索悬索桥，因为结构新颖，也有较快发展。这些复杂缆索系统线形的准确性对成桥后的结构受力状态至关重要。

2、在悬索桥缆索系统中，主缆线形影响吊杆的线形，吊杆线形又反向影响主缆的线形。目前获取悬索桥缆索系统线形的方法主要是对主缆和吊杆相交节点，即吊杆上锚点(主缆索夹节点)，做多变量优化的节点力平衡计算。该方法通过固定吊杆上锚点的x坐标，调整吊杆上锚点的横向位置(y坐标)和高度(z坐标)，使各个吊杆上锚点在x方向、y方向、z方向均处于受力平衡，从而获得主缆的空间形状坐标。

3、然而，上述获取悬索桥缆索系统线形的方法只适用于吊杆上锚点和下锚点的x坐标一致的情况，存在以下缺点：

4、(1)需要求解复杂的多变量方程组问题，要求工程人员具备较高的数学知识水平，难以推广；

5、(2)空间曲梁单边索悬索桥为弯桥，使得吊杆上锚点的x坐标与y坐标产生相关性，目前方法无法计算这种类型的缆索系统。

6、(3)当吊杆有顺桥向倾斜时，主缆的轴力的纵向分量会变化，目前方法无法计算这种类型的缆索系统。

7、(4)当吊杆有横桥向或顺桥向的倾斜时，吊杆会产生垂度效应，现有技术使用多段悬链线模拟，加大了方程组的求解难度，计算较为复杂。

技术实现思路

1、本发明提出一种用于获取悬索桥缆索系统线形的方法，提高了悬索桥缆索系统线形的准确性、通用性和可推广性。

2、本发明采用的技术方案是，一种用于获取悬索桥缆索系统线形的方法。该方法的步骤为：

3、需要注意的是，吊杆上锚点与主缆索夹节点是同一坐标节点，针对主缆修正时，称为主缆索夹节点，针对吊杆修正时，称为吊杆上锚点。

4、第1步，根据悬索桥缆索系统布置设计，构建吊杆平面；并获取其它主缆和吊杆的建模参数；

5、第2步，采用两段折线作为主缆线形，建立初次有限元模型，以便形成预设的主缆无应力长度；

6、第3步，吊杆下锚点约束纵向和横向位移，吊杆下锚点以吊杆竖向张拉力设计值加载，建立主缆和吊杆的有限元模型；

7、第4步，完成有限元计算，得到缆索系统的受力平衡状态；

8、第5步，每次有限元计算完成后，计算主缆索夹节点与吊杆平面的距离，再计算吊杆下锚点的竖向位移，将距离和竖向位移中的最大绝对值作为待验算值，如果待验算值小于容许值，则进入第7步；如果待验算值大于第一容许值，则结果不满足要求，进入第6步；

9、第6步，完成主缆索夹节点坐标修正、吊杆线形坐标修正，回到第3步重新建立主缆和吊杆的有限元模型，并使用上次计算结果的主缆、吊杆的应变作为再次计算的初应变；第3步到第6步形成了第一层迭代循环计算；

10、第7步，在预设主缆无应力长度下，经过迭代循环计算，主缆索夹节点与吊杆平面的距离接近于0，吊杆下锚点的竖向位移接近于0，即吊杆位于吊杆平面内，吊杆下锚点在设计坐标位置；第一层迭代循环计算完成；

11、第8步，用第一层迭代循环计算结果，验算主缆跨中的垂度，当主缆跨中垂度与目标值的偏差大于第二容许值时，则进行主缆无应力长度修正，回到第2步重新建立主缆和吊杆的初始有限元模型；第2步到第8步形成了第二层迭代循环计算；当主缆跨中垂度与目标值的偏差小于第二容许值时，则进入第9步；

12、第9步，此时主缆索夹节点位于吊杆平面内、吊杆下锚点在设计坐标位置、主缆跨中垂度在设计位置，计算的结果满足要求，缆索系统坐标计算完成。

13、由上述技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：

14、1.本方法通过不断的修正缆索系统的建模坐标，做迭代循环计算，使得主缆和吊杆逐步趋近目标状态，来获取缆索系统的最终线形，计算原理简单，收敛稳定性好，可以用任意的有限元软件辅助实现，方便工程人员应用推广；

15、2.本方法通过引入“吊杆平面”的概念，把吊杆布置参数化，使其能够适应吊杆顺桥向倾斜、空间曲梁单边索悬索桥等复杂的吊杆布置情况，具有更好的计算通用性；

16、3.本方法通过“吊杆线形坐标修正”的方法，在模型修正时考虑了吊杆的垂度，提高了计算收敛速度，也提高了吊杆线形坐标的精确度；

17、4.本方法采用两段折线线形作为初始主缆线形，通过调整两段折线主缆中间点的高程来修正主缆无应力长度，主缆建模更为简化，方便无应力主缆长度调整。

技术特征：

1.一种用于获取悬索桥缆索系统线形的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用两段折线作为主缆线形，建立初始有限元模型，包括：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，主缆索夹节点坐标修正，包括：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对吊杆线形坐标修正，包括：

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，主缆无应力长度修正，包括：

技术总结
本发明涉及悬索桥缆索系统线形的计算技术领域，具体涉及一种用于获取悬索桥缆索系统线形的计算方法，通过不断的修正缆索系统的建模坐标，做迭代循环计算，使得主缆和吊杆逐步趋近目标状态，来获取缆索系统的最终线形，计算原理简单，收敛稳定性好，可以用任意的有限元软件辅助实现，方便工程人员应用推广；引入“吊杆平面”的概念，把吊杆布置参数化，使其能够适应吊杆顺桥向倾斜、空间曲梁单边索悬索桥等复杂的吊杆布置情况，具有更好的计算通用性。吊杆线形坐标修正在模型修正时考虑了吊杆的垂度，提高了计算收敛速度，也提高了吊杆线形坐标的精确度。

技术研发人员：杨洋,薛飞宇,黄康
受保护的技术使用者：招商局重庆交通科研设计院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13