[发明专利]一种铁路桥墩数字孪生非节点外荷载等效力计算方法

说明书

本发明公开了一种铁路桥墩数字孪生非节点外荷载等效力计算方法，包括以下步骤：输入桥墩的整体尺寸信息；输入作用于桥墩的外荷载信息；划分桥墩单元与节点，数字化每一个单元与节点的信息；计算非节点集中荷载作用下的等效节点力一般公式；计算非节点分布荷载作用下的等效节点力一般公式；将等效节点力一般公式转换成通用完备解格式；组成任意荷载作用下桥墩等效节点力通用完备解。本发明基于力学等效原则推导了集中荷载与分布荷载的等效节点力表达式，并通过将各荷载工况的边界条件与Heaviside函数等效置换，得到了桥墩单元作用任意形式集中荷载或分布荷载的等效节点力通用完备解，进而建立了铁路桥墩非节点外荷载等效节点力计算技术。

技术领域

本发明属于交通运输业桥梁工程技术领域，具体涉及一种铁路桥墩数字孪生非节点外荷载等效力计算方法。

背景技术

近年来，国家“八纵八横”高铁主干网正在加速形成，在大多数高铁项目中，桥梁占比超过50%以上，且以简支标准梁居多。而高铁对于桥上列车的行车安全及旅客的舒适性要求极高，墩台沉降、软弱地基、收缩徐变、梁端变位等均可对桥上轨道的几何形态产生不可逆的破坏，从而威胁高铁运营安全。桥墩刚度及外荷载作用下的墩顶位移是设计阶段影响列车运行安全的重要指标。设计阶段必须在充分考虑施工、运维各工况的条件下，着力提高桥墩基础的外力、变形等的计算精度，从设计角度更好地保持轨道的毫米级平顺性。

为取得高精度计算结果，常可采用有限元法并提高单元精度的策略来实现，但有限元建模不适合于规模化高铁桥梁设计过程。现有的墩台设计手册及设计软件基于弹性假设采用了单位力法，考虑了墩身自身弹性刚度，但却存在单位力建模法无法准确处理作用于非节点上的集中荷载与分布荷载作用，导致作用于桥墩的风力、土压力等类似的分布荷载或多类型荷载共同作用时，无法取得较高的计算精度。

针对上述问题，很有必要研究出一套铁路桥墩数字孪生非节点外荷载等效力计算方法，用以系统解决准确模拟真实环境中的铁路桥墩外荷载准确计算的孪生模型问题。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种铁路桥墩数字孪生非节点外荷载等效力计算方法。

本发明的技术方案是：一种铁路桥墩数字孪生非节点外荷载等效力计算方法，包括以下步骤：

A.获取桥墩的整体尺寸信息；

B.获取作用于桥墩的外荷载信息；

C.根据桥墩的整体尺寸信息，划分桥墩单元与节点，数字化每一个单元与节点的信息；

D.根据桥墩单元、外荷载信息，计算非节点集中荷载作用下的等效节点力一般公式；

E.根据桥墩单元、外荷载信息划分实际受力工况、分别计算非节点分布荷载作用下的等效节点力一般公式；

F.将以上两步的等效节点力一般公式转换成通用完备解格式；

G.根据通用完备解格式，得到任意荷载作用下桥墩等效节点力通用完备解。

步骤A获取桥墩的整体尺寸信息，所述整体尺寸信息根据铁路桥墩物理实体模型而来，整体尺寸信息包括桥墩的高度、墩顶及墩底的坐标及轮廓尺寸、墩顶到墩底的几何形状信息。

步骤B获取作用于桥墩的外荷载信息中，所述外荷载信息包括作用于桥墩墩身上的集中荷载与分布荷载。

步骤C根据桥墩的整体尺寸信息，划分桥墩单元与节点，数字化每一个单元与节点的信息，具体过程如下：

首先，对桥墩沿高度划分段落，得到桥墩单元与对应的节点；

然后，计算出每一个桥墩单元的高度、桥墩单元上下端横截面轮廓信息及高度范围内变化规律；

然后，计算出每一个节点对应的坐标。

步骤D根据桥墩单元、外荷载信息，计算非节点集中荷载作用下的等效节点力一般公式，具体过程如下：

首先，结合外荷载信息、单元节点信息确定非节点集中荷载作用于桥墩单元的具体位置；