悬索桥施工过程中加劲梁测量坐标修正方法

摘要

本发明公开了一种悬索桥施工过程中考虑风致变形的加劲梁测量坐标修正方法，首先测量出含有风致变形的加劲梁坐标，并同步测试桥位风速、风攻角和风向角。利用指数型风剖面函数求得各点的风速，并将风速分解成横桥向风速和纵桥向风速。将加劲梁、桥塔、主缆和吊杆风荷载施加在有限元模型上，并计算出风致变形值；将其在加劲梁坐标测量值中扣除，即可获得零风速时的加劲梁坐标，即真实的加劲梁坐标。通过该方法可以实现对悬索桥加劲梁坐标测量值进行风致变形的修正，因此测量坐标不用再等待无风或微风时段，可以避免延误工期。

主权项

一种悬索桥施工过程中加劲梁测量坐标修正方法，所述悬索桥包括桥塔、吊杆和主缆，其特征在于，包括以下步骤：1)、根据桥位地形确定地表粗糙度系数γ；2)、识别出桥梁加劲梁断面的三分力系数以及桥塔、吊杆和主缆的阻力系数；3)、在桥塔顶部安装风速测试仪，测量桥塔顶部的风速、风攻角和风向角；4)、测量加劲梁坐标(X₀,Y₀,Z₀)，并同步记录桥塔顶部的风速U、风攻角α₀和风向角β；5)、利用下式将风速U分解并利用指数型风速剖面求得加劲梁处的纵桥向风速U_Si和横桥向风速U_Hi：$\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{Si}}=U{\left(\frac{H_i}{H_T}\right)}^{\gamma }\cos \beta \\ U_{\mathrm{Hi}}=U{\left(\frac{H_i}{H_T}\right)}^{\gamma }\sin \beta \end{array}$式中，U_Si为加劲梁处的纵桥向风速，U_Hi为加劲梁处的横桥向风速，H_i为加劲梁的高度，H_T为桥塔顶部的高度，U为桥塔顶部的风速，γ为地表粗糙度系数，β为桥塔顶部的风向角；6)、计算纵桥向风速引起的作用在加劲梁上的摩擦力：F＝ηSLU_Si式中，η为摩擦系数；S为加劲梁截面周长；L为加劲梁长度；U_Si为加劲梁处的顺桥向风速；7)、分别计算纵桥向风速和横桥向风速作用在主缆、桥塔和吊杆上的阻力：D_Si＝ρU²C_H(β)w/2D_Hi＝ρU²C_V(β)w/2式中，D_Si和D_Hi分别表示桥塔、吊杆或主缆的顺桥向阻力和横桥向阻力；C_H(β)和C_V(β)分别表示桥塔、吊杆或主缆的顺桥向阻力系数和横桥向阻力系数；w表示主缆、桥塔或吊杆的宽度；ρ为空气密度，β为桥塔顶部的风向角；8)、建立桥梁的有限元模型，在自重作用下非线性求解，提取各加劲梁单元扭转角，计算该状态下的三分力系数，此时，加劲梁的有效攻角均等于初始攻角α₀；9)、计算在横桥向风速引起的作用在加劲梁单位长度的横向风荷载P_H、竖向风荷载P_V和扭转力矩P_M：$\begin{array}{c}{P}_H={\mathrm{\rho H}}_{\mathrm{Hi}}^2{C}_H\left(\alpha \right)h/2\\ P_V={\mathrm{\rho U}}_{\mathrm{Hi}}^2{C}_V\left(\alpha \right)b/2\\ P_M={\mathrm{\rho U}}_{\mathrm{Hi}}^2{C}_M\left(\alpha \right)b^2/2\end{array}$式中，C_H(α)、C_V(α)、C_M(α)分别表示在有效攻角下加劲梁的阻力、升力、升力矩系数，所谓有效攻角是指静风初始攻角与静风作用引起的加劲梁扭转角之和；h和b分别表示加劲梁的侧向投影高度和宽度；ρ为空气密度；U_Hi为横桥向风速；10)、在桥梁各单元上施加步骤6)、步骤7)和步骤9)计算的静风荷载，采用牛顿迭代法进行结构几何非线性求解，获得收敛解；11)、提取桥梁加劲梁各单元扭转角，检查扭转角的欧几里得范数是否小于允许误差ε_k；其中，所述的扭转角的欧几里得范数用下式表达：${\left\{\frac{\underset{j=1}{\overset{\mathrm{Na}}{\Sigma }}{({\theta }_i-{\theta }_{i-1})}^2}{\underset{j=1}{\overset{\mathrm{Na}}{\Sigma }}{\theta }_{i-1}^2}\right\}}^{1/2}\le {ϵ}_k$式中，N_a为加劲梁单元总数；θ为扭转角；i为当前荷载步编号；j为梁单元序号；ε_k为允许误差；12)、如果欧几里得范数大于允许误差ε_k，则重复步骤9)‑11)；如果欧几里得范数小于等于允许误差ε_k，说明本级风速计算结果收敛，输出测量点的位移值(x_wind,y_wind,z_wind)；13)、在坐标测量值(X₀,Y₀,Z₀)中将步骤12)计算得到的测量点的位移值扣除：X_real＝X₀‑x_windY_real＝Y₀‑y_windZ_real＝Z₀‑z_wind即得到真实的加劲梁测量坐标(X_real,Y_real,Zz_real)。