本发明专利技术公开了一种木拱廊桥主拱结构的设计方法和装置，基于木拱廊桥传统营造技艺及现代工程学理论，使用本发明专利技术提出的设计方法确定在一定跨度下木拱廊桥主拱结构矢跨比与三节苗截面直径及长度，根据几何关系确定上、下小牛头位置及五节苗截面直径及长度。该发明专利技术可经济、合理、可靠地设计主拱结构矢跨比、苗杆长度与截面直径。传统木拱廊桥营造技艺存在可靠性不强、依据有限、依赖匠人经验等问题；现有的基于匠作谱系家族传承的设计方法因匠作谱系不同设计理念各不相同，且存在设计流程复杂、未经过现代力学的科学性验证等问题，在实际工程应用中难以保证安全性与经济性。本发明专利技术与传统方法相比拥有更高的鲁棒性，更加经济环保可靠，可以便捷可靠地设计出木拱廊桥主拱结构。可以便捷可靠地设计出木拱廊桥主拱结构。可以便捷可靠地设计出木拱廊桥主拱结构。
【技术实现步骤摘要】
一种主拱结构的设计方法和装置
[0001]本专利技术涉及木结构拱桥设计领域，尤其涉及一种主拱结构的设计方法和装置。
技术介绍
[0002]目前在自然因素和人为因素的影响下已有万安桥、文兴桥等数座珍贵的木拱廊桥被损伤与破坏。自2003年以来，寿宁、景宁与泰顺等地为复原地区历史人文气息原貌，更好地保护和传承木拱廊桥，重拾文化信仰，带动旅游产业，有选择的开始修复和重建木拱廊桥。但掌握木拱廊桥传统营造技艺的工匠人因多种原因锐减，营造技艺面临失传风险，且木拱廊桥的传统营造技艺仅通过匠人家族的经验积累口口相传而来，结构设计安全性缺乏现代科学理论的验证，无法充分展示中国木拱廊桥作为世界文化遗产的核心价值。
[0003]因此，本专利技术结合传统营造技艺应用现代结构工程学理论，对木拱廊桥主拱结构开展设计。这个专利技术不仅是对木拱廊桥传统营造技艺的挖掘，也是保护目前遗存下的木拱廊桥的迫切需要，更是对木拱廊桥传统营造技艺的一种传承。本专利技术可以为将来木拱廊桥主拱结构重建设计、施工、修复加固等工程实际问题提供参考依据，具有较大的工程应用价值。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种主拱结构的设计方法和装置。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种主拱结构的设计方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1：根据交通、景观需求及岸基条件选取合适的桥址，并根据桥址处河流宽度确定主拱结构的净跨L；
[0007]所述主拱结构包含三节苗系统和五节苗系统，所述三节苗系统包括第一三节苗斜苗S1、三节苗平苗S2、第二三节苗斜苗S3，其中，第一三节苗斜苗S1、三节苗平苗S2和第二三节苗斜苗S3的长度相同；所述五节苗系统包括第一五节苗下斜苗W1、第一五节苗上斜苗W2、五节苗平苗W3、第二五节苗上斜苗W4、第二五节苗下斜苗W5，其中，第一五节苗下斜苗W1和第二五节苗下斜苗W5的长度相同，第一五节苗上斜苗W2和第二五节苗上斜苗W4的长度相同；
[0008]步骤2：设定初值矢跨比f1为0.17，计算第一三节苗斜苗S1、三节苗平苗S2和第二三节苗斜苗S3的长度和截面直径；
[0009]步骤3：计算三节苗平苗S2的跨中应力σ与矢跨比f的关系，取三节苗平苗S2的跨中应力最小时对应的矢跨比作为矢跨比f2；使用矢跨比f2重新计算第一三节苗斜苗S1、三节苗平苗S2和第二三节苗斜苗S3的长度；
[0010]步骤4：基于矢跨比f2及净跨L，计算第一五节苗下斜苗W1、第一五节苗上斜苗W2、五节苗平苗W3、第二五节苗上斜苗W4、第二五节苗下斜苗W5的长度和截面直径；
[0011]步骤5：根据步骤3求得的第一三节苗斜苗S1、三节苗平苗S2和第二三节苗斜苗S3的
与三节苗平苗S2交点处；
[0026]通过公式(2)
‑
公式(4)，得到三节苗平苗S2的跨中应力σ与矢跨比f的关系；
[0027]步骤3.2：基于步骤3.1确定的三节苗平苗S2的跨中应力σ与矢跨比f的关系，取三节苗平苗S2的跨中应力最小时对应的矢跨比作为矢跨比f2；使用矢跨比f2通过公式(1)重新计算第一三节苗斜苗S1、三节苗平苗S2和第二三节苗斜苗S3的长度，为l2。
[0028]进一步地，所述步骤4具体包括以下子步骤：
[0029]步骤4.1：基于矢跨比f2，求得θ2＝arcsin(H2/l2)，H2＝f2*L；以第一三节苗斜苗S1与水平面的交点为原点，纵桥向为x轴，竖桥向为y轴建立平面坐标系，确定第一三节苗斜苗S1与三节苗平苗S2的交点的坐标为(x3，y3)，其中，y3＝f2L；
[0030]步骤4.2：确定第一五节苗下斜苗W1与第一五节苗上斜苗W2的交点的坐标为(x6，y6)，其中，
[0031]式中，β为第一五节苗下斜苗W1与第一五节苗上斜苗W2的长度比，计算公式如下：
[0032][0033]随后确定第一五节苗下斜苗W1与竖直面的交点的坐标为(x5，y5)，其中，x5＝0，
[0034]再确定第一五节苗上斜苗W2与五节苗平苗W3的交点的坐标为(x8，y8)，其中，y8＝y3+h；其中，k为第一五节苗上斜苗W2的斜率，h为第一五节苗上斜苗W2与五节苗平苗W3的交点到第一三节苗斜苗S1的垂直距离，h＝L/80；
[0035]计算得到第一五节苗下斜苗W1和第二五节苗下斜苗W5的长度P1，
[0036]计算得到第一五节苗上斜苗W2和第二五节苗上斜苗W4的长度P2，
[0037]计算得到五节苗平苗W3的长度P3，P3＝L
‑
2x8；
[0038]步骤4.3：所述第一五节苗下斜苗W1和第二五节苗下斜苗W5的截面直径均为D3，所述第一五节苗上斜苗W2和第二五节苗上斜苗W4的截面直径均为D4，所述五节苗平苗W3的截面直径均为D5；设计第一五节苗下斜苗W1和第二五节苗下斜苗W5的截面直径D3不小于9.4P1+217，第一五节苗上斜苗W2和第二五节苗上斜苗W4的截面直径D4不小于11.5P2+183，以及五节苗平苗W3的截面直径D5不小于13.3P3+230。
[0039]本专利技术还提供了一种主拱结构的设计装置，包括一个或多个处理器，用于实现上述主拱结构的设计方法。
[0040]本专利技术还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，用于实现上述主拱结构的设计方法。
[0041]本专利技术的有益效果在于：
[0042](1)本专利技术中的矢跨比确定方法，能快速确定主拱结构矢跨比取值，在减小主拱结构建造耗材的同时，使主拱结构在相同荷载作用下三节苗平苗应力最小；
[0043](2)本专利技术中确定牛头坐标的方法，有利于主拱结构受力。此外用数学式表达主拱结构各节点间的关系，便于快速准确地计算出五节苗系统各苗杆长度；
[0044](3)本专利技术中的苗杆截面直径设计公式实现了苗杆构件截面的快速设计选取；
附图说明
[0045]图1为一种主拱结构的设计方法的流程图；
[0046]图2为主拱结构的示意图；
[0047]图3为三节苗系统的示意图；
[0048]图4为三节苗系统的力法求解弯矩图，其中，图4(a)为三节苗系统半结构示意图，图4(b)为单位力作用下结构静定基的弯矩图，图4(c)为原结构荷载作用在该结构静定基上的弯矩图；
[0049]图5为三节苗平苗S2的跨中应力σ与矢跨比f的关系图；
[0050]图6为主拱结构的有限元模型的示意图；
[0051]图7为一种主拱结构的设计装置的结构图。
具体实施方式
[0052]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加明白清楚，结合附图和实施例，对本专利技术进一步的详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，均在本专利技术保护范围。
[0053]本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种主拱结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据交通、景观需求及岸基条件选取合适的桥址，并根据桥址处河流宽度确定主拱结构的净跨L；所述主拱结构包含三节苗系统和五节苗系统，所述三节苗系统包括第一三节苗斜苗S1、三节苗平苗S2、第二三节苗斜苗S3，其中，第一三节苗斜苗S1、三节苗平苗S2和第二三节苗斜苗S3的长度相同；所述五节苗系统包括第一五节苗下斜苗W1、第一五节苗上斜苗W2、五节苗平苗W3、第二五节苗上斜苗W4、第二五节苗下斜苗W5，其中，第一五节苗下斜苗W1和第二五节苗下斜苗W5的长度相同，第一五节苗上斜苗W2和第二五节苗上斜苗W4的长度相同；步骤2：设定初值矢跨比f1为0.17，计算第一三节苗斜苗S1、三节苗平苗S2和第二三节苗斜苗S3的长度和截面直径；步骤3：计算三节苗平苗S2的跨中应力σ与矢跨比f的关系，取三节苗平苗S2的跨中应力最小时对应的矢跨比作为矢跨比f2；使用矢跨比f2重新计算第一三节苗斜苗S1、三节苗平苗S2和第二三节苗斜苗S3的长度；步骤4：基于矢跨比f2及净跨L，计算第一五节苗下斜苗W1、第一五节苗上斜苗W2、五节苗平苗W3、第二五节苗上斜苗W4、第二五节苗下斜苗W5的长度和截面直径；步骤5：根据步骤3求得的第一三节苗斜苗S1、三节苗平苗S2和第二三节苗斜苗S3的长度、步骤2求得的第一三节苗斜苗S1、三节苗平苗S2和第二三节苗斜苗S3的截面直径以及步骤4求得的第一五节苗下斜苗W1、第一五节苗上斜苗W2、五节苗平苗W3、第二五节苗上斜苗W4、第二五节苗下斜苗W5的长度和截面直径建立主拱结构的有限元模型，计算主拱结构所有杆件的应力及挠度，若主拱结构的部分杆件的应力或挠度超过《木结构设计标准》GB50005
‑
2017所规定的限值时，增大超限杆件的截面直径后再次计算主拱结构所有杆件的应力及挠度，直到主拱结构所有杆件的应力及挠度均小于规范限值。2.根据权利要求1所述的一种主拱结构的设计方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下子步骤：步骤2.1：设定主拱结构的初值矢跨比f1为0.17，利用公式(1)计算得到第一三节苗斜苗S1、三节苗平苗S2和第二三节苗斜苗S3的长度l1：步骤2.2：所述第一三节苗斜苗S1和第二三节苗斜苗S3的截面直径均为D1，所述三节苗平苗S2的截面直径为D2；设计第一三节苗斜苗S1和第二三节苗斜苗S3的截面直径不小于11.4l1+226，以及三节苗平苗S2的截面直径不小于10.8l1+211。3.根据权利要求2所述的一种主拱结构的设计方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下子步骤：步骤3.1：取三节苗系统的左半部作为力法基本体系，通过以下公式计算三节苗平苗S2的跨中应力σ：其中，M为三节苗平苗S2的跨中弯矩，计算公式如下：
其中，系数δ
11
的计算公式为自由项Δ
1P
的计算公式为其中，l为当矢跨比为f时第一三节苗斜苗S1、三节苗平苗S2和第二三节苗斜苗S3的长度；θ为当矢跨比为f时第一五节苗下斜苗W1与水平面的夹角以及第一三节苗斜苗...
【专利技术属性】
技术研发人员：王柏生，龙杰烨，叶灵鹏，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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