[发明专利]一种连续梁拱桥吊杆更换过程内力重分布计算方法

权利要求书

1.一种连续梁拱桥吊杆更换过程内力重分布计算方法，其特征在于：该方法结合有限元三维实体精细化建模方法，引入锚固端弹性刚度参数，根据换索前连续梁截面既有应力状态、既有状况下材料强度，模拟吊杆更换过程桥梁结构各部件内力重分布确定分级荷载、锚固端弹性刚度参数，利用胡可定律推导临时吊杆索力与旧吊杆以及新吊杆与临时吊杆索力索力、标高变化本构方程；

(一)所述临时吊杆索力与旧吊杆索力、标高变化的本构方程如下：

(一)-1临时吊杆与旧吊杆分级力系转换加载状态本构方程:

Δh₁＝[(F₁+N₁)-N₀]/K₁ ⑴

Δh₂＝[(F₁+N₁)-N₀]/K₂ ⑵

L₁＝L₀-Δh₁-Δh₂ ⑶

Δh₁+Δh₂＝(N₀-N₁)L₀/(nEA₀) ⑷

上述方程K₁、K₂通过有限元模型建立荷载增量-标高变化相关曲线求得，代入联立求解出N₁、Δh₁、Δh₂、L₁；

(一)-2临时吊杆与旧吊杆分级力系转换卸载状态本构方程:

N₀＝F₁+N₂ ⑸

Δh₁+Δh₂＝(N₁-N₂)L₁/[(n-t)EA₀] ⑹

将N₀、N₁、Δh₁、Δh₂、L₁代入上述方程联立求解出N₂、t,上述本构方程构建了第一次力系转换临时吊杆加载索力、旧吊杆卸载索力和标高变化对应关系.力系转换施工监控过程中则通过标高变化反推力系转换变化值；

上述方程式中，各标号代表意义为：

L₀-初始状态旧吊杆梁端与拱端锚固端之间距离；

L₁-加载状态旧吊杆梁端与拱端锚固端之间距离；

Δh₁-加载状态旧吊杆拱端锚固端标高变化；

Δh₂-加载状态旧吊杆梁端锚固端标高变化；

N₀-初始状态旧吊杆索力值；

N₁-加载状态旧吊杆索力值；

N₂-卸载状态旧吊杆索力值；

F₁-分级加载力；

K₁-拱端锚固端刚度；

K₂-梁端锚固端刚度；

n-旧吊杆钢丝数量；

A₀-旧吊杆单根钢丝面积；

t-卸载钢丝数量；

E-旧吊杆单根钢丝弹性模量；

(二)新吊杆与临时吊杆索力、标高变化的本构方程如下：

(二)-1新吊杆与临时吊杆分级力系转换加载状态本构方程如下:

Δh′₁＝[(F₁+N′₁)-N′₀]/K₁ ⑺

Δh′₂＝[(F₁+N′₁)-N′₀]/K₂ ⑻

L′₁＝L′₀-Δh′₁-Δh′₂ ⑼

Δh′₁+Δh′₂＝(N′₀-N′₁)L′₀/(n′E′A′₀) ⑽

(二)-2新吊杆与临时吊杆分级力系转换卸载状态本构方程如下:

N′₀＝F₁+N′₂ ⑾

Δh′₁+Δh′₂＝(N′₁-N′₂)L′₁/(n′E′A′₀) ⑿

上述本构方程构建了第二次力系转换新吊杆加载索力、临时吊杆卸载索力和标高变化对应关系，力系转换施工监控过程中则通过标高变化反推力系转换变化值；

上述方程式中，各标号代表意义为：

L′₀-初始状态临时吊杆梁端与拱端锚固端之间距离；

L′₁-加载状态临时吊杆梁端与拱端锚固端之间距离；

Δh′₁-加载状态临时吊杆拱端锚固端标高变化；

Δh′₂-加载状态临时吊杆梁端锚固端标高变化；

N₀’-初始状态临时吊杆索力值；

N′₁-加载状态临时吊杆索力值；

N′₂-卸载状态临时吊杆索力值；

F₁-分级加载力；

K₁-拱端锚固端刚度；

K₂-梁端锚固端刚度；

n′-临时吊杆钢丝数量；

A′₀-临时吊杆单根钢丝面积；

E‘-临时吊杆单根钢丝弹性模量。

2.根据权利要求1所述的一种连续梁拱桥吊杆更换过程内力重分布计算方法，其特征在于：它包括以下具体步骤：

A、有限元三维实体精细化建模；

利用通用有限元软件三维实体精细化建模，根据结构的对称性，按桥结构实体建模，将主拱圈、连续梁桥面板、横梁等均采用四面体单元网格划分，吊杆采用桁架单元划分，主拱圈及横撑钢构件采用板单元划分，共划分单元X个，节点Y个，边界条件按Z对称施加，主要荷载工况为自重、成桥初张力、分级加载、分级卸载；分析并提取各工况下关键截面应力分布；

B、绘制待更换吊杆位置对应连续梁桥面截面上缘主拉应力分布图，进行内力重分布分析确定分级荷载、弹性刚度；

B1、绘制待更换吊杆位置对应连续梁桥面截面上缘主拉应力分布图：

以跨中某个长吊杆更换分析为例，按每一级分别为换索前初始状态索力的20％、25％、33.3％加载，绘制待更换吊杆位置对应连续梁桥面截面上缘主拉应力分布图；并根据应力分布图分析，在同一加载等级作用下待更换吊杆对应位置附加主拉应力变化显著，确认依待更换吊杆相邻吊杆位置变化最小的吊杆；

B2、确定力系转换过程的分级数及荷载-索力大小：

根据应力分布图，选取同一加载等级作用下，待更换吊杆对应位置附加主拉应力变化显著的吊杆为基数，兼顾工效综合分析，确定力系转换过程的分级数及荷载-索力大小；

B3、根据上述有限元模型建立荷载增量-标高变化相关曲线确定拱端弹性刚度K₁，梁端弹性刚度K₂,比较拱端弹性刚度和梁端弹性刚度大小、选择施工监控控制对象；

C、根据分级荷载、弹性刚度K₁、K₂分别构建第一次力系转换临时吊杆加载索力、旧吊杆卸载索力和标高变化对应本构关系，以及第二次力系转换新吊杆加载索力、临时吊杆卸载索力和标高变化对应本构关系：

C1、所述临时吊杆索力与旧吊杆索力、标高变化的本构方程如下：

C11、临时吊杆与旧吊杆分级力系转换加载状态本构方程:

Δh₁＝[(F₁+N₁)-N₀]/K₁ ⑴

Δh₂＝[(F₁+N₁)-N₀]/K₂ ⑵

L₁＝L₀-Δh₁-Δh₂ ⑶

Δh₁+Δh₂＝(N₀-N₁)L₀/(nEA₀) ⑷

上述方程K₁、K₂可通过有限元模型建立荷载增量-标高变化相关曲线求得，代入联立求解出N₁、Δh₁、Δh₂、L₁；

C12、临时吊杆与旧吊杆分级力系转换卸载状态本构方程:

N₀＝F₁+N₂ ⑸

Δh₁+Δh₂＝(N₁-N₂)L₁/[(n-t)EA₀] ⑹

将N₀、N₁、Δh₁、Δh₂、L₁代入上述方程联立求解出N₂、t,上述本构方程构建了第一次力系转换临时吊杆加载索力、旧吊杆卸载索力和标高变化对应关系.力系转换施工监控过程中可通过标高变化反推力系转换变化值；

上述方程式中，各标号代表意义为：

L₀-初始状态旧吊杆梁端与拱端锚固端之间距离；

L₁-加载状态旧吊杆梁端与拱端锚固端之间距离；

Δh₁-加载状态旧吊杆拱端锚固端标高变化；

Δh₂-加载状态旧吊杆梁端锚固端标高变化；

N₀-初始状态旧吊杆索力值；

N₁-加载状态旧吊杆索力值；

N₂-卸载状态旧吊杆索力值；

F₁-分级加载力；

K₁-拱端锚固端刚度；

K₂-梁端锚固端刚度；

n-旧吊杆钢丝数量；

A₀-旧吊杆单根钢丝面积；

t-卸载钢丝数量；

E-旧吊杆单根钢丝弹性模量；

C2、新吊杆与临时吊杆索力、标高变化的本构方程如下：

C21、所述新吊杆与临时吊杆分级力系转换加载状态本构方程如下:

Δh′₁＝[(F₁+N′₁)-N′₀]/K₁ ⑺

Δh′₂＝[(F₁+N′₁)-N′₀]/K₂ ⑻

L′₁＝L′₀-Δh′₁-Δh′₂ ⑼

Δh′₁+Δh′₂＝(N′₀-N′₁)L′₀/(n′E′A′₀) ⑽

C22、新吊杆与临时吊杆分级力系转换卸载状态本构方程如下:

N′₀＝F₁+N′₂ ⑾

Δh′₁+Δh′₂＝(N′₁-N′₂)L′₁/(n′E′A′₀) ⑿

上述本构方程构建了第二次力系转换新吊杆加载索力、临时吊杆卸载索力和标高变化对应关系，力系转换施工监控过程中可通过标高变化反推力系转换变化值；

上述方程式中，各标号代表意义为：

L′₀-初始状态临时吊杆梁端与拱端锚固端之间距离；

L′₁-加载状态临时吊杆梁端与拱端锚固端之间距离；

Δh′₁-加载状态临时吊杆拱端锚固端标高变化；

Δh′₂-加载状态临时吊杆梁端锚固端标高变化；

N₀’-初始状态临时吊杆索力值；

N′₁-加载状态临时吊杆索力值；

N′₂-卸载状态临时吊杆索力值；

F₁-分级加载力；

K₁-拱端锚固端刚度；

K₂-梁端锚固端刚度；

n′-临时吊杆钢丝数量；

A′₀-临时吊杆单根钢丝面积；

E′-临时吊杆单根钢丝弹性模量。