一种用于部分斜拉桥中索鞍区域的应力计算方法

技术领域

本发明涉及桥梁工程技术领域，具体为一种用于部分斜拉桥中索鞍区域的应力计算方法。

背景技术

近年来，部分斜拉桥得到了较为广泛的推广，并以其独特的力学特性及美学价值成为了100～300m跨径之间极具竞争力的桥型之一。目前，国内外已建成部分斜拉桥的拉索体系多采用分丝管索鞍体系，分丝管的选材、构造、管件连接方式、几何排布均会影响到索鞍的传力效果及索塔的局部受力和配筋，直接决定主塔上索距和结构尺寸的合理性。

现行的桥梁规范尚没有关于用于部分斜拉桥分丝管的检验标准。现有技术中为了明确分丝管周边主塔混凝土的空间受力状况、保障索塔内局部区域配筋合理性，在进行设计时多采用空间有限元模型进行受力分析。对于分丝管处模拟，目前多采用将分丝管耦合成一个整体的模拟方法，但实际上，分丝管之间除外围满焊外，内部任意两根管之间均为段焊，分丝管之间并未形成整体，这种模拟方式不能考虑分丝管之间摩擦滑动后导致的应力重分布，同时整个拉索对混凝土的上缘产生了较大的拉应力，因此整体计算结果是不安全的。现有技术中另一种可能的计算方法是完全不考虑分丝管之间的段焊，计算时通过设置分丝管与分丝管之间的摩擦系数、分丝管与混凝土之间的摩擦系数来考虑分丝管与分丝管之间的相互作用，这种模拟方式能够很好的反应处分丝管与分丝管滑动后所带来的应力重分布，但这种计算方法的边界条件复杂，计算难以收敛，难以用于工程实际。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的用于部分斜拉桥中索鞍区域的应力计算方法，能够解决现有技术中应力计算不准确或不实用的问题，可以在付出较小的计算代价下，得到较为准确的计算结果。

具体地，本发明提供了一种用于部分斜拉桥中索鞍区域的应力计算方法，所述部分桥梁包括桥梁和立设在所述桥梁上的索塔，所述桥梁与所述索塔之间连接有多个分丝管，相邻的所述分丝管之间设置有第一弹簧单元，所述分丝管与所述索塔之间设置第二弹簧单元；

所述应力计算方法包括：

S1：根据索力及拉索的角度，确定每个所述分丝管道的第一下压力；

S2：获取所述分丝管的设计参数；

S3：根据所述分丝管的设计参数计算所述分丝管的轴向压缩刚度和切向刚度；

S4：根据所述轴向压缩刚度、所述切向刚度以及所述第一弹簧单元、所述第二弹簧单元的坐标建立有限元模型；

S5：在所述有限元模型中，施加所述第一下压力数值的1/1000，计算节点位移的结果；

S6：将步骤S4、S5重复1000次，对各节点的位移量进行累加，并根据节点位移量得到各分丝管对混凝土的第二下压力；

S7：将所述第二下压力施加到鞍座的实体有限元模型中，从而得到索鞍区域的应力分布。

可选地，步骤S2中获取所述设计参数的方式为在CAD软件中绘制分丝管构造、第一弹簧单元和第二弹簧单元，自动读取相应的所述设计参数。

可选地，所述设计参数至少包括所述分丝管的管道直径、管道壁厚和管道位置。

可选地，步骤S3中根据所述分丝管的设计参数先建立平面应变单元，并根据所述平面应变单元计算所述分丝管的轴向压缩刚度和切向刚度。

可选地，在步骤S4中的所述有限元模型中，所述第一弹簧单元、所述第二弹簧单元的初始轴向刚度、切向刚度均直接或间接采用步骤S3计算所得的数据。

可选地，所述第一弹簧单元的初始轴向刚度、切向刚度采用步骤S3计算所得的数据。

可选地，下半部的所述第二弹簧单元的初始轴向刚度、切向刚度采用步骤S3计算所得的数据。

可选地，上半部的所述第二弹簧单元的初始轴向刚度、切向刚度采用步骤S3计算所得数据的1/1000。

可选地，步骤S5包括：

按照所述第一弹簧单元和/或所述第二弹簧单元轴向受拉时，轴向刚度、切向刚度调整为原来的1/1000以及，所述第一弹簧单元和/或所述第二弹簧单元切向力大于0.5倍的轴向力时，切向刚度调整为原来的1/1000，轴向刚度不变调整各第一弹簧单元和/或第二弹簧单元单元的轴向刚度与切向刚度。

可选地，若步骤S5中计算之后存在不平衡力，则将所述不平衡力施加至所述有限元模型。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的应力计算方法中，由于采用非线性弹簧单元来模拟分丝管与分丝管之间、分丝管与混凝土之间的接触作用，求解速度快，物理概念清晰，易进行程序编制；通过编制的程序，设计人员只需在CAD软件中绘制分丝管的直径、壁厚、以及分丝管的坐标位置即可完成建模，极大提高了工作效率。

2、本发明提供的应力计算方法中，由于采用了预接触和显式求解方法，提高了求解的收敛速度。通过预先设定分丝管与分丝管之间、分丝管与混凝土之间的接触条件，并采用显式逐步累加的求解方法，收敛速度快。

3、进一步地，根据本发明提供的应力计算方法，设计人员可通过编制的程序，可根据求解到下压力计算结果及导入的几何信息自动生成ABAQUS的静力模型，设计人员无需重复建模，极大提高了工作效率。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的用于部分斜拉桥中索鞍区域的应力计算方法中部分斜拉桥的示意性结构图；

图2是根据本发明一个实施例的用于部分斜拉桥中索鞍区域的应力计算方法中桥梁沿第一方向的示意性截面图；

图3是图2中A部分的示意性放大图；

图4是根据本发明一个实施例的用于部分斜拉桥中索鞍区域的应力计算方法中桥梁沿第二方向的示意性截面图；

图5是根据本发明一个实施例的用于部分斜拉桥中索鞍区域的应力计算方法中分丝管的示意性截面图。

图中：100、桥墩，200、桥梁，300、索塔，310、索鞍，400、分丝管，510、第一弹簧单元，520、第二弹簧单元。

具体实施方式

下面参照图1至图5来描述本发明实施例的用于部分斜拉桥中索鞍区域的应力计算方法。在本实施例的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征，也即包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。当某个特征“包括或者包含”某个或某些其涵盖的特征时，除非另外特别地描述，这指示不排除其它特征和可以进一步包括其它特征。

除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”“耦合”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。本领域的普通技术人员，应该可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本实施例的描述中，第一特征在第二特征“之上”或“之下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。也即在本实施例的描述中，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”、或“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

图1是根据本发明一个实施例的用于部分斜拉桥中索鞍区域的应力计算方法中部分斜拉桥的示意性结构图，如图1所示，并参考图2至图5，本发明实施例提供了一种用于部分斜拉桥中索鞍区域的应力计算方法。其中部分斜拉桥包括间隔设置的桥墩100和固定在桥墩100上的桥梁200，桥梁200上竖直设置有索塔300。如图2至图4所示，索塔300固定具有多个贯穿其的索鞍310，每个索鞍310的两端均与多个分丝管400的一端连接，多个分丝管400的另一端与桥梁200连接。与桥梁200连接的分丝管400沿桥梁200延伸方向依次间隔设置。每个索鞍310与分丝管400连接处的分丝管400部分段紧邻设置。如图5所示，相邻的分丝管400之间设置有第一弹簧单元510，分丝管400与索塔300之间设置第二弹簧单元520；每个第一弹簧单元510均具有两个节点、四个自由度，使得分丝管400具有轴向刚度和切向刚度。轴向刚度用于模拟管道的压缩，切向刚度用于模拟管道的剪切变形。

在弹簧轴向受拉时，轴向刚度和切向刚度将设置为0，用于模拟管道之间不再相互接触；在弹簧提供的切向力大于最大静摩擦力时，切向刚度将设置为0，用于模拟管道之间相互滑动，与分丝管400接触的桥梁200或索塔300处的混凝土边界可建立多个节点，这些节点与相邻的分丝管400建立第二弹簧单元520，混凝土边界上的节点将完全固结，用于模拟混凝土鞍座。

应力计算方法包括：

S1：根据索力及拉索的角度，确定每个分丝管400道的第一下压力；

S2：在CAD软件中绘制如附图5所示的分丝管400构造和弹簧单元，通过编制程序自动读取分丝管400的设计参数，例如分丝管400的管道直径、管道壁厚、管道位置等。

S3：根据分丝管400的直径、壁厚，建立平面应变单元，进而计算管道的轴向压缩刚度和切向刚度；

S4：根据步骤S3中计算所得的轴向压缩刚度和切向刚度以及，步骤S1中绘制所得的第一弹簧单元510、第二弹簧单元520的位置，建立有限元模型。分丝管400之间的第一弹簧单元510的初始轴向刚度、切向刚度采用步骤S3中计算所得的刚度。下半部的分丝管400与混凝土之间的第二弹簧单元520的初始轴向刚度、切向刚度采用第二步计算所得的刚度，上半部的分丝管400与混凝土之间的第二弹簧单元520的初始轴向刚度、切向刚度采用第二步计算刚度的1/1000，从而建立初始化的杆系有限元模型；

S5：在有限元模型中，施加步骤S1中确定的分丝管400第一下压力的1/1000，并根据节点位移的计算结果，调整各第一弹簧单元510、第二弹簧单元520的刚度。具体地，按照单元轴向受拉时，轴向刚度、切向刚度调整为原来的1/1000；单元切向力大于0.5(分丝管400的摩擦系数)倍的轴向力时，切向刚度调整为原来的1/1000；轴向刚度不变，其余情况刚度不变的原则调整各单元的刚度。若上一次求解后有不平衡力，则将不平衡力施加到系统中，并对各节点的位移量进行累加。

S6：将步骤S4、S5重复1000次，对各节点的位移量进行累加，并根据节点位移量得到各分丝管400对混凝土的第二下压力；

S7：将第二下压力施加到鞍座的实体有限元模型中，从而得到索鞍310区域的应力分布。

与现有技术相比，本发明实施例采用特殊的非线性弹簧单元来模拟分丝管400与分丝管400之间、分丝管400与混凝土之间的接触作用，求解速度快，物理概念清晰，易进行程序编制；通过编制的程序，设计人员只需在CAD软件中绘制分丝管400的直径、壁厚、以及分丝管400的坐标位置即可完成建模，极大提高了工作效率。

由于本发明实施例采用了预接触和显式求解方法，提高了求解的收敛速度。通过预先设定分丝管400与分丝管400之间、分丝管400与混凝土之间的接触条件，并采用显式逐步累加的求解方法，收敛速度快。

根据本发明实施例，设计人员可通过编制的程序，可根据求解到下压力计算结果及导入的几何信息自动生成ABAQUS的静力模型，设计人员无需重复建模，极大提高了工作效率。

根据本发明实施例，设计人员只需将分丝管400的直径、壁厚、以及分丝管400的坐标位置输入系统，即可完成建模分析，因此可在付出较小的计算代价下，较为准确的分析分丝管400与分丝管400之间的相互作用，分析速度快，有利于提高工作效率。由于不需要进行复杂的接触设置及收敛性调整，极大提高了工作效率，分析结果可较好的指导配筋设计，使得索鞍310配筋不再盲目，具有较好的经济效益。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。