[发明专利]一种单侧悬吊的曲梁悬索桥建模方法

说明书

本发明提供一种新型单侧悬吊的曲梁悬索桥建模方法，该方法包括几个方面：1)在重力等效原则下将曲线梁单侧悬索桥简化为“一直线主梁铅垂单索面”悬索桥，并计算确定主缆的初始线形。2)将“一直线主梁铅垂单索面”悬索桥边跨主缆旋转使其锚固点与地锚点重合，建立“三折线主梁铅垂单索面”悬索桥模型。3)迭代吊索角度及张力，使得主缆逐步向外倾斜，最终形成单侧悬吊空间曲梁悬索桥的成桥模型。本发明方法“以直代曲”，巧妙实现了复杂的曲线梁悬索桥的建模，计算结果精确，计算效率高，为复杂曲线桥梁的设计、施工提供了有效的方法。

技术领域

本发明涉及一种新型桥梁结构有限元建模方法，即单侧悬吊的曲梁悬索桥的有限元建模方法，属于桥梁工程领域和结构有限元建模计算分析技术领域。

背景技术

单侧悬吊的曲梁悬索桥是一种新型桥梁，它同时具有悬索桥和曲线梁桥的特点，是组合两种复杂桥型即悬索桥和曲线梁桥的新型结构形式，一般用于人行桥。国外此类桥梁有德国的凯尔海姆桥、萨斯尼茨桥共2座，美国的圣地亚哥海港桥、自由桥、和平大桥3座。国内仅2015年建成的上海国际旅游度假区景观桥。

单侧悬吊的曲梁悬索桥由主塔、主缆、主梁、吊索和锚碇组成，结构具有轻盈通彻，线型优美，跨越能力较强的特点。主塔横向侧移后在主梁外侧或者内侧一侧悬吊主梁。其主梁的形式为曲线。主缆偏离铅垂面一定角度呈空间曲线，主塔顶部两侧主缆形成显著夹角。吊索单侧偏心悬吊主梁，仅有一个吊索索面，且吊索张拉形成空间曲面。

主缆与吊索组成的索面呈复杂的空间索面布置，其中吊索下吊点沿着曲线主梁均匀布设，吊索和主梁曲率半径组成的立面与主梁在吊点处切线垂直，该立面与主缆的交点即为主缆上吊索上吊点位置。主缆和吊索组成空间曲面，曲面几何形式复杂，因此如何确定如此复杂的成桥空间主缆的线形及吊挂索面成为控制桥梁设计、施工成功与否的关键。关于此类异型桥梁主缆线型找形方法及空间索面成型方法或其有限元建模的实现，在现有国内外文献中均未见到相关内容。

目前，国内外关于建立直梁缆索桥模型，如地锚式悬索桥和自锚式悬索桥一般通过专业桥梁有限元软件实现，例如Midas/Civil有限元软件。但是该类软件并没有提供这类新颖的单侧悬吊曲线型主梁悬索桥的专业方法，更没有模板可以套用进行该类桥梁的有限元建立模型。

本专利的创新点在于基于Midas/Civil有限元软件实现了曲梁悬索桥的空间主缆及索面成形方法，提出了一种单侧悬吊的曲梁悬索桥的建模方法。

发明内容

技术问题

单侧悬吊单索面曲线悬索桥梁桥是复杂桥梁，兼有曲线梁桥和悬索桥的特点，具有“曲线主梁”、“空间倾斜主缆”、“单一索面”等一系列复杂特征，目前缺乏有效有限元建模方法进行结构分析。如何应用现在直线悬索桥建模技术以解决曲线悬索桥问题成为关键问题。本发明提针对这一复杂桥型，基于“以直代曲”的思想，提出了一种有效建模方法，计算精度高，对该类桥梁设计提供了有力手段。

技术方案

1.一种单侧悬吊的曲梁悬索桥建模方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下：

1)建立曲线梁单侧悬索桥简化为“一直线主梁铅垂单索面”悬索桥，确定主缆的初始线形。

(1)根据主梁、塔、缆的几何关系，拟定需要建立的等效直梁悬索桥几何尺寸数据。包括边跨主跨主梁长度、主塔高度、吊点位置等，方法如下：

该“一直线主梁铅垂单索面”悬索桥由两边跨段和中跨段组成。索塔之间的距离即为等效直梁悬索桥中段主梁长度。等效直梁悬索桥边跨段长度为索塔顶部与曲梁锚碇连线在水平面内的投影长度。索塔高度与曲梁悬索桥索塔高度相同。确立等效直梁梁长后，选定合适的矢跨比，再按照原吊索在曲梁吊点的位置，依据等效直梁与曲梁的位置关系，逐个计算等效直梁悬索桥吊索与主梁的锚固位置。需要注意的是，虽然原曲梁吊点位置为等距离分布，换算得到的等效直梁悬索桥吊索间距并非为等间距布置，需依次计算得到吊索间距。