一种缆索用索夹螺栓群紧固施工优化方法及系统

1.本发明涉及桥梁和建筑结构工程领域，特别是涉及一种缆索用索夹螺栓群紧固施工优化方法及系统。


背景技术：

2.预应力高强度螺栓连接是土木工程和机械中广泛应用的构件或组件的连接方式。螺栓通常采用施拧或张拉两种紧固方式获得预紧力。连接节点中的螺栓布置形式多样，一般数量较多，所以称为“螺栓群”。工程实践中大多数情况下，无法对节点上的全部螺栓同时紧固，需要分批次按一定的顺序相继紧固螺栓，这样一来，后紧固的螺栓由于增加了连接节点的变形，会导致先紧固的螺栓预紧力减小，这种效应称为螺栓群紧固的“串扰效应”(bolts cross talk effect)。串扰效应导致两个后果：一是难以通过一遍紧固就使全部螺栓获得均匀且满足设计要求的预紧力，必须重复紧固多遍才行，劳动力成本高；二是难以确定紧固施工结束时各螺栓保留的剩余拉力，施工质量堪忧。螺栓连接节点依靠螺栓的预紧力才能实现设计需要的连接功能，不合格的螺栓群紧固施工会造成连接节点的实际受力状态与设计之间产生误差，造成结构安全隐患。为解决此问题，保障索夹紧固质量和施工效率，需要具体有效的方法来指导工程施工。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种缆索用索夹螺栓群紧固施工优化方法及系统，在解决串扰效应带来的问题的同时提高紧固效率和质量。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.一种缆索用索夹螺栓群紧固施工优化方法，包括：
6.获取索夹紧固力作用下的缆索横截面刚性特征；
7.根据所述索夹紧固力作用下的缆索横截面刚性特征构建索夹和缆索数值模型；
8.根据所述索夹和缆索数值模型对螺栓进行紧固和优化，得到螺栓所需紧固遍数和螺栓所需紧固力；
9.根据所述螺栓所需紧固遍数和所述螺栓所需紧固力对安装在缆索上的索夹和螺栓进行紧固。
10.可选地，所述获取索夹紧固力作用下的缆索横截面刚性特征，具体包括：
11.根据安装在缆索上的索夹和螺栓进行索夹紧固力和缆索横截面变形关系试验，得到索夹紧固力作用下的缆索横截面刚性特征。
12.可选地，所述根据所述索夹紧固力作用下的缆索横截面刚性特征构建索夹和缆索数值模型，具体包括：
13.构建弹性材料本构模型；
14.根据所述索夹紧固力作用下的缆索横截面刚性特征调整所述弹性材料本构模型的应力应变数据，得到索夹和缆索数值模型。
15.可选地，所述根据所述索夹和缆索数值模型对螺栓进行紧固和优化，得到螺栓所需紧固遍数和螺栓所需紧固力，具体包括：
16.按照设定紧固力对所述夹和缆索数值模型进行紧固，得到紧固遍数和各螺栓的剩余拉力；
17.判断各所述螺栓的剩余拉力是否存在至少一个小于目标紧固力，得到第一判断结果；
18.若所述第一判断结果表示是，则对所述紧固遍数加一，并返回步骤“按照设定紧固力对所述夹和缆索数值模型进行紧固，得到紧固遍数和各螺栓的剩余拉力”；
19.若所述第一判断结果表示否，则判断各所述螺栓的剩余拉力是否大于设定拉力，得到第二判断结果；
20.若所述第二判断结果表示是，则利用更新紧固力对所述螺栓的设定紧固力进行更新，并返回步骤“按照设定紧固力对所述夹和缆索数值模型进行紧固，得到紧固遍数和各螺栓的剩余拉力”；
21.若所述第二判断结果为否，则根据所述设定紧固力和所述紧固遍数确定螺栓所需紧固力，将所述紧固遍数确定为螺栓所需紧固遍数。
22.可选地，所述更新紧固力的计算公式为：
23.f
cur
＝αf
t-iδf
24.其中，f
cur
为更新紧固力，α为超张律，f为目标紧固力，i为倍数，δf为紧固力的最小调整量。
25.一种缆索用索夹螺栓群紧固施工优化系统，包括：
26.获取模块，用于获取索夹紧固力作用下的缆索横截面刚性特征；
27.构建模块，用于根据所述索夹紧固力作用下的缆索横截面刚性特征构建索夹和缆索数值模型；
28.紧固和优化模块，用于根据所述索夹和缆索数值模型对螺栓进行紧固和优化，得到螺栓所需紧固遍数和螺栓所需紧固力；
29.紧固模块，用于根据所述螺栓所需紧固遍数和所述螺栓所需紧固力对安装在缆索上的索夹和螺栓进行紧固。
30.可选地，所述获取模块，具体包括：
31.获取单元，用于根据安装在缆索上的索夹和螺栓进行索夹紧固力和缆索横截面变形关系试验，得到索夹紧固力作用下的缆索横截面刚性特征。
32.可选地，所述构建模块，具体包括：
33.构建单元，用于构建弹性材料本构模型；
34.调整单元，用于根据所述索夹紧固力作用下的缆索横截面刚性特征调整所述弹性材料本构模型的应力应变数据，得到索夹和缆索数值模型。
35.可选地，所述紧固和优化模块，具体包括：
36.紧固单元，用于按照设定紧固力对所述夹和缆索数值模型进行紧固，得到紧固遍数和各螺栓的剩余拉力；
37.第一判断单元，用于判断各所述螺栓的剩余拉力是否存在至少一个小于目标紧固力，得到第一判断结果；
38.返回单元，用于若所述第一判断结果表示是，则对所述紧固遍数加一，并返回步骤“按照设定紧固力对所述夹和缆索数值模型进行紧固，得到紧固遍数和各螺栓的剩余拉力”；
39.第二判断单元，用于若所述第一判断结果表示否，则判断各所述螺栓的剩余拉力是否大于设定拉力，得到第二判断结果；
40.更新单元，用于若所述第二判断结果表示是，则利用更新紧固力对所述螺栓的设定紧固力进行更新，并返回步骤“按照设定紧固力对所述夹和缆索数值模型进行紧固，得到紧固遍数和各螺栓的剩余拉力”；
41.确定单元，用于若所述第二判断结果为否，则根据所述设定紧固力和所述紧固遍数确定螺栓所需紧固力，将所述紧固遍数确定为螺栓所需紧固遍数。
42.可选地，所述更新紧固力的计算公式为：
43.f
cur
＝αf
t-iδf
44.其中，f
cur
为更新紧固力，α为超张律，f为目标紧固力，i为倍数，δf为紧固力的最小调整量。
45.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
46.本发明提供的一种缆索用索夹螺栓群紧固施工优化方法及系统，获取索夹紧固力作用下的缆索横截面刚性特征；根据索夹紧固力作用下的缆索横截面刚性特征构建索夹和缆索数值模型；根据索夹和缆索数值模型对螺栓进行紧固和优化，得到螺栓所需紧固遍数和螺栓所需紧固力；根据螺栓所需紧固遍数和螺栓所需紧固力对安装在缆索上的索夹和螺栓进行紧固。在实际施工前通过过程仿真优化确定螺栓群所需的最少紧固遍数以及各螺栓所需的具体紧固力值，一方面能够保障紧固施工完毕时各螺栓的剩余紧固力满足设计要求，另一方面保障所采取的螺栓群紧固程序是效率最优的，不至于增加不必要的螺栓紧固遍数。另外，通过根据索夹和缆索数值模型进行紧固和优化考虑串扰效应，实现在解决串扰效应带来的问题的同时提高紧固效率和质量。
附图说明
47.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
48.图1为本发明提供的缆索用索夹螺栓群紧固施工优化方法流程图；
49.图2为工程验证试验中的缆索索夹的局部三维示意图；
50.图3为试验索夹的俯视图；
51.图4为索夹紧固力与两半索夹间隙宽度值的关系图；
52.图5为索夹和缆索紧固作用分析的数值模型图；
53.图6为缆索多线性弹性材料模型的等效应力应变曲线图；
54.图7为本发明提供的缆索用索夹螺栓群紧固施工优化方法流程示意图；
55.图8为试验索夹螺栓紧固过程优化仿真结果与试验结果的对照图。
具体实施方式
56.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
57.本发明的目的是提供一种缆索用索夹螺栓群紧固施工优化方法及系统，在解决串扰效应带来的问题的同时提高紧固效率和质量。
58.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
59.如图1所示，本发明提供的一种缆索用索夹螺栓群紧固施工优化方法，包括：
60.步骤101：获取索夹紧固力作用下的缆索横截面刚性特征。步骤101，具体包括：
61.根据安装在缆索上的索夹和螺栓进行索夹紧固力和缆索横截面变形关系试验，得到索夹紧固力作用下的缆索横截面刚性特征。
62.在缆索上做索夹紧固力和缆索横截面变形关系测试：在缆索上安装索夹和螺栓，分多级紧固力紧固索夹螺栓，并记录各级紧固力作用下两半索夹间隙宽度值，以紧固力和索夹间隙宽度值对应关系表征索夹紧固力作用下缆索横截面压缩变形行为(即刚度特征)。
63.步骤102：根据所述索夹紧固力作用下的缆索横截面刚性特征构建索夹和缆索数值模型。步骤102，具体包括：
64.构建弹性材料本构模型。
65.根据所述索夹紧固力作用下的缆索横截面刚性特征调整所述弹性材料本构模型的应力应变数据，得到索夹和缆索数值模型。
66.建立索夹和缆索紧固作用分析的数值模型，采用多线性弹性材料本构模型表征缆索的非线性横截面力学特性，调整数值材料的等效应力应变数据，拟合缆索的横截面变形行为，最终使数值模型中的索夹紧固力和缆索横截面变形关系与试验数据反映的力和变形关系趋于一致。
67.步骤103：根据所述索夹和缆索数值模型对螺栓进行紧固和优化，得到螺栓所需紧固遍数和螺栓所需紧固力。步骤103，具体包括：
68.按照设定紧固力对所述夹和缆索数值模型进行紧固，得到紧固遍数和各螺栓的剩余拉力。在实际应用中，按照设定紧固力对所述夹和缆索数值模型进行紧固，得到紧固遍数和各螺栓的剩余拉力具体包括，先设定每个螺栓的设定紧固力，再根据设定紧固力依次对各螺栓进行紧固，得到剩余拉力。
69.判断各所述螺栓的剩余拉力是否存在至少一个小于目标紧固力，得到第一判断结果。若所述第一判断结果表示是，则对所述紧固遍数加一，并返回步骤“按照设定紧固力对所述夹和缆索数值模型进行紧固，得到紧固遍数和各螺栓的剩余拉力”具体返回的步骤为设定每个螺栓的设定紧固力。若所述第一判断结果表示否，则判断各所述螺栓的剩余拉力是否大于设定拉力，得到第二判断结果；若所述第二判断结果表示是，则利用更新紧固力对所述螺栓的设定紧固力进行更新，并返回步骤“按照设定紧固力对所述夹和缆索数值模型进行紧固，得到紧固遍数和各螺栓的剩余拉力”，具体返回步骤为在根据设定紧固力依次对各螺栓进行紧固，得到剩余拉力；若所述第二判断结果为否，则根据所述设定紧固力和所述
紧固遍数确定螺栓所需紧固力，将所述紧固遍数确定为螺栓所需紧固遍数。
70.其中，所述更新紧固力的计算公式为：
71.f
cur
＝αf
t-iδf
72.其中，f
cur
为更新紧固力，α为超张律，f
t
为目标紧固力，i为倍数，δf为紧固力的最小调整量。
73.通过索夹螺栓群紧固过程仿真优化算法，确定最优索夹螺栓群紧固程序的全过程信息，包括螺栓所需的循环紧固遍数、每一遍紧固时各螺栓所需的特定紧固力值。
74.步骤104：根据所述螺栓所需紧固遍数和螺栓所需紧固力对安装在缆索上的索夹和螺栓进行紧固。根据上述的螺栓紧固程序，进行索夹螺栓群紧固施工。
75.本发明还提供与缆索用索夹螺栓群紧固施工优化方法对应的一种缆索用索夹螺栓群紧固施工优化系统，包括：
76.获取模块，用于获取索夹紧固力作用下的缆索横截面刚性特征。
77.构建模块，用于根据所述索夹紧固力作用下的缆索横截面刚性特征构建索夹和缆索数值模型。
78.紧固和优化模块，用于根据所述索夹和缆索数值模型对螺栓进行紧固和优化，得到螺栓所需紧固遍数和螺栓所需紧固力。
79.紧固模块，用于根据所述螺栓所需紧固遍数和所述螺栓所需紧固力对安装在缆索上的索夹和螺栓进行紧固。
80.作为一种可选的实施方式，所述获取模块，具体包括：
81.获取单元，用于根据安装在缆索上的索夹和螺栓进行索夹紧固力和缆索横截面变形关系试验，得到索夹紧固力作用下的缆索横截面刚性特征。
82.作为一种可选的实施方式，所述构建模块，具体包括：
83.构建单元，用于构建弹性材料本构模型。
84.调整单元，用于根据所述索夹紧固力作用下的缆索横截面刚性特征调整所述弹性材料本构模型的应力应变数据，得到索夹和缆索数值模型。
85.作为一种可选的实施方式，所述紧固和优化模块，具体包括：
86.紧固单元，用于按照设定紧固力对所述夹和缆索数值模型进行紧固，得到紧固遍数和各螺栓的剩余拉力。
87.第一判断单元，用于判断各所述螺栓的剩余拉力是否存在至少一个小于目标紧固力，得到第一判断结果。
88.返回单元，用于若所述第一判断结果表示是，则对所述紧固遍数加一，并返回步骤“按照设定紧固力对所述夹和缆索数值模型进行紧固，得到紧固遍数和各螺栓的剩余拉力”。
89.第二判断单元，用于若所述第一判断结果表示否，则判断各所述螺栓的剩余拉力是否大于设定拉力，得到第二判断结果。
90.更新单元，用于若所述第二判断结果表示是，则利用更新紧固力对所述螺栓的设定紧固力进行更新，并返回步骤“按照设定紧固力对所述夹和缆索数值模型进行紧固，得到紧固遍数和各螺栓的剩余拉力”。
91.确定单元，用于若所述第二判断结果为否，则根据所述设定紧固力和所述紧固遍
数确定螺栓所需紧固力，将所述紧固遍数确定为螺栓所需紧固遍数。
92.作为一种可选的实施方式，所述更新紧固力的计算公式为：
93.f
cur
＝αf
t-iδf
94.其中，f
cur
为更新紧固力，α为超张律，f
t
为目标紧固力，i为倍数，δf为紧固力的最小调整量。
95.本发明提供的缆索用索夹螺栓群紧固施工优化方法：在实际施工前通过过程仿真优化确定螺栓群所需的最少紧固遍数以及各螺栓所需的具体紧固力值，一方面能够保障紧固施工完毕时各螺栓的剩余紧固力满足设计要求，另一方面保障所采取的螺栓群紧固程序是效率最优的，不至于增加不必要的螺栓紧固遍数。由于技术、设备门槛和操作难度，现阶段螺栓紧固力的现场测量远未普及，因此在工程实践中，很难判断索夹螺栓紧固完毕后实际剩余的螺栓紧固力是否达到设计拉力，并满足均匀性的要求。施工单位难免不惜增加劳动成本，不断增加螺栓紧固遍数，以希望保证索夹螺栓紧固质量。如果未充分考虑“串扰效应”的不利影响，对螺栓群的紧固遍数过少，则剩余螺栓拉力必然小于设计拉力，造成结构隐患。本发明提供的方法能够解决工程中面临的此种两难境地。
96.本发明还提供一种缆索用索夹螺栓群紧固施工优化方法在实际应用中的具体工作方法，具体内容如下：
97.试验要求采用4只螺栓拉伸器张拉紧固缆索索夹的螺栓群，4只拉伸器由同一台液压泵加载，确保单次张拉控制拉力一致，螺栓紧固力由穿心式压力传感器测量，目标紧固力设为320kn。试验缆索索夹的局部三维示意图如图2所示。如图3所示，试验索夹有2列7排共14根螺栓，编号为l1～l7、r1～r7。螺栓群紧固按从索夹两边向中间顺序对称紧固的次序：(l1，r1，l7，r7)
→
(l2，r2，l6，r6)
→
(l3，r3，l5，r5)
→
(l4，r4)。要求采用本发明技术方案优化索夹螺栓群紧固程序的全过程信息，包括螺栓所需的最少循环紧固遍数、每一遍紧固时各螺栓所需的特定紧固力值。本发明可应用在悬索桥、建筑预应力弦支结构中使用的缆索用夹具的预应力高强度螺栓群的紧固施工方法优化。
98.本发明公开的技术方案实施步骤为：
99.(1)开展索夹紧固力和缆索横截面变形关系测试，具体是在缆索上安装索夹1和螺栓2，分多级紧固力紧固索夹螺栓2，并记录各级紧固力作用下两半索夹间隙宽度值3。为避免“串扰效应”影响，可选取螺栓数量较少的索夹作为试验索夹，采用全部螺栓同步紧固的方式分多级紧固力紧固螺栓，此时各级螺栓的紧固力可通过螺栓张拉液压值或螺栓的拉扭关系换算得到，不必一定通过专门设备测量螺栓紧固力，索夹间隙宽度值3可由游标卡尺精确测得，可在索夹体1不同位置均匀布置多个测点，测量各处间隙宽度值3后取平均。绘制如图4所示的螺栓紧固力和索夹间隙宽度值3的关系图，图4的横坐标为总螺栓紧固力，纵坐标“止口缝宽度”即取平均后的索夹间隙宽度值3。试验实测得到的5组索夹紧固力与两半索夹间隙宽度(止口缝宽度)关系数据4如图4所示。开展多组测试的目的是使试验结果具有一般代表性。
100.(2)建立如图5所示的索夹和缆索紧固作用分析的数值模型，数值模型与步骤(1)测试中的实际缆索和索夹的尺寸一致，其中缆索6采用多线性弹性材料本构模型模拟，调整如图6所示的缆索材料模型的等效应力应变曲线9点数值，直到模拟得到的索夹紧固力与两半索夹间隙宽度关系曲线5与实测得到的二者对应关系的变化趋势趋于一致，此时表明缆
索数值模型在螺栓紧固力作用下的横截面压缩变形特性与实际缆索一致，即缆索数值模型的非线性横向刚度特征与实际缆索一致，从而数值模型可有效仿真螺栓非同步紧固时的“串扰效应”。其中，图5中的7为索夹模型，8为索夹螺栓模型。
101.(3)采用如图7所示的索夹螺栓群紧固过程仿真优化算法，确定最优索夹螺栓群紧固程序的全过程信息。优化算法中，超张率α设定为1.1，螺栓剩余拉力的正误差率限值ζ设定为0.1，紧固力的最小调整量δf设定为10kn。仿真采用的数值模型为论文nonlinear interaction effect on main cable clamp bolts tightening in suspension bridge[j].journal of constructional steel research 2021,182:106663.中的。其中，剩余拉力fr也是通过其确定。
[0102]
第1遍紧固时，最后紧固的螺栓的紧固力f＝f
t
，f
t
为目标紧固力，其他螺栓的紧固力f＝αf
t
，α为超张率。求解完1遍紧固过程后输出各螺栓的剩余拉力fr并做判断，若有至少一个螺栓的fr＜f
t
则重复以上过程增加紧固遍数直到没有螺栓的fr＜f
t
。然后做第二层判断：各螺栓是否fr＞(1 ζ)f
t
，ζ为fr相对f
t
的正误差率限值，超过限值则认为拉力过大不满足均匀性要去，此时更新这个螺栓的紧固力为f
cur
＝αf
t-iδf，δf为紧固力的最小调整量，i为倍数，重新求解分析，直到所有螺栓剩余拉力均未超过限值，仿真分析结束。
[0103]
仿真优化结果如图8所示，横坐标“b1～b7”分别代表试验索夹1的1～7排螺栓，“p1～p3”分别代表第1～3遍螺栓紧固循环遍数，从图8中可见各排螺栓在各遍紧固循环中所需的“张拉值”10，最少需要3遍紧固循环才能使各螺栓剩余拉力满足目标要求。
[0104]
(4)按照步骤(3)确定的螺栓紧固程序，做索夹螺栓群紧固试验。试验张拉力与仿真确定的“张拉值”10一致。试验结果如图8所示，“锁付值”11与“张拉值”10相近，“剩余值-实测”12的变化规律、分布规律均与仿真结果“剩余值-fem”13的规律相近，表明模型仿真有效地反映了螺栓群非同步紧固的“串扰效应”。紧固过程结束时，最终实测螺栓剩余拉力值与仿真结果趋于一致，表明按照本发明技术方案步骤流程，实现了以最少的循环紧固遍数，使螺栓群达到满足正误差率限值要求的紧固力目标的目的。张拉值即通过仿真确定的各排螺栓在各次紧固循环中所需的紧固力值，试验采用的螺栓张拉力按该值控制，锁付值为旋紧螺母，释放张拉液压后螺栓实际获得的紧固力值，该值通常约等于张拉控制力值，剩余值-实测为试验中各次紧固循环结束时，各排螺栓的实测剩余紧固力值，剩余值-fem为仿真分析中各次紧固循环结束时，各排螺栓的剩余紧固力值。
[0105]
本发明实测获取索夹紧固力作用下的缆索横截面力学特性数据；采用多线性弹性材料本构模型的数值方法模拟主缆横截面刚度，调整主缆数值材料刚度以仿真拟合实测缆索横截面变形行为；通过索夹螺栓群紧固过程仿真优化算法确定索夹螺栓群紧固工艺参数。该方法采用的缆索横截面力学特性仿真方法能够较准确地模拟索夹螺栓紧固力施加过程中缆索横截面压缩变形行为，从而能够有效模拟出螺栓群非同步紧固的串扰效应。采用本发明提供的方法和系统可以确定索夹紧固所需的螺栓群最优紧固工艺参数，有利于保障索夹紧固质量并提高紧固施工效率，能够保障索夹螺栓群紧固施工质量，并节约劳动成本。
[0106]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0107]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。