一种串联式自锚悬索桥合理成桥状态的确定方法及其系统与流程

本技术涉及桥梁结构设计，特别涉及一种串联式自锚悬索桥合理成桥状态的确定方法及其系统。

背景技术：

1、自锚式悬索桥由于直接承受主缆传来的巨大水平力作用，加劲梁为压弯构件，其受力与地锚式悬索桥不同。自锚式悬索桥加劲梁与主缆一起承担全部恒载，通过改变吊索拉力的大小，可以得到不同的成桥状态。因而桥梁的总体布置确定之后，与斜拉桥类似，自锚式悬索桥存在一组吊索拉力，可以使自锚式悬索桥达到满足某种性能指标的合理成桥状态。

2、传统自锚式悬索桥主缆锚固于主梁两端，主缆在中跨连续，梁端设有桥墩和支座，主缆的竖向分力可通过设置压重或抗拉支座的方式进行平衡，从而保证主缆在锚固点的竖向变位为0，成桥线形的确定相对比较简单。

3、当需跨越铁路线或受桥梁通航限制时，可采用边跨主缆锚固于梁端，中跨主缆锚固于跨中附近的锚固方式，即串联式自锚悬索桥，采用悬臂拼装或转体施工方式进行架设。串联式自锚悬索桥由两个以上单塔自锚式悬索桥组成，由于主缆锚固于中跨跨中，跨中不设置支座，导致跨中主缆锚固点存在上下变位的可能性，给主缆找形和主梁成桥线形的确定带来困难。

技术实现思路

1、本技术提供一种串联式自锚悬索桥合理成桥状态的确定方法及其系统，可以解决相关技术中串联式自锚悬索桥中主缆找形和主梁成桥线形的确定困难的问题。

2、第一方面，本技术实施例提供一种串联式自锚悬索桥合理成桥状态的确定方法，其包括：

3、基于单塔的主梁线性有限元模型，获得主缆初始竖向分力v0和初始吊杆力p1～pm+n；

4、基于主缆初始竖向分力v0和初始吊杆力p1～pm+n，获得该单塔的主缆成桥线形、主缆无应力长度和吊杆无应力长度；

5、基于该单塔的主缆成桥线形、主缆无应力长度和吊杆无应力长度，进行成桥非线性计算，当主梁线形不满足要求时进行主缆初始竖向分力v0和初始吊杆力p1～pm+n的修正计算，获得该单塔最终的主缆成桥线形、主缆无应力长度和吊杆无应力长度；

6、依此类推，获取所有单塔最终的主缆成桥线形、主缆无应力长度和吊杆无应力长度；

7、基于所有单塔最终的主缆成桥线形、主缆无应力长度和吊杆无应力长度，获得全桥最终的成桥状态。

8、一些实施例中，基于单塔的主梁线性有限元模型，获得主缆初始竖向分力v0和初始吊杆力p1～pm+n，具体步骤包括：

9、在单塔的主梁线性有限元模型上进行受力调整，获得主缆锚固点处支座反力rv和吊杆位置处支座反力r1～rm+n；

10、将主缆锚固点处支座反力rv作为主缆初始竖向分力v0，即v0＝rv，将吊杆位置处支座反力r1～rm+n作为初始吊杆力p1～pm+n，即p1＝r1，p2＝r2，……，pm+n＝rm+n。

11、一些实施例中，在单塔的主梁线性有限元模型上进行受力调整，获得主缆锚固点处支座反力rv和吊杆位置处支座反力r1～rm+n，具体步骤包括：

12、在吊杆、支座和主缆锚固点位置对应的主梁节点施加竖向支撑，获得竖向支撑支撑力；

13、在梁端施加预估的主缆水平分力h；

14、施加一恒、二恒及压重，获得一恒荷载、二恒荷载及压重荷载；

15、将跨中合龙梁段的恒载均分至左右梁端，获得左右梁端恒载；

16、基于竖向支撑支撑力、在梁端施加预估主缆水平分力h、一恒荷载、二恒荷载及压重荷载和左右梁端恒载，获得主缆锚固点处支座反力rv和吊杆位置处支座反力r1～rm+n。

17、一些实施例中，基于主缆初始竖向分力v0和初始吊杆力p1～pm+n，获得该单塔的主缆成桥线形、主缆无应力长度和吊杆无应力长度，具体步骤包括：

18、基于i号梁段主缆竖向分力vi、i号梁段吊杆间距li、主缆水平分力hi、主缆荷载集度q和i号梁段吊杆间距关于主缆有应力长度的映射关系，获得i号主缆有应力长度si；

19、基于i号主缆有应力长度si、主缆水平分力hi、主缆荷载集度q、i号梁段主缆竖向分力vi和i号梁段主缆吊点高差关于主缆有应力长度的映射关系，获得i号梁段主缆吊点高差hi；

20、基于i号梁段主缆吊点高差hi和i号梁段吊杆间距li，获得i号梁段主缆成桥线形坐标，以此类推，获得该单塔所有梁段主缆成桥线形坐标；

21、基于该单塔所有梁段主缆成桥线形坐标连接，获得该单塔的主缆成桥线形；

22、基于i号梁段主缆有应力长度si和i号梁段主缆伸长量，获得i号梁段主缆无应力长度，以此类推，获得该单塔所有梁段主缆无应力长度；

23、基于该单塔所有梁段主缆成桥线形坐标和桥面设计坐标，获得该单塔的吊杆在成桥状态的有应力长度；

24、基于该单塔的吊杆在成桥状态的有应力长度和吊杆弹性伸长量，获得该单塔的吊杆无应力长度；

25、其中，i＝1，2，…，m+n+2，m+n为单塔吊杆总数量。

26、一些实施例中，获得所有梁段主缆成桥线形坐标之后，在获得单塔主缆成桥线形之前，所述方法还包括：

27、判断所有梁段主缆吊点高差hi是否满足：

28、

29、若满足则获得单塔主缆成桥线形和主缆无应力长度；

30、否则，修改预估的主缆水平分力h并重新计算i号主缆吊点高差hi，直至所有梁段主缆吊点高差hi满足

31、其中n为单跨主缆吊索总数；δy为主缆梁上锚固点与鞍座ip点之间的高差；hi＝h。

32、一些实施例中，所述i号梁段吊杆间距关于主缆有应力长度的映射关系为：

33、

34、所述i号梁段主缆吊点高差关于主缆有应力长度的映射关系为：

35、

36、其中，hi＝h，vi＝vi-1+pi-1+qsi。

37、一些实施例中，基于该单塔的主缆成桥线形、主缆无应力长度和吊杆无应力长度，进行成桥非线性计算，当主梁线形不满足要求时进行主缆初始竖向分力v0和初始吊杆力p1～pm+n的修正计算，获得该单塔最终的主缆成桥线形、主缆无应力长度和吊杆无应力长度，具体步骤包括：

38、建立单塔非线性分析模型，输入主缆成桥线形、主缆无应力长度和吊杆无应力长度，进行成桥非线性计算，得到该单塔的主梁线形；

39、判断该单塔的主梁线形是否满足要求，若满足，则获得该单塔最终的主缆成桥线形、主缆无应力长度和吊杆无应力长度；

40、若不满足，则修正主缆初始竖向分力v0和初始吊杆力p1～pm+n，重新获得该单塔的主缆成桥线形、主缆无应力长度和吊杆无应力长度，直至该单塔的主梁线形满足要求。

41、一些实施例中，判断该单塔的主梁线形是否满足要求，具体步骤包括：

42、将主梁竖向挠度与第一阈值进行对比、梁端转角与第二阈值进行对比；

43、若主梁竖向挠度小于第一阈值，且梁端转角小于第二阈值，则该单塔的主梁线形满足要求，否则，则该单塔的主梁线形不满足要求。

44、一些实施例中，修正主缆初始竖向分力v0和初始吊杆力p1～pm+n，具体步骤包括：

45、在单塔非线性分析模型中，将吊杆吊点和主缆锚固点对应的主梁节点处添加竖向约束，计算得到节点反力r1'～rm+n'、rv'；

46、以节点反力r1'～rm+n'修正初始吊杆力p1～pm+n，修正后的吊杆力为p'1＝r1+r1'，p2'＝r2+r2'，pm+n'＝rm+n+rm+n'；

47、以rv'修正主缆初始竖向分力v0，修正后的主缆竖向分力为v0'＝v0+rv'。

48、第二方面，本技术实施例提供了一种串联式自锚悬索桥合理成桥状态的确定系统，其包括：第一模块、第二模块、第三模块和第四模块，第一模块用于基于单塔的主梁线性有限元模型，获得主缆初始竖向分力v0和初始吊杆力p1～pm+n；第二模块用于基于主缆初始竖向分力v0和初始吊杆力p1～pm+n，获得该单塔的主缆成桥线形、主缆无应力长度和吊杆无应力长度；第三模块用于基于该单塔的主缆成桥线形、主缆无应力长度和吊杆无应力长度，进行成桥非线性计算，当主梁线形不满足要求时进行主缆初始竖向分力v0和初始吊杆力p1～pm+n的修正计算，获得该单塔最终的主缆成桥线形、主缆无应力长度和吊杆无应力长度，并用于依此类推，获取所有单塔最终的主缆成桥线形、主缆无应力长度和吊杆无应力长度；第四模块用于基于所有单塔最终的主缆成桥线形、主缆无应力长度和吊杆无应力长度，获得全桥最终的成桥状态。

49、本技术实施例提供的技术方案带来的有益效果包括：

50、(1)本技术实施例提供了一种串联式自锚悬索桥合理成桥状态的确定方法及其系统，该方法基于此种桥型的受力特点，分为两个以上单塔自锚式悬索桥各自求解理想成桥状态，将多个单塔进行串联即可得到全桥最终的成桥状态，本方法思路明确，精确度高，适用性强。

51、(2)提出了当主梁线形不满足要求时主缆初始竖向分力v0和初始吊杆力p1～pm+n的修正计算方法，可快速使单塔自锚式悬索桥的主梁挠度和梁端转角达到设计要求，避免低效率反复试算，收敛性高，可操作性强，可快速获得单塔理想成桥线形。