大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法、系统及介质

摘要

本发明属于桥梁工程技术领域，公开了一种大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法、系统及介质，所述大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法包括：以半漂浮体系斜拉桥为对象，分析车辆冲击力作用在跨中位置，将斜拉索与主梁均视为一维结构，获取斜拉索的纵波的波速计算公式以及主梁的纵波、弯曲波、剪切波的波速计算公式；构建车辆冲击力的计算模型，对具有两对斜拉索的结构进行分析，计算车辆冲击力在结构体系中的最短传力时间及相应的路径、最大响应的传力时间及相应的路径，并对斜拉桥结构体系的传力时间进行参数分析。本发明以常见的半漂浮体系斜拉桥为分析对象，该方法对大跨度斜拉桥构件参数的设计及结构体系受力机理的掌握具有重要的参考价值。

说明书

技术领域

本发明属于桥梁工程技术领域，尤其涉及一种大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法、系统及介质。

背景技术

目前，车辆冲击力作用下的桥梁结构响应是桥梁工程领域的重要问题。迄今为止，绝大部分研究工作集中于整体动力学响应，难以认识结构体系的受力本质及局部构件的破坏机理。然而实际工程中，局部构件的破坏通常是由传力过程中的应力叠加效应造成的，这涉及到结构体系中应力波传播问题，需要从波动力学的角度计算传力时间，进而为结构体系的参数设计提供参考。斜拉桥是大跨度桥梁中最为常见的结构形式，其跨度可以达到几百米，乃至一千米以上，而且斜拉桥结构体系比较复杂，在车辆冲击力作用下，结构体系中各个位置响应的延时效应比较明显，因此，要掌握大跨度斜拉桥结构体系的受力特点，必须弄清楚车辆冲击力的传力时间。

但是，现有大跨度斜拉桥结构体系中车辆冲击力传力时间的分析方法复杂，无法实现对斜拉索结构的分析，无法计算与说明车辆冲击力在结构体系中的最短传力时间及相应的路径、最大响应的传力时间及相应的路径。因此，亟需设计一种新的大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法、系统及介质。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有大跨度斜拉桥结构体系中尚未有涉及到车辆冲击力传力时间的分析方法，无法实现对斜拉索结构的分析，无法计算与说明车辆冲击力在结构体系中的最短传力时间及相应的路径、最大响应的传力时间及相应的路径，对于斜拉桥结构体系传力时间的分析，尚未有人进行研究。由此可见，工程中难以从根本上认识大跨度斜拉桥结构体系的受力本质以及局部构件的破坏机理，这也是目前结构设计中的难题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法、系统及介质。

本发明是这样实现的，一种大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法，所述大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法包括：

以半漂浮体系斜拉桥为对象，分析车辆冲击力作用在跨中位置，将斜拉索与主梁均视为一维结构，获取斜拉索的纵波的波速计算公式以及主梁的纵波、弯曲波、剪切波的波速计算公式；

构建车辆冲击力的计算模型，对具有两对斜拉索的结构进行分析，计算车辆冲击力在结构体系中的最短传力时间及相应的路径、最大响应的传力时间及相应的路径，并对斜拉桥结构体系的传力时间进行参数分析。

进一步，所述大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法包括以下步骤：

步骤一，确定结构模型与参数；

步骤二，确定车辆冲击力的计算模型；

步骤三，计算传力时间。

进一步，所述步骤一中的确定结构模型与参数包括：

对于斜拉桥，主塔截面尺寸较大，斜拉索在主塔上的锚固点近似于固定边界条件，故外荷载在结构中以应力波的形式经主梁和斜拉索两种路径传至支承边界。在斜拉桥中，应力波的种类包括纵波、剪切波与弯曲波，车辆运行产生的冲击力将以剪切波与弯曲波的形式在主梁内传播，传至斜拉索与主梁的连接点时，将发生透射及反射，斜拉索中的透射波将以纵波的形式继续传播，而主梁中的透射波将分别以纵波、剪切波与弯曲波的形式继续传播。以半漂浮体系斜拉桥为对象，分析车辆冲击力作用在跨中O点处，假设主梁为等截面，并取主塔两侧各两对斜拉索的结构进行分析。

车辆冲击力P(t)位于主跨跨中时的传力路径中，P(t)为车辆冲击力；S

斜拉索与主梁均为一维结构，斜拉索中的纵波波速为：

式中，E

主梁中的纵波波速为：

式中，E

主梁中的剪切波波速为：

式中，G

主梁中的弯曲波波速为：

式中，

基于主梁中的剪切波波速和主梁中的弯曲波波速的公式，主梁中的剪切波与弯曲波波速由主梁的结构、材料参数以及冲击荷载参数决定。

进一步，所述步骤二中的确定车辆冲击力的计算模型包括：

车辆产生的冲击力P(t)源于路面不平整，用以下形式表示：

P(t)＝K(y-y

式中，K是车轮弹簧的等效刚度系数；y是车轮的垂直位移；y

式中，d表示路面不平整函数的幅值；v表示行车速度；λ

车辆冲击力P(t)的持续时间为：

进一步，所述步骤三中的计算传力时间包括：

斜拉桥属于高次超静定结构，应力波传递至截面特性变化位置均发生透射与反射现象，故外荷载在斜拉桥结构体系内将有成千上万个传递路径；基于斜拉桥，计算车辆冲击力的最短传力时间及最大响应的传力时间。

进一步，所述最短传力时间的计算包括：

由于纵波的波速最快，因而在所有传力路径中，纵波的传力时间最短。对于斜拉桥，车辆冲击力P(t)作用下，将产生弯曲波与剪切波，传播至索-梁连接点G时，将在斜拉索中产生透射纵波，在主梁中产生透射纵波、弯曲波与剪切波，而主梁中的透射纵波波速最快，故P(t)传至边界支承处的最短传力时间将在以下三种传力路径中产生。

路径一：P(t)在O点产生的初始弯曲波w

式中，t

路径二：P(t)在O点产生的初始弯曲波w

式中，t

路径三：P(t)在O点产生的初始弯曲波w

式中，t

所述最大响应的传力时间的计算包括：

大跨度斜拉桥中，主梁中控制内力是弯矩，主梁中的弯曲波反映最大响应。对于斜拉桥，车辆冲击力P(t)作用下，产生的弯曲波传播至索-梁连接点G时，将在斜拉索中产生透射纵波，在主梁中产生透射纵波、弯曲波与剪切波，而主梁中的透射弯曲波响应最大，故P(t)传至边界支承处的最大响应的传力时间将在以下三种传力路径中产生。

路径一：P(t)在O点产生的初始弯曲波w

路径二：P(t)在O点产生的初始弯曲波w

路径三：P(t)在O点产生的初始弯曲波w

本发明的另一目的在于提供一种实施所述的大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法的大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析系统，所述大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析系统包括：

参数确定模块，用于确定结构模型与参数；

计算模型构建模块，用于确定车辆冲击力的计算模型；

传力时间计算模块，用于进行最短传力时间和最大响应传力时间的计算。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

以半漂浮体系斜拉桥为对象，分析车辆冲击力作用在跨中位置，将斜拉索与主梁均视为一维结构，获取斜拉索的纵波的波速计算公式以及主梁的纵波、弯曲波、剪切波的波速计算公式；

构建车辆冲击力的计算模型，对具有两对斜拉索的结构进行分析，计算车辆冲击力在结构体系中的最短传力时间及相应的路径、最大响应的传力时间及相应的路径，并对斜拉桥结构体系的传力时间进行参数分析。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

以半漂浮体系斜拉桥为对象，分析车辆冲击力作用在跨中位置，将斜拉索与主梁均视为一维结构，获取斜拉索的纵波的波速计算公式以及主梁的纵波、弯曲波、剪切波的波速计算公式；

构建车辆冲击力的计算模型，对具有两对斜拉索的结构进行分析，计算车辆冲击力在结构体系中的最短传力时间及相应的路径、最大响应的传力时间及相应的路径，并对斜拉桥结构体系的传力时间进行参数分析。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析系统。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

本发明以常见的半漂浮体系斜拉桥为分析对象，考虑车辆冲击力作用在跨中位置，将斜拉索与主梁均视为一维结构，给出斜拉索的纵波的波速计算公式以及主梁的纵波、弯曲波、剪切波的波速计算公式，同时给出车辆冲击力的计算模型，在此基础上，对具有两对斜拉索的结构进行分析，详细计算与说明车辆冲击力在结构体系中的最短传力时间及相应的路径、最大响应的传力时间及相应的路径。最后，通过一个实施例，对斜拉桥结构体系的传力时间进行参数讨论。该计算方法对大跨度斜拉桥构件参数的设计及结构体系受力机理的掌握具有重要的参考价值。

(1)计算参数

实际工程中，需要结合实际结构与冲击荷载参数进行精细的传力时间计算。这里为了便于分析说明，同样针对图3所示的斜拉桥，选择以下简化参数进行讨论：L

(2)最短传力时间计算

由于实施例中的主梁剪切波波速c

(3)最大响应的传力时间计算

将各参数代入式(11)、(12)与(13)，计算可得到：t

(4)传力时间分析

通过以上实施例的参数计算分析表明，对于结构体系复杂的斜拉桥，传力路径较多，并且各个路径的传力时间不同，传力时间由传力路径的长度及波速决定；由于不同应力波的波速不同，边界支承处的最快响应与最大响应的时间不同；受路面不平整的影响，在车辆冲击力作用结束时，结构的有些位置已经发生响应，而有些位置则尚未发生响应。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明针对大跨度斜拉桥提出结构体系传力时间的计算方法。以常见的半漂浮体系斜拉桥为分析对象，考虑车辆冲击力作用在跨中位置，将斜拉索与主梁均视为一维结构，给出斜拉索的纵波的波速计算公式以及主梁的纵波、弯曲波、剪切波的波速计算公式，同时给出车辆冲击力的计算模型，在此基础上，对具有两对斜拉索的结构进行分析，详细计算与说明车辆冲击力在结构体系中的最短传力时间及相应的路径、最大响应的传力时间及相应的路径。最后，通过一个实施例，对斜拉桥结构体系的传力时间进行参数讨论。该计算方法对大跨度斜拉桥构件参数的设计及结构体系受力机理的掌握具有重要的参考价值。

第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

本发明的技术方案能够为大跨度斜拉桥的构件参数设计提供优化方案，可在一定程度上节省大跨度斜拉桥的建造成本。

(2)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：

目前国内外尚未有涉及大跨度斜拉桥结构体系传力时间及相应传力路径的分析方法，因而本技术属于国内外首创。

(3)本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

大跨度斜拉桥的斜拉索与主梁、塔柱的连接处是易损部位，车辆荷载长期作用下，该部位病害问题显著，目前工程界尚未从根本上认识该问题的机理。而车辆冲击力产生的应力波在斜拉桥结构体系中的透射、反射及相互作用则是引起该病害的主要原因，因此，本发明的技术方案能够让工程界理解车辆冲击作用在大跨度斜拉桥结构体系传力时间及相应传力路径。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法流程图；

图2是本发明实施例提供的大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析系统结构框图；

图3是本发明实施例提供的车辆冲击力P(t)位于主跨跨中时的传力路径示意图；

图4是本发明实施例提供的路面不平整函数示意图；

图5是本发明实施例提供的弓形障碍物横断面图；

图中：1、参数确定模块；2、计算模型构建模块；3、传力时间计算模块。

具体实施方式

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法、系统及介质，下面结合附图对本发明作详细的描述。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1所示，本发明实施例提供的大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析方法包括以下步骤：

S101，确定结构模型与参数；

S102，确定车辆冲击力的计算模型；

S103，计算传力时间。

如图2所示，本发明实施例提供的大跨度斜拉桥结构体系传力时间分析系统包括：

参数确定模块1，用于确定结构模型与参数；

计算模型构建模块2，用于确定车辆冲击力的计算模型；

传力时间计算模块3，用于进行最短传力时间和最大响应传力时间的计算。

本发明针对大跨度斜拉桥提出结构体系传力时间的计算方法。以常见的半漂浮体系斜拉桥为分析对象，考虑车辆冲击力作用在跨中位置，将斜拉索与主梁均视为一维结构，给出斜拉索的纵波的波速计算公式以及主梁的纵波、弯曲波、剪切波的波速计算公式，同时给出车辆冲击力的计算模型，在此基础上，对具有两对斜拉索的结构进行分析，详细计算与说明车辆冲击力在结构体系中的最短传力时间及相应的路径、最大响应的传力时间及相应的路径。最后，通过一个实施例，对斜拉桥结构体系的传力时间进行参数讨论。该计算方法对大跨度斜拉桥构件参数的设计及结构体系受力机理的掌握具有重要的参考价值。

1、计算步骤(1)确定结构模型与参数

对于斜拉桥来说，主塔截面尺寸较大，斜拉索在主塔上的锚固点近似于固定边界条件，因此，外荷载在结构中以应力波的形式经主梁和斜拉索两种路径传至支承边界。在斜拉桥中，应力波的种类主要包括纵波、剪切波与弯曲波，车辆运行产生的冲击力将以剪切波与弯曲波的形式在主梁内传播，传至斜拉索与主梁的连接点时，将发生透射及反射，斜拉索中的透射波将以纵波的形式继续传播，而主梁中的透射波将分别以纵波、剪切波与弯曲波的形式继续传播。为便于讨论，以常见的半漂浮体系斜拉桥为分析对象，考虑车辆冲击力作用在跨中O点处，假设主梁为等截面，并取主塔两侧各两对斜拉索的结构进行分析，如图3所示。

图3中的符号及参数说明：P(t)为车辆冲击力；S

斜拉索与主梁均视为一维结构，斜拉索中的纵波波速为：

式中：E

主梁中的纵波波速为：

式中：E

主梁中的剪切波波速为：

式中：G

主梁中的弯曲波波速为：

式中：

由式(3)和(4)可知，主梁中的剪切波与弯曲波波速由主梁的结构、材料参数以及冲击荷载参数决定。

(2)确定车辆冲击力的计算模型

车辆产生的冲击力P(t)源于路面不平整，用以下形式表示：

P(t)＝K(y-y

式中：K是车轮弹簧的等效刚度系数；y是车轮的垂直位移；y

式中：d表示路面不平整函数的幅值；v表示行车速度；λ

车辆冲击力P(t)的持续时间为：

(3)计算传力时间

斜拉桥属于高次超静定结构，应力波传递至截面特性变化位置均会发生透射与反射现象，可见，外荷载在斜拉桥结构体系内将有成千上万个传递路径。实际工程中，最为关注的是外荷载的最短传力时间及最大响应的传力时间，鉴于此，本发明以图3所示斜拉桥为例，计算车辆冲击力的最短传力时间及最大响应的传力时间。

1)最短传力时间

由于纵波的波速最快，因而在所有传力路径中，纵波的传力时间最短。对于图3所示的斜拉桥，车辆冲击力P(t)作用下，将产生弯曲波与剪切波，传播至索-梁连接点G时，将在斜拉索中产生透射纵波，在主梁中产生透射纵波、弯曲波与剪切波，而主梁中的透射纵波波速最快，因此，P(t)传至边界支承处的最短传力时间将在以下三种传力路径中产生。

路径一：P(t)在O点产生的初始弯曲波w

式中：t

路径二：P(t)在O点产生的初始弯曲波w

式中：t

路径三：P(t)在O点产生的初始弯曲波w

式中：t

2)最大响应的传力时间

大跨度斜拉桥中，主梁中控制内力一般是弯矩，因此，主梁中的弯曲波反映了最大响应。对于图3所示的斜拉桥，车辆冲击力P(t)作用下，产生的弯曲波传播至索-梁连接点G时，将在斜拉索中产生透射纵波，在主梁中产生透射纵波、弯曲波与剪切波，而主梁中的透射弯曲波响应最大，因此，P(t)传至边界支承处的最大响应的传力时间将在以下三种传力路径中产生。

路径一：P(t)在O点产生的初始弯曲波w

路径二：P(t)在O点产生的初始弯曲波w

路径三：P(t)在O点产生的初始弯曲波w

二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

实施例

(1)计算参数

实际工程中，需要结合实际结构与冲击荷载参数进行精细的传力时间计算。这里为了便于分析说明，同样针对图3所示的斜拉桥，选择以下简化参数进行讨论：L

(2)最短传力时间计算

由于实施例中的主梁剪切波波速c

(3)最大响应的传力时间计算

将各参数代入式(11)、(12)与(13)，计算可得到：t

(4)传力时间分析

通过以上实施例的参数计算分析，表明：对于结构体系复杂的斜拉桥，传力路径较多，并且各个路径的传力时间不同，传力时间由传力路径的长度及波速决定；由于不同应力波的波速不同，边界支承处的最快响应与最大响应的时间不同；受路面不平整的影响，在车辆冲击力作用结束时，结构的有些位置已经发生响应，而有些位置则尚未发生响应。

三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

某斜拉桥的现场汽车冲击试验：

该斜拉桥主跨跨径500m，汽车总重330kN，前轴重量为65kN，中轴与后轴重量均为132.5kN，前中轴相距3.6m，中后轴相距1.4m，用图5所示的弓形障碍物模拟跨中路面不平整。

数据采集系统包括拾振器、DH8303动态信息采集分析系统、便携式电源及电脑组成，拾振器与DH8303动态信息采集分析系统连接，再连接至电脑。

测点布置：TP1为跨中，TP2为距跨中100m处，TP3为距跨中200m处。

汽车以车速30km/h通过弓形障碍物，各测点的响应时间如表1所示。

表1车轮冲击后测点响应时间

从表1中可以看出，汽车的前、中、后轮分别通过弓形障碍物后，在结构中产生了三组应力波，三组应力波之间存在时差，影响了应力波在结构中传播及相互叠加的总效应。现场实测的数据反应出汽车冲击荷载作用下大跨度复杂桥梁结构体系的动力响应具有延迟效应的特点，各质点不是同时响应，意味着计算动力响应时要考虑应力波的传递过程。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。