一种确定抗风缆悬索桥成桥状态的混合方法及装置与流程

本技术涉及悬索桥设计领域，特别涉及一种确定抗风缆悬索桥成桥状态的混合方法及装置。

背景技术：

1、抗风缆悬索桥作为一种大跨度桥梁结构形式，因其优异的横向刚度和抗风性能，在跨越峡谷、海域等复杂地形中得到了广泛应用。成桥状态的确定是此类桥梁控制的核心环节，直接关系到桥梁建成后的线形美观、受力安全以及运营期间的耐久性。准确计算成桥状态下的索力、线形及塔偏等参数，是指导现场张拉、索段下料及塔顶预偏量设置的理论基础，对于保证桥梁最终成桥质量至关重要。

2、相关技术中，确定悬索桥成桥状态通常采用整体有限元分析法。该方法将主梁、主缆、抗风缆及桥塔建立在一个整体的有限元模型中，通过设定目标成桥状态，利用非线性迭代算法反算各构件的无应力长度及初始内力。在实际操作中，工程师通常依靠通用桥梁分析软件，对全桥结构进行整体建模，并通过多次调整边界条件和单元参数来逼近设计目标，以此获得所需的控制参数。

3、但是，对于带有抗风缆体系的双索面悬索桥，整体有限元分析法存在明显的局限性。一方面，主缆与抗风缆之间存在复杂的几何非线性耦合，导致整体模型未知量过多，迭代计算难以收敛或收敛效率极低；另一方面，有限元离散化模拟缆索时，往往难以精确反映大垂度索的悬链线效应，导致成桥线形与索力精度不足，难以同时满足多目标控制要求。因此，有必要针对上述结构予以研究改良，提供一种确定抗风缆悬索桥成桥状态的混合方法及装置，以期达到提高计算精度与效率的目的。

技术实现思路

1、针对上述背景技术提出的不足或不足之一，本技术实施例提供一种确定抗风缆悬索桥成桥状态的混合方法及装置，以解决相关技术中采用整体有限元法确定抗风缆悬索桥成桥状态时存在的因主缆与抗风缆耦合复杂导致迭代收敛困难、计算效率低，以及成桥线形与索力精度不足的问题。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种确定抗风缆悬索桥成桥状态的混合方法，包括以下步骤：

3、s1、将抗风缆悬索桥的整体结构分解为主梁子结构、抗风缆体系子结构、主缆体系子结构和桥塔子结构；

4、s2、分别对所述主梁子结构和所述抗风缆体系子结构进行独立力学求解，得到主梁竖向力和抗风拉索下端竖向力；

5、s3、根据所述主梁竖向力和所述抗风拉索下端竖向力叠加合成的各吊索下端总竖向力，对所述主缆体系子结构进行力学求解，得到主缆体系的塔顶竖向合力；

6、s4、根据所述塔顶竖向合力对所述桥塔子结构进行力学求解，得到桥塔温度补偿值；

7、s5、汇总各子结构的求解结果，得到成桥状态下的控制参数。

8、第一方面，一些实施例中，所述主缆体系子结构和抗风缆体系子结构采用基于空间悬链线理论的解析法求解，所述主梁子结构和桥塔子结构采用有限元法求解。

9、第一方面，一些实施例中，所述主梁子结构进行力学求解，得到主梁竖向力具体包括：

10、s21、建立主梁有限元模型，按设计参数取值，施加自重和二期恒载；

11、s22、在所述主梁的各吊索下端锚点位置设置刚性竖向支承，进行静力分析，计算各刚性支承点的竖向反力；

12、s23、拆除所述刚性竖向支承，在相应锚点位置施加与所述竖向反力大小相等、方向竖直向上的集中力，进行静力计算，获取各集中力作用点的竖向位移；

13、s24、若所述竖向位移平方累加和的平方根值不满足预设收敛限值，则利用影响矩阵法迭代更新所述集中力的数值，直至满足所述收敛限值，并将最终迭代收敛后得到的集中力记为主梁竖向力。

14、第一方面，一些实施例中，所述抗风缆体系子结构进行力学求解，得到抗风拉索下端竖向力，具体包括：

15、s25、设定抗风主索起始端的三向分力初始值，从起始端开始逐段向前推进，依次求解各索段末端节点的空间坐标及该索段的无应力长度，并根据索段自重和各连接拉索的作用力更新末端节点的三向分力，直至求得全部索段末端节点的空间坐标及所有抗风拉索的无应力长度；

16、s26、根据求解得到的末端节点坐标与其目标位置的偏差，修正起始端的三向分力初始值并重新进行上述逐段求解，直至所述偏差满足预设收敛条件；

17、s27、根据收敛状态下各抗风拉索的下端力叠加得到其作用于主梁的竖向力，记为抗风拉索下端竖向力。

18、第一方面，一些实施例中，所述偏差满足预设收敛条件的具体实现方式为：

19、计算抗风主索最右侧节点的竖坐标和横坐标、跨中控制点的横坐标分别与各自目标值的差值，并对所述三个差值的平方和开平方，当所得值不大于预设限值时，判定所述偏差满足收敛条件；

20、所述逐段向前推进求解各索段末端节点的空间坐标及无应力长度时，采用空间悬链线方程，根据当前索段起始端的三向分力和起始端节点坐标，计算该索段末端节点的三维坐标及该索段的无应力长度，并基于力的平衡条件和索段自重更新末端节点的三向分力。

21、第一方面，一些实施例中，所述根据所述主梁竖向力和所述抗风拉索下端竖向力叠加合成的各吊索下端总竖向力，对所述主缆体系子结构进行力学求解，得到主缆体系的塔顶竖向合力，具体包括：

22、s31、根据主梁子结构求解得到的主梁竖向力与抗风缆子结构求解得到的抗风拉索下端竖向力，叠加合成各吊索下端的总竖向力；

23、s32、设定主缆起始端的三向分力初始值，从起始端开始逐段向前推进，根据各吊索下端总竖向力与主缆索段自重的共同作用，依次求解各索段末端节点的空间坐标及该索段的无应力长度，并更新末端节点的三向分力，直至求得全部索段末端节点的空间坐标及所有吊索的无应力长度；

24、s33、根据求解得到的末端节点坐标与其目标位置的偏差，修正起始端的三向分力初始值并重新进行上述逐段求解，直至所述偏差满足预设收敛条件；

25、s34、根据边跨与中跨主缆在塔顶的竖向力叠加，得到左右塔顶的竖向合力。

26、第一方面，一些实施例中，所述根据所述塔顶竖向合力对所述桥塔子结构进行力学求解，得到桥塔温度补偿值，具体包括：

27、s41、建立桥塔有限元模型，提取桥塔各单元截面积、材料弹性模量及线膨胀系数；

28、s42、将主缆子结构求解所得左右塔顶竖向合力作为外荷载施加于塔顶节点，通过有限元计算得到桥塔各单元的轴力；

29、s43、根据各单元轴力、截面积、弹性模量及线膨胀系数，计算各单元在阶段所需的温度补偿值。

30、第一方面，一些实施例中，还包括：

31、s6、将各子结构求解所得的结构参数代入全桥整体有限元模型；

32、s7、进行非线性位移验算，若验算结果与目标成桥状态的位移偏差小于预设阈值，则确认所述结构参数有效。

33、第一方面，一些实施例中，所述主梁子结构、抗风缆体系子结构、主缆体系子结构和桥塔子结构按照受力传递规律逐级求解，其中所述主梁子结构和抗风缆体系子结构并列求解后，两者的输出结果叠加作为所述主缆体系子结构的输入，所述主缆体系子结构的输出作为所述桥塔子结构的输入。

34、第二方面，本技术实施例提供了一种确定抗风缆悬索桥成桥状态的混合装置，包括：

35、结构分解模块，用于将抗风缆悬索桥的整体结构分解为主梁子结构、抗风缆体系子结构、主缆体系子结构和桥塔子结构；

36、主梁求解模块，用于对所述主梁子结构进行力学求解，得到主梁竖向力；

37、抗风缆求解模块，用于对所述抗风缆体系子结构进行力学求解，得到抗风拉索下端竖向力；

38、主缆求解模块，用于根据所述主梁竖向力和所述抗风拉索下端竖向力叠加合成的各吊索下端总竖向力，对所述主缆体系子结构进行力学求解，得到主缆体系的塔顶竖向合力；

39、桥塔求解模块，用于根据所述塔顶竖向合力对所述桥塔子结构进行力学求解，得到桥塔温度补偿值；

40、参数输出模块，用于汇总各子结构的求解结果，输出成桥状态下的控制参数。

41、本技术提供的技术方案带来的有益效果包括：

42、本技术实施例提供的确定抗风缆悬索桥成桥状态的混合方法，通过将抗风缆悬索桥的整体结构分解为主梁、抗风缆体系、主缆体系和桥塔四个独立子结构，并依据结构受力传递规律采用“先梁缆、后主缆、再桥塔”的串联逻辑进行力学求解，有效解耦了传统整体有限元分析中主缆与抗风缆之间的复杂非线性耦合关系。该方法不仅避免了全桥整体迭代计算难以收敛的技术难题，提高了计算效率与稳定性，而且通过逐级传递边界条件确保了各子结构受力状态的物理一致性，能够精确获取塔顶竖向合力及温度补偿值等关键控制参数，为抗风缆悬索桥的精细化设计提供了可靠的技术支撑。