一种钢管混凝土拱桥悬臂拼装位移计算方法

技术领域

本发明涉及钢管混凝土拱桥技术领域，特别是一种钢管混凝土拱桥悬臂拼装位移计算方法。

背景技术

目前，钢管混凝土拱桥多采用斜拉扣挂法进行施工，即事先预制拱肋节段，再利用缆索扣挂系统进行悬臂拼装，拼装时需要沿着已经安装的拱肋节段的切线方向进行连接，这样才能实现各节段之间无缝拼接，否则无法保证两相邻节段之间的相对转角位移。

但是，目前最常采用的基于影响矩阵的各类优化算法在施工阶段的只考虑了扣索对已安装拱肋节段的影响，未考虑已安装拱肋节段位移对后续拱肋节段安装位置的影响。当已安装节段发生位移时，后续节段安装位置的变化会随着悬臂长度的增加不断增大，首节段的微小位移就会引起末节段的安装位置发生巨大改变。在实际施工中，对于分段数量较多的钢管混凝土拱桥，采用不考虑切线拼装的影响矩阵法计算时，末节段的扣索索力将会变得十分巨大，钢绞线的配束被迫增多，不仅降低了桥梁的经济效益，同时，过大的索力也会引起安全性方面的问题。因此，需要考虑切线位移拼装对拱肋线形的影响。

目前考虑切线位移拼装对施工阶段拱肋线形影响，主要方法可以分为两大类，一是利用有限元软件Midas/civil进行计算，二是利用几何关系进行理论推导。第一种方法不具备开源特性，且无法批量进行多个模型的计算，在分析复杂工况时往往具有较大的局限性。第二种方法计算量大，当涉及三维空间时，计算量会更大；此外，合龙前两侧位移方向需要预判，可能会出现奇异。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在现有钢管混凝土拱桥考虑切线位移拼装对施工阶段拱肋线形的影响包括利用有限元软件Midas/civil进行计算和利用几何关系进行理论推导，前者不具备开源特性，且无法批量进行多个模型的计算，在分析复杂工况时往往具有较大的局限性，后者计算量大，当涉及三维空间时，计算量会更大，合龙前两侧位移方向需要预判，可能会出现奇异的问题，提供一种钢管混凝土拱桥悬臂拼装位移计算方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种钢管混凝土拱桥悬臂拼装位移计算方法，包括以下步骤：

将建立结构模型所需的第一信息导入Python编程软件；

根据钢管混凝土拱桥悬臂拼装的施工阶段，利用Python的开源库OpenSeesPy建立各个施工阶段的有限元分析模型，计算出各拱肋节段的当前节段位移U-cur(i)，并保存当前拱肋节段的第二信息；

利用当前拱肋节段的第二信息建立当前拱肋节段的虚梁模型，并在与上一拱肋节段共节点处施加节点位移U-total(i-1)，U-total(i-1)是上一拱肋节段的实际位移，能够计算出当前拱肋节段的初始切线位移U-tan(i)；

将当前拱肋节段的当前节段位移U-cur(i)加上初始切线位移U-tan(i)得出当前拱肋节段的实际位移U-total(i)；

其中，i≥1，且是整数，U-total(1)＝U-cur(1)。

现有的利用有限元软件Midas/civil进行计算的方式，由于其不具备开源特性，因此使用者并不知道其是如何运行的，不知道其是如何计算出切线位移的；且其无法批量进行多个模型的计算，在分析复杂工况时往往具有较大的局限性。

采用本发明所述的一种钢管混凝土拱桥悬臂拼装位移计算方法，利用Python调用OpenSeesPy库考虑了钢管混凝土拱桥初始切线位移对拱肋线形影响的计算方法，该方法能用代码实现全过程计算，不仅能计算出拱肋节段的实际位移，还能单独计算出拱肋节段的初始切线位移，同时，还可以批量计算多个模型，数据可直接导入导出，十分便捷；在计算初始切线位移时，将计算当前节段位移时的各节段信息传递给计算初始切线位移的板块，实现计算当前节段位移和初始切线位移同步进行，大大提高计算效率；同时，计算初始切线位移时，利用施加节点位移的方法，仅需建立当前节段虚梁模型，不需要再将已安装的其余节段模型建立，大大减少计算量，提高计算效率，解决现有计算方法考虑施工阶段初始切线位移存在的单独计算难且计算量大问题；该方法步骤简单，操作方便，效果良好。

优选地，第一信息包括节点信息、单元信息、材料特性、截面特性、支承情况、结构组、施工阶段、初拉力荷载、节点荷载、梁单元荷载。

其中，节点信息包括节点编号及其三维坐标；单元信息包括单元编号、类型、材料和截面的编号、i和j端的节点编号；材料特性包括材料编号、类型、容重、泊松比等；截面特性包括截面编号、类型、尺寸、惯性矩等；支承情况包括支承的分组及类型；结构组包括各结构组名称及其包含的单元和节点；施工阶段包括各施工阶段名称及各个施工阶段需要激活或钝化的单元、荷载、支承等；初拉力荷载、节点荷载、梁单元荷载则包括各荷载所在单元及荷载大小和方向等信息。

优选地，第二信息包括当前拱肋节段节点信息、单元信息及与上一拱肋节段共节点处施加的节点位移U-total(i-1)。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如以上任一项所述的钢管混凝土拱桥悬臂拼装位移计算方法。

本发明还提供了一种电子设备，包括：

存储器，其上存储有计算机程序；

处理器，用于执行所述存储器中的所述程序，以实现如以上任一项所述的钢管混凝土拱桥悬臂拼装位移计算方法。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明所述的一种钢管混凝土拱桥悬臂拼装位移计算方法，利用Python调用OpenSeesPy库考虑了钢管混凝土拱桥初始切线位移对拱肋线形影响的计算方法，该方法能用代码实现全过程计算，不仅能计算出拱肋节段的实际位移，还能单独计算出拱肋节段的初始切线位移，同时，还可以批量计算多个模型，数据可直接导入导出，十分便捷；在计算初始切线位移时，将计算当前节段位移时的各节段信息传递给计算初始切线位移的板块，实现计算当前节段位移和初始切线位移同步进行，大大提高计算效率；同时，计算初始切线位移时，利用施加节点位移的方法，仅需建立当前节段虚梁模型，不需要再将已安装的其余节段模型建立，大大减少计算量，提高计算效率，解决现有计算方法考虑施工阶段初始切线位移存在的单独计算难且计算量大问题；该方法步骤简单，操作方便，效果良好。

附图说明

图1为第i节段安装时的实际位移＝当前节段位移+初始切线位移的示意图(i＞1)；

图2为第i节段安装时的实际位移的示意图；

图3为第1节段安装时的实际位移＝当前节段位移的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

当下，Python编程软件已有众多开源的功能库满足各类计算需求，其中Python版本的OpenSees，即OpenSeesPy，可以实现用Python语言调用OpenSees建立有限元模型，则可以利用OpenSeesPy建立有限元模型进行钢管混凝土拱桥施工阶段计算来考虑初始位移拼装对施工阶段拱肋线形影响。

为了准确模拟拼装过程，计算出符合实际情况的拱肋节段的实际位移U-total至关重要，而当前安装的拱肋节段的实际位移U-total等于当前节段位移U-cur加上当前节段的初始切线位移U-tan，当前节段位移U-cur可以按照正装思路进行建模计算，只要能计算出当前节段初始切线位移U-tan，则可以得出考虑初始切线位移的钢管混凝土拱桥悬臂拼装实际位移。

如图1至图3所示，本发明所述的一种钢管混凝土拱桥悬臂拼装位移计算方法，包括以下步骤：

将建立结构模型所需的第一信息导入Python编程软件，第一信息包括节点信息、单元信息、材料特性、截面特性、支承情况、结构组、施工阶段、初拉力荷载、节点荷载、梁单元荷载；其中，节点信息包括节点编号及其三维坐标；单元信息包括单元编号、类型、材料和截面的编号、i和j端的节点编号；材料特性包括材料编号、类型、容重、泊松比等；截面特性包括截面编号、类型、尺寸、惯性矩等；支承情况包括支承的分组及类型；结构组包括各结构组名称及其包含的单元和节点；施工阶段包括各施工阶段名称及各个施工阶段需要激活或钝化的单元、荷载、支承等；初拉力荷载、节点荷载、梁单元荷载则包括各荷载所在单元及荷载大小和方向等信息。

根据钢管混凝土拱桥悬臂拼装的施工阶段，利用Python的开源库OpenSeesPy建立各个施工阶段的有限元分析模型，计算出各拱肋节段的当前节段位移U-cur(i)，如图1所示，并保存当前拱肋节段的第二信息，第二信息包括当前拱肋节段节点信息、单元信息及与上一拱肋节段共节点处施加的节点位移U-total(i-1)。

利用当前拱肋节段的第二信息建立当前拱肋节段的虚梁模型，如图1所示，并在与上一拱肋节段共节点处施加节点位移U-total(i-1)，U-total(i-1)是上一拱肋节段的实际位移，能够计算出当前拱肋节段的初始切线位移U-tan(i)。

将当前拱肋节段的当前节段位移U-cur(i)加上初始切线位移U-tan(i)得出当前拱肋节段的实际位移U-total(i)，如图1和图2所示。

其中，i≥1，且是整数，由于第一节拱肋节段安装时不存在初始切线位移的影响，故U-total(1)＝U-cur(1)，如图3所示。

按照这种思路，在计算某一拱肋节段初始切线位移U-tan(i)时，仅建立该拱肋节段的虚梁模型可以大大减少计算量，提高计算效率，还能单独计算出初始切线位移U-tan(i)。

本实施例所述的一种钢管混凝土拱桥悬臂拼装位移计算方法，利用Python调用OpenSeesPy库考虑了钢管混凝土拱桥初始切线位移对拱肋线形影响的计算方法，该方法能用代码实现全过程计算，不仅能计算出拱肋节段的实际位移，还能单独计算出拱肋节段的初始切线位移，同时，还可以批量计算多个模型，数据可直接导入导出，十分便捷；在计算初始切线位移时，将计算当前节段位移时的各节段信息传递给计算初始切线位移的板块，实现计算当前节段位移和初始切线位移同步进行，大大提高计算效率；同时，计算初始切线位移时，利用施加节点位移的方法，仅需建立当前节段虚梁模型，不需要再将已安装的其余节段模型建立，大大减少计算量，提高计算效率，解决现有计算方法考虑施工阶段初始切线位移存在的单独计算难且计算量大问题；该方法步骤简单，操作方便，效果良好。

实施例2

本发明所述的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如实施例1所述的钢管混凝土拱桥悬臂拼装位移计算方法。

计算机可读存储介质用于存储各种类型的数据以支持在该电子设备的操作，这些数据例如可以包括用于在该电子设备上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据；计算机可读存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，PROM)，只读存储器(Read-Only Memory，ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。

实施例3

本发明所述的一种电子设备，包括：

存储器，其上存储有计算机程序；

处理器，用于执行所述存储器中的所述程序，以实现如实施例1所述的钢管混凝土拱桥悬臂拼装位移计算方法。

作为本实施例的一个优选方案，该电子设备可以包括：处理器、存储器，该电子设备还可以包括多媒体组件、输入/输出(I/O)接口、以及通信组件中的一者或多者。

其中，处理器用于控制该电子设备的整体操作，以完成上述钢管混凝土拱桥悬臂拼装位移计算方法中的全部或部分步骤。

存储器用于存储各种类型的数据以支持在该电子设备的操作，这些数据例如可以包括用于在该电子设备上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据；存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-Only Memory，PROM)，只读存储器(Read-Only Memory，ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。

多媒体组件可以包括屏幕和音频组件，其中屏幕例如可以是触摸屏，音频组件用于输出和/或输入音频信号；例如，音频组件可以包括一个麦克风，麦克风用于接收外部音频信号，所接收的音频信号可以被进一步存储在存储器或通过通信组件发送；音频组件还包括至少一个扬声器，用于输出音频信号。

I/O接口为处理器和其他接口模块之间提供接口，上述其他接口模块可以是键盘，鼠标，按钮等；这些按钮可以是虚拟按钮或者实体按钮。

通信组件用于该电子设备与其他设备之间进行有线或无线通信；无线通信，例如Wi-Fi，蓝牙，近场通信(Near Field Communication，NFC)，2G、3G、4G或5G，或它们中的一种或几种的组合，因此相应的该通信组件可以包括：Wi-Fi模块，蓝牙模块，NFC模块，手机通讯模块。

作为本实施例的一个优选方案，该电子设备可以被一个或多个应用专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)、数字信号处理设备(Digital Signal Processing Device，DSPD)、可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，PLD)、现场可编程门阵列(Field ProgrammableGate Array，FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述钢管混凝土拱桥悬臂拼装位移计算方法。

另外，本公开实施例提供的计算机可读存储介质即可以为上述包括程序指令的存储器，上述程序指令可由电子设备的处理器执行以完成上述钢管混凝土拱桥悬臂拼装位移计算方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。