一种空间自锚式悬索桥主缆中心索无应力长度预测系统

摘要

本发明公开了一种空间自锚式悬索桥主缆中心索无应力长度预测系统，其首先通过录入数据模块录入计算所需的数据，然后通过修正数据模块修正若干个上述录入数据模块传递给修正数据模块的计算数据，最后由预测无应力长度模块采用修正数据模块传递给预测无应力长度模块的数据计算出主缆中心索无应力长度；所述预测系统包括录入数据模块、修正数据模块和预测无应力长度模块。本发明提供的预测系统可使施工单位在空间自锚式悬索桥主塔施工完成前，基于实测主塔平面坐标、钢主梁重量、实测主缆钢材弹性模量及实测吊索下端节点坐标等数据计算主缆中心索无应力长度，进而实现主塔施工与主缆制作的平行施工，从而达到节约工期，避免窝工的目的。

说明书

技术领域

本发明属于桥梁施工技术领域，涉及空间自锚式悬索桥，尤其是一种空间自锚式悬索桥主缆中心索无应力长度预测系统。

背景技术

空间自锚式悬索桥的主缆与吊索形成了一个稳定三维索系，其具有景观效果好，横向刚度大、抗风能力强，不需修建大体积锚固构造，适应地形等优点，在城市桥梁中得到了越来越广泛的应用。

空间自锚式悬索桥一般采用“先梁后缆”施工方法，主要施工工序为：主塔基础施工→主塔施工→钢主梁架设施工→缆索系统施工。在钢主梁架设及缆索系统施工阶段，施工监控单位为施工单位提供施工指令，施工指令内容主要包括：主缆无应力长度、吊索下料长度、主索鞍预偏量、钢主梁下料长度、吊索张拉、索力调整等。其中主缆无应力长度既是施工单位制作主缆的依据，又直接影响悬索桥主缆成桥线形、受力状况、桥面线形和使用功能，而主缆中心索的无应力长度是计算主缆无应力长度的核心关键数据。但在传统缆索系统施工过程中，主缆中心索无应力长度数据的计算与应用，仍存在以下不足之处：

一、有限元法不易在施工单位被推广普及。

通过有限元法计算主缆中心索无应力长度被设计院与施工监控单位普遍采用，但在施工单位很难被推广普及的主要原因是：建立精细有限元三维计算模型耗费时间较多，且边界条件的设定等操作对力学等专业知识要求较高，但在施工单位具备上述能力的人才尤为缺乏。

二、主缆中心索无应力长度难以预测，导致工期延长。

一般地，施工单位在主塔施工完成后，首先由施工监控单位基于实测主塔平面坐标、钢主梁重量、实测主缆钢材弹性模量及实测吊索下端节点坐标等数据计算主缆中心索无应力长度，进而计算得到主缆所有索股的无应力长度，而后向施工单位发出施工指令，然后施工单位才进行主缆制作，制作时间一般需1个月左右。在主缆制作的时段内，容易发生施工窝工现象。由此可见，主塔施工与主缆制作这两个工序应将依次施工改为平行施工更有利于节约工期，避免窝工。但在主塔未完工情况下，施工单位既没有监控单位的帮助，又没有简便计算软件可用，因此很难进行预测主缆中心索的无应力长度的工作，没有无应力长度数据也就无法进行主缆制作。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种空间自锚式悬索桥主缆中心索无应力长度预测系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的空间自锚式悬索桥主缆中心索无应力长度预测系统首先通过录入数据模块录入计算所需的数据，然后通过修正数据模块修正若干个上述录入数据模块传递给修正数据模块的计算数据，最后由预测无应力长度模块采用修正数据模块传递给预测无应力长度模块的数据计算出主缆中心索无应力长度。所述预测系统包括录入数据模块、修正数据模块和预测无应力长度模块，各模块具体如下：

录入数据模块：用于录入空间自锚式悬索桥基础数据、半跨中跨的缆段与吊索数据及边跨的缆段与吊索数据；用于将录入数据模块数据传递给修正数据模块；

修正数据模块：用于录入主塔施工完成前通过预估得到的主塔平面位置偏差数据；用于修正若干个上述录入数据模块传递给修正数据模块的计算数据；用于将修正数据模块数据传递给预测无应力长度模块；

预测无应力长度模块：用于基于上述修正数据模块数据计算出主缆中心索无应力长度；具体计算方法为：首先分别计算每个缆段吊点处拉力投影在立面上的竖向力和沿纵桥向的水平力、以及投影在水平面上的垂直于纵桥向的横向力；然后根据竖向力、水平力和横向力求解各缆段中心索的无应力长度，累加得到修正前的主缆中心索无应力长度；最后将修正前的主缆中心索长度加上主索鞍内主缆中心索无应力长度修正值得到最终的修正后主缆中心索无应力长度。

进一步，上述录入数据模块包括录入基础数据模块、录入半跨中跨的缆段/吊索数据模块和录入边跨的缆段/吊索数据模块。

进一步，上述录入基础数据模块用于录入空间自锚式悬索桥主缆自重集度q、主缆截面面积A、主缆钢丝弹性模量E、中跨跨径L、中跨垂度f、后锚面中心坐标值(X

进一步，上述第i条吊索下锚点竖向力

其中，Pi：第i根吊索的成桥索力；β

进一步，上述录入边跨的缆段/吊索数据模块中录入的第i条吊索自重

进一步，上述修正数据模块中，进行修正计算的公式如下：

Y

L

L

L

其中，Y

进一步，在上述预测无应力长度模块中，主索鞍内主缆中心索无应力长度修正值的计算方法为：将主索鞍内的主缆简化为处于沿纵桥向平面内的二维圆弧几何形体，建立以主塔IP点为原点，沿纵桥向为X轴方向和竖向为y轴方向的直角坐标系，通过主缆与主索鞍的切点和主索鞍圆心的几何位置关系建立方程求解得到切点和圆心的坐标，进而求得切点处主缆竖向力，再求得主索鞍内主缆中心索无应力长度，然后减去主塔IP点到上述切点间的主缆中心索无应力长度，最终得到主索鞍内主缆中心索无应力长度修正值。

本发明具有以下有益效果：

一、本发明提供的预测系统可使施工单位在空间自锚式悬索桥主塔施工完成前，基于实测主塔平面坐标、钢主梁重量、实测主缆钢材弹性模量及实测吊索下端节点坐标等数据计算主缆中心索无应力长度，进而实现主塔施工与主缆制作的平行施工，从而达到节约工期，避免窝工的目的。

二、本发明公开的算法计算过程相对简单、概念清晰且计算精度达到了施工要求。

三、本发明提供的预测系统操作简单方便，省时省力。因只需输入数据，不需建立精细的有限元计算模型，操作简单方便施工单位使用。

附图说明

图1为本发明的预测无应力长度模块工作流程框图；

图2为悬索桥半跨中跨及边跨的缆段立面示意图；

图3为主索鞍与相切主缆的几何与力学关系二维简图。

具体实施方式

本发明的空间自锚式悬索桥主缆中心索无应力长度预测系统首先通过录入数据模块录入计算所需的数据，然后通过修正数据模块修正若干个上述录入数据模块传递给修正数据模块的计算数据，最后由预测无应力长度模块采用修正数据模块传递给预测无应力长度模块的数据计算出主缆中心索无应力长度。所述预测系统包括录入数据模块、修正数据模块和预测无应力长度模块，各模块具体如下：

录入数据模块：用于录入空间自锚式悬索桥基础数据、半跨中跨的缆段与吊索数据及边跨的缆段与吊索数据；用于将录入数据模块数据传递给修正数据模块。该录入数据模块包括录入基础数据模块、录入半跨中跨的缆段/吊索数据模块和录入边跨的缆段/吊索数据模块。

其中，录入基础数据模块用于录入空间自锚式悬索桥主缆自重集度q、主缆截面面积A、主缆钢丝弹性模量E、中跨跨径L、中跨垂度f、后锚面中心坐标值(X

录入半跨中跨的缆段/吊索数据模块用于录入空间悬索桥半跨中跨的第i节缆段A、B点的纵向距离L

录入边跨的缆段/吊索数据模块用于录入空间悬索桥单侧边跨第i节段主缆A、B点的纵向距离L

进一步，上述第i条吊索下锚点竖向力

(公式引用于发明专利：张文明,施路遥,李林,刘钊.悬索桥吊杆无应力下料长度修正方法[P].CN107190646A,2017-09-22.)

其中，Pi：第i根吊索的成桥索力；β

修正数据模块：用于录入主塔施工完成前通过预估得到的主塔平面位置偏差数据；用于修正若干个上述录入数据模块传递给修正数据模块的计算数据；用于将修正数据模块数据传递给预测无应力长度模块；

在修正数据模块中，进行修正计算的公式如下：

Y

L

L

L

其中，Y

预测无应力长度模块：用于基于上述修正数据模块数据计算出主缆中心索无应力长度；具体计算方法为：首先分别计算每个缆段吊点处拉力投影在立面上的竖向力和沿纵桥向的水平力、以及投影在水平面上的垂直于纵桥向的横向力；然后根据竖向力、水平力和横向力求解各缆段中心索的无应力长度，累加得到修正前的主缆中心索无应力长度；最后将修正前的主缆中心索长度加上主索鞍内主缆中心索无应力长度修正值得到最终的修正后主缆中心索无应力长度。

在预测无应力长度模块中，主索鞍内主缆中心索无应力长度修正值的计算方法为：将主索鞍内的主缆简化为处于沿纵桥向平面内的二维圆弧几何形体，建立以主塔IP点为原点，沿纵桥向为X轴方向和竖向为y轴方向的直角坐标系，通过主缆与主索鞍的切点和主索鞍圆心的几何位置关系建立方程求解得到切点和圆心的坐标，进而求得切点处主缆竖向力，再求得主索鞍内主缆中心索无应力长度，然后减去主塔IP点到上述切点间的主缆中心索无应力长度，最终得到主索鞍内主缆中心索无应力长度修正值。

本发明提供的预测系统最佳实施例中，主索鞍内主缆中心索无应力长度修正值的计算是处于主索鞍内的主缆在横向偏转角度在0-2度时。

以下结合附图对本发明的工作流程进行详细描述：

参见图1，本发明的预测无应力长度模块工作流程具体包括如图1所示的S1-S31个子步骤，为了精简说明，以下将31个子步骤总结为七个系统计算步骤来说明(即本发明的工作原理和计算过程说明)。

本发明的预测无应力长度模块计算流程具体包括以下步骤：

参见图2，步骤1)首先求出半跨中跨主缆各吊点水平力和竖向力，具体计算方法如下：

首先求解主缆中跨跨中吊点的竖向力

判断

Z

其中,Z

步骤2)求解边跨主缆各吊点间竖向距离差及吊点竖向力，具体如下：

首先设定主缆边跨第1节缆段B点的竖向力

判断

步骤3)求解半跨中跨主缆各吊点横向力，具体如下：

首先设定主缆半跨中跨第1节缆段A点横向坐标Y

根据得到的

判断

步骤4)求解边跨主缆各吊点横向力，具体如下：

首先设定主缆边跨第1节缆段B点的横向坐标Y

根据得到的

判断

步骤5)求解半跨中跨及边跨主缆中心索各节缆段无应力长度，具体如下：

首先求解半跨中跨主缆各节缆段无应力长度S

其中：i＝1,2,…,N；

其中,

步骤6)参见图3，求解主索鞍内主缆中心索无应力长度；

求解主缆与主索鞍切点平面坐标计算公式如下：

(X

(X

其中,

求解主索鞍内主缆中心索无应力长度计算公式如下：

S

其中,F

步骤7)得到最终主缆中心索无应力长度，具体根据以下公式求解：

求解最终主缆中心索无应力长度计算公式为：

其中,S

下面结合图1-图3和实施例对本发明做进一步详细描述：

实施例1

本实施例采用某大桥工程数据，按照本发明提供的一种空间自锚式悬索桥主缆中心索无应力长度预测系统进行计算，通过将计算结果与某大桥工程中主缆中心索无应力长度进行比较，来说明本发明技术方案的可行性。

首先，从图纸中整理出计算所需数据，其中主缆自重集度q＝2.9164kn/m、主缆截面面积A＝0.038145m

上述计算

然后将上述数据录入到空间自锚式悬索桥主缆中心索无应力长度预测系统的录入数据模块。

在本实施例中，主塔平面位置偏差数据为：ΔX＝0；ΔY＝0。

然后，将主塔平面位置偏差数据录入到空间自锚式悬索桥主缆中心索无应力长度预测系统的修正数据模块。

最后，通过预测无应力长度模块计算得到的最终主缆中心索无应力长度为438.3735m。

本实施例的空间自锚式悬索桥主缆中心索无应力长度预测系统计算得到的最终主缆中心索无应力长度为438.3735m,对应的《某市某河大桥工程》图纸中第10号索股(中心索)L

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。