一种基于多状态同目标的斜拉索索长设计方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多状态同目标的斜拉索索长设计方法及系统，涉及桥梁设计技术领域，该方法包括S1：建立全桥空间有限元计算模型；S2：计算得到不同实际运营状态下的斜拉索无应力索长；S3：确定斜拉索张拉端、固定端的标准锚杯调节量参数；S4：计算得到从理论施工合龙目标状态至理论成桥目标状态，对应的施工阶段斜拉索的调节量；S5：计算得到从理论成桥目标状态至各实际运营状态，对应的运营阶段斜拉索的最大调节量；S6：设计斜拉索张拉端锚杯长度；S7：计算出施工合龙目标状态、不同实际运营状态下张拉端锚杯外露量。本发明专利技术解决了按单一状态设计斜拉索参数而导致索长调节能力不足的问题。的问题。的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多状态同目标的斜拉索索长设计方法及系统


[0001]本专利技术涉及桥梁设计
，具体涉及一种基于多状态同目标的斜拉索索长设计方法及系统。

技术介绍

[0002]斜拉桥是以斜拉索连接索塔和主梁作为桥跨结构的桥，主梁可以看做是支承在斜拉索上的弹性连续梁，在确定荷载的平衡状态下，主梁桥面线形与斜拉索索长是对应的，即主梁桥面线形、主梁荷载状态及斜拉索索长三者之间是相互关联的，主梁荷载状态和斜拉索索长是外因，主梁桥面线形是作用结果，那么荷载状态发生变化时，则需通过调整斜拉索索长来确保主梁桥面线形处于设计位置，保证行车的平顺性。因此，斜拉桥设计时需明确主梁自重及二期恒载，以桥面线形处于设计位置为目标来确定斜拉索索长，目前斜拉桥斜拉索索长均是按照该方法设计的。但在实践过程中，因主梁设计荷载与实施荷载有一定差别、主梁制造及安装误差、混凝土收缩及徐变等因素，导致主梁成桥桥面线形与设计位置有差异，当斜拉索索长调节量不足时，导致行车平顺性较差或采取桥面铺装调整等措施按主梁实际成桥线形进行微调拟合，工序繁琐、影响桥梁按时开通。
[0003]根据斜拉索桥热挤聚乙烯高强钢丝拉索技术条件标准的要求，斜拉索成品索由索体、锚具(锚杯、锚圈、连接筒)等部件组成，制索厂家根据该标准将斜拉索索长可调节构造段即锚杯长度进行了标准化，即跨度100m与1000m斜拉桥的斜拉索锚固段长度是相同的，在理论上是可行的。但随着交通建设的发展，公路斜拉桥跨度已经由400m左右跃升至1000m级，当主梁设计与实施荷载差异、制造及安装误差、混凝土收缩及徐变等因素对主梁成桥线形的影响随跨度增大而更加显著，亟需在斜拉索索长设计时从源头解决。
[0004]随着我国高速铁路已进入快速发展阶段，与此同时，一批高速铁路大跨度斜拉桥相继建成投入运营，跨度由开始时的504m迅速发展到1092m，取得了举世瞩目的成就，但铁路斜拉桥的桥面线形除存在与公路斜拉桥同样的影响因素外，多线有砟铁路还存在铁路预留线与高铁整幅布置而轨道系统分期建设开通、道砟离散性大(以四线纯铁路斜拉桥为例，道砟随着运营维护不断加砟捣固密实，道砟容重从17kN/m3至21kN/m3范围引起二恒重量变化约6％)的特点，加剧了铁路大跨斜拉桥桥面线形控制的难度，导致成桥桥面线形往往与设计位置不一致，不得以通过斜拉桥两端若干长度范围内的高铁轨道系统缓慢渐变拟合调整运营轨道线形，造成极大的时间与经济的浪费，而且预留线轨道系统安装后还需再次大范围对高铁轨道系统拟合调整。另外，铁路斜拉桥轨道系统及桥面系组成的二期恒载与成桥恒载相比较公路斜拉桥大(主梁二期恒载/(主梁自重+二期恒载)：公路斜拉桥占比一般不超过20％，铁路钢箱梁斜拉桥占比可达62％)，因此铁路大跨斜拉桥施工中常有因斜拉索安装阶段索力较小、索长短而安装困难，如被动采用临时接长杆连接，又有一定施工安全风险。
[0005]如果斜拉索索长设计阶段能充分考虑各个可能的荷载状态、主梁制造及安装误差、混凝土收缩及徐变、斜拉索安装阶段索力小及索长短等因素，那么经斜拉索索长调整完
全可以使主梁成桥线形准确回到设计线形。但当前却缺乏有效的斜拉索索长设计方法。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于多状态同目标的斜拉索索长设计方法及系统，解决了按单一状态设计斜拉索参数而导致索长调节能力不足的问题。
[0007]为达到以上目的，本专利技术提供一种基于多状态同目标的斜拉索索长设计方法，具体包括以下步骤：
[0008]S1：建立全桥空间有限元计算模型，并确定桥梁设计状态下的理论成桥目标状态和施工合龙目标状态，并计算得到对应的斜拉索无应力索长；
[0009]S2：根据桥梁的多种实际运营状态，采用全桥空间有限元计算模型模拟，均以所述理论成桥目标状态的线形为同目标，控制大桥线形，检算大桥的承载力，并计算得到不同实际运营状态下的斜拉索无应力索长；
[0010]S3：基于所述理论成桥目标状态下的斜拉索参数，按规范选择斜拉索标准产品，确定斜拉索张拉端、固定端的标准锚杯调节量参数；
[0011]S4：基于无应力状态控制法，计算得到从理论施工合龙目标状态至理论成桥目标状态，对应的施工阶段斜拉索的调节量；
[0012]S5：基于无应力状态控制法，计算得到从理论成桥目标状态至各实际运营状态，对应的运营阶段斜拉索的最大调节量；
[0013]S6：根据计算得到的施工阶段斜拉索的调节量和运营阶段斜拉索的最大调节量，设计斜拉索张拉端锚杯长度；
[0014]S7：基于无应力状态控制法，结合斜拉索实际制造偏差和实际锚点施工偏差，修正固定端锚杯外露量，同时计算出施工合龙目标状态、不同实际运营状态下张拉端锚杯外露量，指导现场斜拉索张拉作业，达到成桥同目标线形控制。
[0015]在上述技术方案的基础上，所述计算得到对应的斜拉索无应力索长，具体步骤包括：
[0016]基于无应力状态控制法的施工控制理论，根据斜拉索索力、斜拉索重量、弹性模量参数和塔梁端实际锚点坐标参数，结合悬链线经典公式计算得到理论成桥目标状态下的无应力索长，以及理论施工合龙目标状态下的无应力索长。
[0017]在上述技术方案的基础上，
[0018]所述实际运营状态包括第一实际运营状态、第二实际运营状态、第三实际运营状态和其它实际运营状态，所述同目标指多种实际运营状态下的成桥线形均为设计线形；
[0019]所述第一实际运营状态为运营初期，且此时道砟容重为17KN/m3，多线铁路均开通；
[0020]所述第二实际运营状态下道砟容重为17KN/m3，部分铁路线未开通，且相应的道砟或轨道结构暂未安装，桥梁偏载受力，控制主梁上下游侧线形一致，受力差异导致上下侧斜拉索索力不同；
[0021]所述第三实际运营状态为基于第一实际运营状态运营多年之后，调索解决主梁跨中收缩徐变下挠；
[0022]所述其它实际运营状态为第一实际运营状态、第二实际运营状态和第三实际运营状态外的其他可能运营状态。
[0023]在上述技术方案的基础上，所述基于所述理论成桥目标状态下的斜拉索参数，按规范选择斜拉索标准产品，确定斜拉索张拉端、固定端的标准锚杯调节量参数，具体步骤包括：
[0024]基于确定的理论成桥目标状态，按规范选择斜拉索标准产品，确定标准固定端、张拉端锚杯调节量参数范围：
[0025]施工状态固定端锚杯外露量：h1≤w1≤S1‑
H
q
‑
50
[0026]施工状态张拉端锚杯外露量：50≤w2≤S2‑
H
q
‑
50
[0027]运营状态张拉端锚杯外露量：h2≤w2≤S2‑
H
q
‑
50
[0028]其中，w1表示施工状态控制固定端锚杯的外露量，w2表示施工、运营状态控制张拉端锚杯的外露量，S1表示固定端锚杯长度，S2表示张拉端锚杯长度，H
q
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多状态同目标的斜拉索索长设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S1：建立全桥空间有限元计算模型，并确定桥梁设计状态下的理论成桥目标状态和施工合龙目标状态，并计算得到对应的斜拉索无应力索长；S2：根据桥梁的多种实际运营状态，采用全桥空间有限元计算模型模拟，均以所述理论成桥目标状态的线形为同目标，控制大桥线形，检算大桥的承载力，并计算得到不同实际运营状态下的斜拉索无应力索长；S3：基于所述理论成桥目标状态下的斜拉索参数，按规范选择斜拉索标准产品，确定斜拉索张拉端、固定端的标准锚杯调节量参数；S4：基于无应力状态控制法，计算得到从理论施工合龙目标状态至理论成桥目标状态，对应的施工阶段斜拉索的调节量；S5：基于无应力状态控制法，计算得到从理论成桥目标状态至各实际运营状态，对应的运营阶段斜拉索的最大调节量；S6：根据计算得到的施工阶段斜拉索的调节量和运营阶段斜拉索的最大调节量，设计斜拉索张拉端锚杯长度；S7：基于无应力状态控制法，结合斜拉索实际制造偏差和实际锚点施工偏差，修正固定端锚杯外露量，同时计算出施工合龙目标状态、不同实际运营状态下张拉端锚杯外露量，指导现场斜拉索张拉作业，达到成桥同目标线形控制。2.如权利要求1所述的一种基于多状态同目标的斜拉索索长设计方法，其特征在于，所述计算得到对应的斜拉索无应力索长，具体步骤包括：基于无应力状态控制法的施工控制理论，根据斜拉索索力、斜拉索重量、弹性模量参数和塔梁端实际锚点坐标参数，结合悬链线经典公式计算得到理论成桥目标状态下的无应力索长，以及理论施工合龙目标状态下的无应力索长。3.如权利要求2所述的一种基于多状态同目标的斜拉索索长设计方法，其特征在于：所述实际运营状态包括第一实际运营状态、第二实际运营状态、第三实际运营状态和其它实际运营状态，所述同目标指多种实际运营状态下的成桥线形均为设计线形；所述第一实际运营状态为运营初期，且此时道砟容重为17KN/m3，多线铁路均开通；所述第二实际运营状态下道砟容重为17KN/m3，部分铁路线未开通，且相应的道砟或轨道结构暂未安装，桥梁偏载受力，控制主梁上下游侧线形一致，受力差异导致上下侧斜拉索索力不同；所述第三实际运营状态为基于第一实际运营状态运营多年之后，调索解决主梁跨中收缩徐变下挠；所述其它实际运营状态为第一实际运营状态、第二实际运营状态和第三实际运营状态外的其他可能运营状态。4.如权利要求3所述的一种基于多状态同目标的斜拉索索长设计方法，其特征在于，所述基于所述理论成桥目标状态下的斜拉索参数，按规范选择斜拉索标准产品，确定斜拉索张拉端、固定端的标准锚杯调节量参数，具体步骤包括：基于确定的理论成桥目标状态，按规范选择斜拉索标准产品，确定标准固定端、张拉端锚杯调节量参数范围：施工状态固定端锚杯外露量：h1≤w1≤S1‑
H
q
‑
50
施工状态张拉端锚杯外露量：50≤w2≤S2‑
H
q
‑
50运营状态张拉端锚杯外露量：h2≤w2≤S2‑
H
q
‑
50其中，w1表示施工状态控制固定端锚杯的外露量，w2表示施工、运营状态控制张拉端锚杯的外露量，S1表示固定端锚杯长度，S2表示张拉端锚杯长度，H
q
表示锚圈长度，h1表示固定端锚杯空心段长度，h2表示张拉端锚杯空心段长度；根据确定的理论成桥目标状态，推算得到施工状态下标准张拉端锚杯可提供的调索能力：力：其中，D
1b
表示施工状态标准张拉端锚杯可提供的最大拔索量，D
1f
表示施工状态标准张拉端锚杯可提供的最大放索量；根据确定的理论成桥目标状态，推算得到运营状态张拉端锚杯可提供的调索能力：根据确定的理论成桥目标状态，推算得到运营状态张拉端锚杯可提供的调索能力：其中，D
0b
表示运营状态标准张拉端锚杯可提供的最大拔索量，D
0f
表示运营状态标准张拉端锚杯可提供的最大放索量。5.如权利要求4所述的一种基于多状态同目标的斜拉索索长设计方法，其特征在于，所述计算得到从理论施工合龙目标状态至理论成桥目标状态，对应的施工阶段斜拉索的调节量，具体步骤包括：计算得到施工过程中，实际需要的张拉端锚杯拔索量和放索量，具体的计算公式为：Δ
1b
＝L0‑
min(L0,L1)Δ
1f
＝max(L0,L1)
‑
L0其中，Δ
1b
表示施工过程中实际需要的张拉端锚杯拔索量，Δ
1f
表示施工过程中实际需要的张拉端锚杯放索量，L0表示理论成桥目标状态下的无应力索长，L1表示施工合龙目标状态下的无应力索长，min表示最小值计算函数，max表示最大值计算函数。6.如权利要求5所述的一种基于多状态同目标的斜拉索索长设计方法，其特征在于：当施工过程中需要的张拉端锚杯拔索量超过施工状态标准张拉端锚杯可提供的最大拔索量，或需要的张拉端锚杯放索量超过施工状态标准张拉端锚杯可提供的最大放索量时，则对张拉端锚杯进行加长设计；当施工过程中需要的张拉端锚杯拔索量超过施工状态标准张拉端锚杯可提供的最大拔索量时，张拉端锚杯的反向加长值C
1b
＝max(0,Δ
1b
‑
D
1b
)；当施工过程中实际需要的张拉端锚杯放索量超过施工状态标准张拉端锚杯可提供的最大放索量时，张拉端锚杯的正向加长值C
1f
＝max(0,Δ
1f
‑
D
1f
)。
7.如权利要求6所述的一种基于多状态同目标的斜拉索索长设计方法，其特征在于：所述基于无应力状态控制法，计算得到从理论成桥目标状态至各实际运营状态，对应的运营阶段斜拉索的最大调节量，具体步骤包括：基于无应力状态控制法，并根据不同实际运营状态下的无应力索长，计算得到运营过程中，实际需要的张拉端锚杯最大拔索量和最大放索量：Δ
0b
＝L0‑
min(L0,L2,L3,L4)Δ
0f
＝max(L0,L2,L3,L4)
‑
L0其中，Δ
0b

【专利技术属性】
技术研发人员：李江刚，石建华，张巨生，宁伯伟，李世文，王帆，梅曙辉，胡秋贵，邓文，李明，
申请(专利权)人：中铁大桥勘测设计院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：