一种拱肋安装斜拉扣挂通索的有限元模拟方法

本发明涉及桥梁工程，尤其涉及一种拱肋安装斜拉扣挂通索的有限元模拟方法。

背景技术：

1、桥梁是道路基础设施的重要组成部分，其中钢管混凝土拱桥、劲性骨架混凝土拱桥、钢拱桥和混凝土拱桥，通常采用斜拉扣挂悬臂拼装法施工，利用扣索临时扣挂已经安装的拱肋节段，直至拱肋合龙后再予以拆除。

2、工程中采用的扣索主要有两种布置方式，一种是扣索和背索分离，其张拉端均在塔架上，这种布置的有限元建模简便，只需分别建立其单元；另一种是通索，它是将扣索通过塔架索鞍延伸到地面锚碇进行张拉；准确建立通索模型的难点在于如何保证位于索鞍处的扣索力相等，现有方法是通过折减扣索弹性模量来等效塔架后的背索和索鞍索部分，或将背索和索鞍索部分沿扣索方向反向延伸，这两种方法都是仅建立拱肋和扣索部分的模型进行分析；但均不同时建立拱肋、通索、塔架于一体的整体模型，计算结果不能准确反映出塔架变形尤其是竖向变形对拱肋线形与扣索力的影响。

技术实现思路

1、针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种拱肋安装斜拉扣挂通索的有限元模拟方法，其解决了现有有限元分析模型不同时建立拱肋、通索、塔架于一体的整体模型，计算结果不能准确反映出塔架变形尤其是塔架竖向变形对拱肋线形与扣索力的影响的问题。

2、根据本发明的实施例，一种拱肋安装斜拉扣挂通索的有限元模拟方法，施工阶段桥梁结构包括通索、索鞍、拱肋以及塔架；索鞍固定在塔架上，通索放置在索鞍上，通索可在索鞍上移动；通索一端锚固在拱肋上，通索另一端为张拉端，张拉完成后锚固在地面锚碇上，实现拱肋安装过程中的临时锚固；其具体步骤为：

3、建立有限元分析模型；将通索离散为扣索、索鞍索和背索三部分：

4、扣索，为塔架与拱肋之间的通索部分；

5、索鞍索，为搭设在索鞍上的通索部分；

6、背索，为塔架与地面锚碇之间的通索部分；

7、索鞍索两端设置有弹簧模块，弹簧模块固定在塔架上，扣索和背索分别与索鞍索两端的弹簧模块连接；

8、选取合适的弹簧刚度值，使扣索、索鞍索和背索在塔架处的索力相等，实现通索的有限元模拟。

9、相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：利用弹簧模块模拟通索滑移变形，确保了扣索、索鞍索、背索在索鞍处的索力相等；建立了集拱肋、通索、塔架于一体的整体模型，计算模型能自动考虑塔架变形对拱肋线形和扣索力影响，计算结果更为精确；解决了现有有限元分析模型不同时建立拱肋、通索、塔架于一体的整体模型，计算结果不能准确反映出塔架变形尤其是塔架竖向变形对拱肋线形与扣索力影响的问题。

10、优选的，在有限元模型中，扣索与索鞍索共用一个弹簧模块共节点a，索鞍索与背索共用另一个弹簧模块共节点b，通索的索力通过弹簧模块传递到塔架上。

11、采用以上技术方案，其优点在于：在计算机模型中通过共用的两个共节点，即将通索分为三部分，既能模拟通索张拉时的滑移过程，又能保证扣索、索鞍索和背索在塔架处的索力相等。

12、优选的，索鞍包括型钢构件，型钢构件固定在塔架上；有限元分析模型还包括型钢构件单元、两个刚臂单元；两个刚臂单元垂直固定在型钢构件单元上，两个刚臂单元间隔布置，刚臂单元与型钢构件单元刚性连接，弹簧模块固定在刚臂单元顶端。

13、采用以上技术方案，其优点在于：刚臂单元用以在有限元分析模型中连接弹簧模块和型钢构件单元，刚臂单元可传递水平和垂直作用力。

14、优选的，弹簧模块包括：

15、模拟通索水平滑移的第一弹簧单元；

16、模拟通索剪切位移的第二弹簧单元；

17、第一弹簧单元一端固定在刚臂单元顶端连接节点上，第二弹簧单元和第一弹簧单元另一端垂直固定连接，第一弹簧单元平行布置在型钢构件单元上方；索鞍索右端的第二弹簧单元顶端点为共节点a，索鞍索左端的第二弹簧单元顶端点为共节点b。

18、采用以上技术方案，其优点在于：第一弹簧单元和第二弹簧单元配合模拟通索在塔架上的受力情况，还能得出塔架内力和弹性稳定计算结果。

19、优选的，第一弹簧单元和第二弹簧单元选取不同刚度。

20、采用以上技术方案，其优点在于：通索的水平位移和剪切位移受力和变形量不同，不同刚度的第一弹簧单元和第二弹簧单元与通索水平位移和剪切位移相适配。

技术特征：

1.一种拱肋安装斜拉扣挂通索的有限元模拟方法，施工阶段桥梁结构包括通索、索鞍、拱肋以及塔架；索鞍固定在塔架上，通索放置在索鞍上，通索可在索鞍上移动；通索一端锚固在拱肋上，通索另一端为张拉端，张拉完成后锚固在地面锚碇上，实现拱肋安装过程中的临时锚固；其特征在于：

2.如权利要求1所述的一种拱肋安装斜拉扣挂通索的有限元模拟方法，其特征在于：在有限元模型中，扣索与索鞍索共用一个弹簧模块共节点a，索鞍索与背索共用另一个弹簧模块共节点b，通索的索力通过弹簧模块传递到塔架上。

3.如权利要求2所述的一种拱肋安装斜拉扣挂通索的有限元模拟方法，索鞍包括型钢构件，型钢构件固定在塔架上；其特征在于：有限元分析模型还包括型钢构件单元、两个刚臂单元；两个刚臂单元垂直固定在型钢构件单元上，两个刚臂单元间隔布置，刚臂单元与型钢构件单元刚性连接，弹簧模块固定在刚臂单元顶端。

4.如权利要求3所述的一种拱肋安装斜拉扣挂通索的有限元模拟方法，其特征在于：弹簧模块包括：

5.如权利要求4所述的一种拱肋安装斜拉扣挂通索的有限元模拟方法，其特征在于：第一弹簧单元和第二弹簧单元选取不同刚度。

技术总结
本发明提供了一种拱肋安装斜拉扣挂通索的有限元模拟方法；施工阶段桥梁结构包括通索、索鞍、拱肋以及塔架；索鞍设置在塔架上，通索放置在索鞍上，通索可在索鞍上移动；通索一端锚固在拱肋上，通索另一端锚固在地面锚碇上；建立有限元分析模型，将通索离散为扣索、索鞍索和背索三部分；索鞍索两端设置有弹簧模块，弹簧模块固定在塔架上，扣索和背索分别与索鞍索两端的弹簧模块连接；选取合适的弹簧刚度值，使扣索、索鞍索和背索在塔架处的索力相等，实现通索的有限元模拟；本发明解决了现有有限元分析模型不同时建立拱肋、通索、塔架于一体的整体模型，计算结果不能准确反映出塔架变形尤其是塔架竖向变形对拱肋线形与扣索力影响的问题。

技术研发人员：周水兴,袁星,王凯,张敏,张发平,梁航,朱磊,易守维,周泽林
受保护的技术使用者：重庆交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14