大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法、系统及介质技术方案

本发明专利技术属于桥梁工程技术领域，公开了一种大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法、系统及介质，所述大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法包括：以半漂浮体系斜拉桥为对象，分析车辆冲击力作用在跨中位置，将斜拉索与主梁均视为一维结构，获取斜拉索的纵波的波速计算公式以及主梁的纵波、弯曲波、剪切波的波速计算公式；构建车辆冲击力的计算模型，对具有两对斜拉索的结构进行分析，计算车辆冲击力在结构体系中的最短传力时间及相应的路径、最大响应的传力时间及相应的路径，并对斜拉桥结构体系的传力时间进行参数分析。本发明专利技术以常见的半漂浮体系斜拉桥为分析对象，该方法对大跨度斜拉桥构件参数的设计及结构体系受力机理的掌握具有重要的参考价值。具有重要的参考价值。具有重要的参考价值。

Analysis method, system and medium of force transmission time of long-span cable-stayed bridge structural system

【技术实现步骤摘要】
大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法、系统及介质


[0001]本专利技术属于桥梁工程
，尤其涉及一种大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法、系统及介质。

技术介绍

[0002]目前，车辆冲击力作用下的桥梁结构响应是桥梁工程领域的重要问题。迄今为止，绝大部分研究工作集中于整体动力学响应，难以认识结构体系的受力本质及局部构件的破坏机理。然而实际工程中，局部构件的破坏通常是由传力过程中的应力叠加效应造成的，这涉及到结构体系中应力波传播问题，需要从波动力学的角度计算传力时间，进而为结构体系的参数设计提供参考。斜拉桥是大跨度桥梁中最为常见的结构形式，其跨度可以达到几百米，乃至一千米以上，而且斜拉桥结构体系比较复杂，在车辆冲击力作用下，结构体系中各个位置响应的延时效应比较明显，因此，要掌握大跨度斜拉桥结构体系的受力特点，必须弄清楚车辆冲击力的传力时间。
[0003]但是，现有大跨度斜拉桥结构体系中车辆冲击力传力时间的分析方法复杂，无法实现对斜拉索结构的分析，无法计算与说明车辆冲击力在结构体系中的最短传力时间及相应的路径、最大响应的传力时间及相应的路径。因此，亟需设计一种新的大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法、系统及介质。
[0004]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有大跨度斜拉桥结构体系中尚未有涉及到车辆冲击力传力时间的分析方法，无法实现对斜拉索结构的分析，无法计算与说明车辆冲击力在结构体系中的最短传力时间及相应的路径、最大响应的传力时间及相应的路径，对于斜拉桥结构体系传力时间的分析，尚未有人进行研究。由此可见，工程中难以从根本上认识大跨度斜拉桥结构体系的受力本质以及局部构件的破坏机理，这也是目前结构设计中的难题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法、系统及介质。
[0006]本专利技术是这样实现的，一种大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法，所述大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法包括：
[0007]以半漂浮体系斜拉桥为对象，分析车辆冲击力作用在跨中位置，将斜拉索与主梁均视为一维结构，获取斜拉索的纵波的波速计算公式以及主梁的纵波、弯曲波、剪切波的波速计算公式；
[0008]构建车辆冲击力的计算模型，对具有两对斜拉索的结构进行分析，计算车辆冲击力在结构体系中的最短传力时间及相应的路径、最大响应的传力时间及相应的路径，并对斜拉桥结构体系的传力时间进行参数分析。
[0009]进一步，所述大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法包括以下步骤：
[0010]步骤一，确定结构模型与参数；
[0011]步骤二，确定车辆冲击力的计算模型；
[0012]步骤三，计算传力时间。
[0013]进一步，所述步骤一中的确定结构模型与参数包括：
[0014]对于斜拉桥，主塔截面尺寸较大，斜拉索在主塔上的锚固点近似于固定边界条件，故外荷载在结构中以应力波的形式经主梁和斜拉索两种路径传至支承边界。在斜拉桥中，应力波的种类包括纵波、剪切波与弯曲波，车辆运行产生的冲击力将以剪切波与弯曲波的形式在主梁内传播，传至斜拉索与主梁的连接点时，将发生透射及反射，斜拉索中的透射波将以纵波的形式继续传播，而主梁中的透射波将分别以纵波、剪切波与弯曲波的形式继续传播。以半漂浮体系斜拉桥为对象，分析车辆冲击力作用在跨中O点处，假设主梁为等截面，并取主塔两侧各两对斜拉索的结构进行分析。
[0015]车辆冲击力P(t)位于主跨跨中时的传力路径中，P(t)为车辆冲击力；S1为边跨1号斜拉索，S2为边跨2号斜拉索，M1为主跨1号斜拉索，M2为主跨2号斜拉索；A为边跨边墩支承点，B为S1斜拉索在主梁处的锚固点，C为S2斜拉索在主梁处的锚固点，D为主梁在辅助墩处的支承点，E为主梁在主塔与主墩连接处的支承点，F为M2斜拉索在主梁处的锚固点，G为M1斜拉索在主梁处的锚固点，H为S1与M1斜拉索在主塔处的锚固点，I为S2与M2斜拉索在主塔处的锚固点，O为主跨跨中点；L1、L2、L3分别为EF段、FG段、GO段长度；w
‑
、v
‑
、u
‑
分别为主梁中的左行弯曲波、左行剪切波、左行纵波；u1、u2分别为M1斜拉索、M2斜拉索中的纵波，M1、M2斜拉索的长度分别为L
M1
、L
M2
。
[0016]斜拉索与主梁均为一维结构，斜拉索中的纵波波速为：
[0017][0018]式中，E
c
是斜拉索的弹性模量；ρ
c
是斜拉索的密度。
[0019]主梁中的纵波波速为：
[0020][0021]式中，E
b
是主梁的弹性模量；ρ
b
是主梁的密度。
[0022]主梁中的剪切波波速为：
[0023][0024]式中，G
b
是梁的剪切模量；ρ
b
是梁的密度。
[0025]主梁中的弯曲波波速为：
[0026][0027]式中，是主梁截面对中性轴的回转半径，其中I
b
、A0分别是主梁的截面惯性矩和截面面积；λ是弯曲波波长。
[0028]基于主梁中的剪切波波速和主梁中的弯曲波波速的公式，主梁中的剪切波与弯曲波波速由主梁的结构、材料参数以及冲击荷载参数决定。
[0029]进一步，所述步骤二中的确定车辆冲击力的计算模型包括：
[0030]车辆产生的冲击力P(t)源于路面不平整，用以下形式表示：
[0031]P(t)＝K(y
‑
y
t
)；
[0032]式中，K是车轮弹簧的等效刚度系数；y是车轮的垂直位移；y
t
是路面不平整函数，用正弦波形式表示如下：
[0033][0034]式中，d表示路面不平整函数的幅值；v表示行车速度；λ
P
表示正弦波的波长；t表示行车时间。
[0035]车辆冲击力P(t)的持续时间为：
[0036][0037]进一步，所述步骤三中的计算传力时间包括：
[0038]斜拉桥属于高次超静定结构，应力波传递至截面特性变化位置均发生透射与反射现象，故外荷载在斜拉桥结构体系内将有成千上万个传递路径；基于斜拉桥，计算车辆冲击力的最短传力时间及最大响应的传力时间。
[0039]进一步，所述最短传力时间的计算包括：
[0040]由于纵波的波速最快，因而在所有传力路径中，纵波的传力时间最短。对于斜拉桥，车辆冲击力P(t)作用下，将产生弯曲波与剪切波，传播至索
‑
梁连接点G时，将在斜拉索中产生透射纵波，在主梁中产生透射纵波、弯曲波与剪切波，而主梁中的透射纵波波速最快，故P(t)传至边界支承处的最短传力时间将在以下三种传力路径中产生。
[0041]路径一：P(t)在O点产生的初始弯曲波w
‑
或剪切波v
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法，其特征在于，所述大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法包括：以半漂浮体系斜拉桥为对象，分析车辆冲击力作用在跨中位置，将斜拉索与主梁均视为一维结构，获取斜拉索的纵波的波速计算公式以及主梁的纵波、弯曲波、剪切波的波速计算公式；构建车辆冲击力的计算模型，对具有两对斜拉索的结构进行分析，计算车辆冲击力在结构体系中的最短传力时间及相应的路径、最大响应的传力时间及相应的路径，并对斜拉桥结构体系的传力时间进行参数分析。2.如权利要求1所述的大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法，其特征在于，所述大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法包括以下步骤：步骤一，确定结构模型与参数；步骤二，确定车辆冲击力的计算模型；步骤三，计算传力时间。3.如权利要求2所述的大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法，其特征在于，所述步骤一中的确定结构模型与参数包括：对于斜拉桥，主塔截面尺寸较大，斜拉索在主塔上的锚固点近似于固定边界条件，故外荷载在结构中以应力波的形式经主梁和斜拉索两种路径传至支承边界；在斜拉桥中，应力波的种类包括纵波、剪切波与弯曲波，车辆运行产生的冲击力将以剪切波与弯曲波的形式在主梁内传播，传至斜拉索与主梁的连接点时，将发生透射及反射，斜拉索中的透射波将以纵波的形式继续传播，而主梁中的透射波将分别以纵波、剪切波与弯曲波的形式继续传播；以半漂浮体系斜拉桥为对象，分析车辆冲击力作用在跨中O点处，假设主梁为等截面，并取主塔两侧各两对斜拉索的结构进行分析；车辆冲击力P(t)位于主跨跨中时的传力路径中，P(t)为车辆冲击力；S1为边跨1号斜拉索，S2为边跨2号斜拉索，M1为主跨1号斜拉索，M2为主跨2号斜拉索；A为边跨边墩支承点，B为S1斜拉索在主梁处的锚固点，C为S2斜拉索在主梁处的锚固点，D为主梁在辅助墩处的支承点，E为主梁在主塔与主墩连接处的支承点，F为M2斜拉索在主梁处的锚固点，G为M1斜拉索在主梁处的锚固点，H为S1与M1斜拉索在主塔处的锚固点，I为S2与M2斜拉索在主塔处的锚固点，O为主跨跨中点；L1、L2、L3分别为EF段、FG段、GO段长度；w
‑
、v
‑
、u
‑
分别为主梁中的左行弯曲波、左行剪切波、左行纵波；u1、u2分别为M1斜拉索、M2斜拉索中的纵波，M1、M2斜拉索的长度分别为L
M1
、L
M2
；斜拉索与主梁均为一维结构，斜拉索中的纵波波速为：式中，E
c
是斜拉索的弹性模量；ρ
c
是斜拉索的密度；主梁中的纵波波速为：
式中，E
b
是主梁的弹性模量；ρ
b
是主梁的密度；主梁中的剪切波波速为：式中，G
b
是梁的剪切模量；ρ
b
是梁的密度；主梁中的弯曲波波速为：式中，是主梁截面对中性轴的回转半径，其中I
b
、A0分别是主梁的截面惯性矩和截面面积；λ是弯曲波波长；基于主梁中的剪切波波速和主梁中的弯曲波波速的公式，主梁中的剪切波与弯曲波波速由主梁的结构、材料参数以及冲击荷载参数决定。4.如权利要求2所述的大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法，其特征在于，所述步骤二中的确定车辆冲击力的计算模型包括：车辆产生的冲击力P(t)源于路面不平整，用以下形式表示：P(t)＝K(y
‑
y
t
)；式中，K是车轮弹簧的等效刚度系数；y是车轮的垂直位移；yt是路面不平整函数，用正弦波形式表示如下：式中，d表示路面不平整函数的幅值；v表示行车速度；λ
P
表示正弦波的波长；t表示行车时间；车辆冲击力P(t)的持续时间为：5.如权利要求2所述的大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法，其特征在于，所述步骤三中的计算传力时间包括：斜拉桥属于高次超静定结构，应力波传递至截面特性变化位置均发生透射与反射现象，故外荷载在斜拉桥结构体系内将有成千上万个传递路径；基于斜拉桥，计算车辆冲击力的最短传力时间及最大响应的传力时间。6.如权利要求5所述的大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法，其特征在于，所述最短传力时间的计算包括：由于纵波的波速最快，因而在所有传力路径中，纵波的传力时间最短；对于斜拉桥，车辆冲击力P(t)作用下，将产生弯曲波与剪切波，传...

【专利技术属性】
技术研发人员：马牛静，王荣辉，黄继荣，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：