本發(fā)明涉及土木工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于斜拉橋同向回轉(zhuǎn)拉索的設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

目前，斜拉橋呈加速發(fā)展的趨勢，尤其是在國內(nèi)，越來越的斜拉橋被應(yīng)用于中國的跨海、跨江大動脈工程以及城市交通建設(shè)工程。但總體看，跨徑發(fā)展趨勢較為明顯，支撐技術(shù)發(fā)展相對滯后。尤其是對混凝土索塔錨索塔壁受拉開裂的擔(dān)心，始終困擾著斜拉橋的每一次應(yīng)用。

在斜拉橋傳統(tǒng)拉索體系中，人們一直在發(fā)展各種錨索結(jié)構(gòu)，克服拉索對混凝土索塔塔壁的巨大拉力，先后有混凝土齒塊、鋼錨箱、鋼錨梁、縱向鋼鞍座等結(jié)構(gòu)?？傮w技術(shù)已趨成熟，但關(guān)鍵技術(shù)仍有缺陷，一旦控制效果不佳，即有塔壁開裂發(fā)生。

混凝土索塔錨索技術(shù)還在發(fā)展：①改進(jìn)技術(shù)。結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，計算及試驗規(guī)模逐步大型化。②另辟途徑。以鋼材和混凝土構(gòu)建各類組合結(jié)構(gòu)索塔。拉索體系也在發(fā)展，但以改進(jìn)索塔錨索狀態(tài)為目的的發(fā)展，在國內(nèi)外尚未見其他公開報導(dǎo)。

新近提出的新概念同向回轉(zhuǎn)拉索，將拉索繞過索塔并產(chǎn)生環(huán)形壓力，從機(jī)理上解決了索塔錨索區(qū)開裂問題。但這一創(chuàng)新型拉索存在諸多技術(shù)上的空白，一系列由概念向?qū)嵱玫霓D(zhuǎn)化問題還需要逐一解決，而如何實現(xiàn)對拉索進(jìn)行系統(tǒng)、精確的設(shè)計，即為其中的重要問題之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種能有效解決索塔錨索區(qū)受拉開裂問題用于斜拉橋同向回轉(zhuǎn)拉索的設(shè)計方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種用于斜拉橋同向回轉(zhuǎn)拉索的設(shè)計方法，所述斜拉橋包括單柱式索塔、主梁以及連接單柱式索塔和主梁的回轉(zhuǎn)拉鎖體系，所述回轉(zhuǎn)拉鎖體系包括設(shè)置在主梁上的錨拉板、設(shè)置在單柱式索塔上的鞍座及拉索，所述拉索的兩端固定在錨拉板上，拉索的中部繞在鞍座的外側(cè)，所述斜拉橋同向回轉(zhuǎn)拉索的設(shè)計用以確定拉索、鞍座和錨拉板的尺寸及數(shù)量，所述設(shè)計方法包括以下幾個步驟：

(1)建立拉索體系幾何力學(xué)方程，對拉索體系進(jìn)行多重循環(huán)修正計算，直至通過已知參數(shù)a得到精確的待定參數(shù)u；

(2)根據(jù)已知參數(shù)a和待定參數(shù)u，建立索塔外表面空間描述幾何方程，進(jìn)行塔上鞍座出口點(diǎn)計算，得到鞍座出口點(diǎn)的準(zhǔn)確坐標(biāo)值；

(3)由已知參數(shù)a、未知參數(shù)u及鞍座出口點(diǎn)的準(zhǔn)確坐標(biāo)值，對設(shè)置于橋梁不同位置的拉索進(jìn)行定位設(shè)計和定位后的關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計，并得到拉索長度、鞍座曲線段和直線段長度、錨拉板沿拉索軸線長度；

(4)通過步驟(3)得到的拉索長度、鞍座曲線段和直線段長度、錨拉板沿拉索軸線長度，結(jié)合拉索通用數(shù)據(jù)庫c、鞍座數(shù)通用據(jù)庫s和錨拉板通用數(shù)據(jù)庫b，得到每根拉索、每個鞍座及每塊錨拉板的尺寸；按通用數(shù)據(jù)庫c、鞍座數(shù)通用據(jù)庫s和錨拉板通用數(shù)據(jù)庫b各材料的規(guī)格、外徑、壁厚分類，統(tǒng)計并輸出全橋拉索、鞍座、錨拉板材料數(shù)量。

所述步驟(1)中，斜拉橋同向回轉(zhuǎn)拉索的設(shè)計以總體坐標(biāo)系x-o-y為基準(zhǔn)，坐標(biāo)系原點(diǎn)在塔中心線高程±0m處，x軸指向梁上錨索區(qū)，y軸指向拉索側(cè)，z軸指向塔頂。

所述的拉索體系幾何力學(xué)方程包括：

β＝arctg[sh(k×l0)]。

其中，zls為拉索垂度面內(nèi)拉索懸鏈線底點(diǎn)至懸鏈線上任一點(diǎn)的豎向距離，xls為拉索垂度面內(nèi)拉索懸鏈線底點(diǎn)至至懸鏈線上任一點(diǎn)的水平距離，xls為變量，k為拉索懸鏈線張力系數(shù)，σ為拉索張拉應(yīng)力，σ已知，可先按0.4倍拉索已知抗拉強(qiáng)度取值，拉索及橋梁設(shè)計后，再按結(jié)構(gòu)計算實際拉索張拉應(yīng)力對設(shè)計和計算進(jìn)行反復(fù)修正；γ為拉索材料比重，γ已知，按1.1倍鋼材比重取值，，s為拉索懸鏈線弦長，f為拉索懸鏈線豎向投影高度，l為拉索懸鏈線水平長度，其中，s、f、l均待定，均由b點(diǎn)、g點(diǎn)坐標(biāo)計算，m、n為中間參數(shù)，l0為拉索懸鏈線底點(diǎn)至懸鏈線理論最低點(diǎn)水平長度，α為拉索垂度面內(nèi)拉索懸鏈線頂點(diǎn)切線與頂點(diǎn)垂線的銳夾角，β為拉索垂度面內(nèi)拉索懸鏈線底點(diǎn)切線與底點(diǎn)水平線的銳夾角。

所述的已知參數(shù)a包括拉索梁上錨固點(diǎn)至梁頂垂距dg，索、梁頂面交點(diǎn)至梁中平距yt，索、梁隔板交點(diǎn)對應(yīng)橋面設(shè)計高程點(diǎn)至塔軸縱距xe，索、梁隔板交點(diǎn)c的坐標(biāo)(xc，yc，zc)及點(diǎn)c至梁頂垂距dc，鞍座頂點(diǎn)控制坐標(biāo)xa、za，鞍座控制半徑ra＇。

所述的待定參數(shù)u包括拉索繞在鞍座上的弧線的頂點(diǎn)a的坐標(biāo)、拉索繞在鞍座上的弧線的端點(diǎn)b的坐標(biāo)、拉索在錨拉板上的錨固點(diǎn)g的坐標(biāo)、拉索延長線與梁頂面交點(diǎn)t的坐標(biāo)，拉索垂度面內(nèi)拉索懸鏈線頂點(diǎn)切線與頂點(diǎn)垂線的銳夾角α、拉索垂度面內(nèi)拉索懸鏈線底點(diǎn)切線與底點(diǎn)水平線的銳夾角β，鞍座形心線半徑ra、圓心角θa、設(shè)置斜度α＇，輔助計算用與拉索垂度面相切的虛擬基準(zhǔn)圓筒半徑rs，對稱于x-o-z面的兩拉索垂度面的銳夾角θs，梁段頂正傾角ic，拉索垂度面內(nèi)拉索與梁頂面銳夾角βc及其在x-o-z面上的投影βc＇。

對拉索體系進(jìn)行多重循環(huán)修正計算，直至通過已知參數(shù)a得到精確的待定參數(shù)u的全過程如下：

(1)拉索初始定位

a)在x-o-y(z)坐標(biāo)系中，索、梁隔板交點(diǎn)c在豎直面上位置相對固定，拉索與基準(zhǔn)圓筒的切點(diǎn)s在水平面上位置相對穩(wěn)定，初設(shè)此兩點(diǎn)為懸鏈線兩端點(diǎn)，對其待定坐標(biāo)值部分，以計算和借用方式補(bǔ)全，由此建立初始定位模型，計算拉索定位參數(shù)，作為后續(xù)精確修正的基礎(chǔ)。

對c點(diǎn)，xc＇＝ec+(δc+dc)×sin(ic)；借用近處t點(diǎn)坐標(biāo)，yc＇＝y(tǒng)t＇；zc＇＝ec-(δc+dc)×cos(ic)?；鶞?zhǔn)圓筒借用鞍座初始半徑，rs＝ra＇。

由式rs＝y(tǒng)c＇×sin(θs/2)-xc＇×cos(θs/2)，粗略計算出拉索與基準(zhǔn)圓筒相切的方向θs。

對拉索與虛擬基準(zhǔn)圓筒的切點(diǎn)s，xs＝-rs×cos(θs/2)；ys＝rs×sin(θs/2)；借用近處a點(diǎn)坐標(biāo)，zs＝za＇。

其中，xc＇、yc＇、zc＇，dc為c點(diǎn)假設(shè)為懸鏈線下端點(diǎn)時的坐標(biāo)和限位，其中，dc初值取dc＇，定位計算中將不斷修正；ic為梁段頂面正傾角，ec為橋面設(shè)計高程，δc為橋面設(shè)計高程點(diǎn)與c點(diǎn)對應(yīng)梁頂之間的高差，由已知的橋面豎曲線、橋面橫坡，對應(yīng)xe給出；xs、ys、zs為s點(diǎn)假設(shè)為懸鏈線上端點(diǎn)時坐標(biāo)。

b)在拉索垂度面內(nèi)，根據(jù)權(quán)利要求3所述拉索體系幾何力學(xué)方程，計算出參數(shù)α、β，并由θs進(jìn)一步計算出參數(shù)α＇、β＇。β＇為β在x-o-z面上的投影。

c)在鞍座斜置面上，由式θa＝2×arctg[tg(θs/2)/sinα＇]，計算鞍座圓心角θa。

進(jìn)而計算對稱于x-o-z面的兩拉索懸鏈線上端點(diǎn)切線交點(diǎn)j和b點(diǎn)坐標(biāo)，即xj＝-rs/cos(θs/2)，yj＝0，zj＝zs+(xs-xj)ctgα＇；

以及xb＝xj+ra×tg(θa/2)×sin(θa/2)×sinα＇，

yb＝ra×sin(θa/2)，zb＝zj-(xb-xj)ctgα＇。

(2)塔上調(diào)整定位

a)移懸鏈線定位上端點(diǎn)至其真正位置b點(diǎn)。

b)更新參數(shù)α、α＇、zj、θa；調(diào)整鞍座半徑，ra＝lb×ctg(θa/2)。lb為b點(diǎn)至j點(diǎn)空間長度。

c)復(fù)算a點(diǎn)坐標(biāo)，即xa＝xb-ra[1-cos(θa/2)]sinα＇，

ya＝0，za＝zb+(xb-xa)ctgα＇，與已知條件形成對比。

(3)塔上修正定位

a)za與za＇之間的偏差通過修正zs消除；

b)xa與xa＇之間的偏差通過修正rs消除。

(4)梁上調(diào)整定位

a)移懸鏈線定位下端點(diǎn)至其真正位置g點(diǎn)。

b)在拉索垂度面內(nèi)，由θs將ic換算為拉索垂度面內(nèi)的梁段頂面傾角i，根據(jù)權(quán)利要求3所述拉索體系幾何力學(xué)方程，計算g點(diǎn)至c點(diǎn)水平、豎向距離xg＇、zg＇，并使其滿足式xg＇×sin(i)+zg＇×cos(i)＝dg＇+dc的條件。

c)計算g點(diǎn)坐標(biāo)，即xg＝xc＇-xg＇×sin(θs/2)，yg＝y(tǒng)c＇-xg＇×cos(θs/2)，zg＝zc＇+zg＇。

d)進(jìn)而計算t點(diǎn)坐標(biāo)，即xt＝xg+lt×cos(β＇)，yt＝y(tǒng)g+lt×cos(β＇)/tg(θs/2)，zt＝zg-lt×sin(β＇)。lt＝dg＇/sin(βc＇)，βc＇＝β＇+ic。

e)由g點(diǎn)切線，更新c點(diǎn)坐標(biāo)，即xc＝xg+lc×cos(β)×sin(θs/2)，yc＝y(tǒng)g+lc×cos(β)×cos(θs/2)，zc＝zg-lc×sin(β)；

lc＝[xg＇×cos(i)-zg＇×sin(i)]/cos(βc)，lc為c點(diǎn)至g點(diǎn)空間長度。βc＝β+i。

(5)梁上修正定位

a)yt與yt＇之間的偏差通過修正yc＇消除；

b)zc與zc＇之間的偏差通過修正dc消除。

步驟(2)中得到鞍座出口點(diǎn)的準(zhǔn)確坐標(biāo)值包括以下具體步驟：

(ⅰ)獲得雙平行線方程及拉索垂度面方程，求得兩條平行線與拉索垂度面的兩個交點(diǎn)，所述雙平行線分別為過拉索繞在鞍座上的弧線的端點(diǎn)b、索塔軸線與索塔底面交點(diǎn)d的兩水平面與索塔外表面的交線，拉索垂度面方程和b點(diǎn)平行線方程得到拉索垂度面與b點(diǎn)平行線交點(diǎn)坐標(biāo)xbj、ybj；由拉索垂度面方程和d點(diǎn)平行線方程得到拉索垂度面與d點(diǎn)平行線交點(diǎn)坐標(biāo)xdj、ydj；

(ⅱ)獲得兩個交點(diǎn)的連線方程及鞍座圓弧端點(diǎn)切線方程，兩個交點(diǎn)連線與鞍座圓弧端點(diǎn)切線的交點(diǎn)即為鞍座出口點(diǎn)，其坐標(biāo)為(x11，y11，z11)。

所述的雙平行線方程為：

b點(diǎn)平行線：x/ab+y/bb＝1或x/ab＝1或y/bb＝1，z＝zb

d點(diǎn)平行線：x/ad+y/bd＝1或x/ad＝1或y/bd＝1，z＝zd

其中，雙平行線方程按線與x、y軸均相交、線與y軸平行、線與x軸平行三種狀態(tài)選擇式相應(yīng)型式。ab為b點(diǎn)平行線與x軸交點(diǎn)的x坐標(biāo)，bb為b點(diǎn)平行線與y軸交點(diǎn)的y坐標(biāo)，zb為b點(diǎn)的z坐標(biāo)；ad為d點(diǎn)平行線與x軸交點(diǎn)的x坐標(biāo)，bd為d點(diǎn)平行線與y軸交點(diǎn)的y坐標(biāo)，zd為d點(diǎn)的z坐標(biāo)。

所述的拉索垂度面方程為：

y＝[tg(π/2－θs/2)]×(x－xb)+yb

其中，xb為b點(diǎn)已知的x坐標(biāo)，yb為b點(diǎn)已知的y坐標(biāo)；

由拉索垂度面方程和b點(diǎn)平行線方程得到拉索垂度面與b點(diǎn)平行線交點(diǎn)坐標(biāo)xbj、ybj；由拉索垂度面方程和d點(diǎn)平行線方程得到拉索垂度面與d點(diǎn)平行線交點(diǎn)坐標(biāo)xdj、ydj。

在拉索垂度面上的局部坐標(biāo)系xb-ob-yb內(nèi)，即坐標(biāo)系原點(diǎn)在b點(diǎn)，xb軸垂直指向塔底，yb軸水平指向梁上錨索區(qū)的坐標(biāo)系內(nèi)，拉索垂度面與b點(diǎn)平行線交點(diǎn)及拉索垂度面與d點(diǎn)平行線交點(diǎn)的連線的方程為：

鞍座圓弧端點(diǎn)切線方程為：

yb＝kα×xb；kα＝tgα

所述兩個交點(diǎn)連線與鞍座圓弧端點(diǎn)切線的交點(diǎn)即為鞍座出口點(diǎn)，其坐標(biāo)(x11，y11，z11)為：

所述拉索通用數(shù)據(jù)庫c包括拉索的寬度、長度、外徑及壁厚，即c＝[拉索寬度，拉索長度，拉索外徑，拉索壁厚]；

所述鞍座通用數(shù)據(jù)庫s包括鞍座的寬度、長度、外徑及壁厚，即s＝[鞍座寬度，鞍座長度，鞍座外徑，鞍座壁厚]；

所述錨拉板通用數(shù)據(jù)庫b包括錨拉板的寬度、長度、外徑及壁厚，即b＝[錨拉板寬度，錨拉板長度、錨拉板外徑、錨拉板壁厚]。

所述設(shè)計方法還包括拉索、鞍座和錨拉板的尺寸及數(shù)量的核查，所述核查是指在autocad2012-simplifiedchinese設(shè)計軟件上進(jìn)行拉索體系的三維設(shè)計和放樣，對每根新上的拉索體系均進(jìn)行其與先期拉索體系的交集處理，交集0表示無沖突，設(shè)計成功，否則就要重新修正計算。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)提出了一種斜拉橋同向回轉(zhuǎn)拉索體系的系統(tǒng)、精確設(shè)計方法，為從機(jī)理上解決索塔錨索區(qū)受拉開裂問題提供了關(guān)鍵支撐；

(2)解決了斜拉橋同向回轉(zhuǎn)拉索概念新、技術(shù)新、設(shè)計繁、推廣難問題，推動了這一原創(chuàng)性技術(shù)的實用化發(fā)展和規(guī)模化應(yīng)用。

附圖說明

圖1為主跨806m斜拉橋總體布置示意圖；

圖2為圖1的同向回轉(zhuǎn)拉索體系示意圖；

圖3為圖2的拉索體系設(shè)計坐標(biāo)系示意圖；

圖4為圖2的索塔上拉索出口點(diǎn)示意圖；

圖5為圖2的拉索體系定位參數(shù)布置圖；

圖6為圖2的拉索體系設(shè)計核查示意圖；

圖7為圖2的拉索體系設(shè)計效果示意圖。

其中，1為斜拉橋，2為索塔，3為主梁，4為拉索體系，5為拉索，6為鞍座，7為錨拉板，8為拉索體系設(shè)計坐標(biāo)系，9為索塔外表面，10為拉索垂度面，11為鞍座出口點(diǎn)。

具體實施方式

下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。

實施例1

參見圖1，主跨806m斜拉橋1為雙向六車道高速公路橋梁，采用單柱式索塔2、分體式鋼箱主梁3、鋼絞線斜拉索。每塔25層的鋼絞線中，上部22層采用同向回轉(zhuǎn)拉索體系4。

參見圖2，同向回轉(zhuǎn)拉索體系4由拉索5、索塔2上設(shè)置的鞍座6、主梁3上設(shè)置的錨拉板7組成，具體設(shè)計如下：

1)參見圖3、圖5，在拉索體系設(shè)計坐標(biāo)系8內(nèi)建立拉索體系幾何、力學(xué)方程，對體系進(jìn)行多重循環(huán)修正計算，直至通過已知參數(shù)a得到精確的待定參數(shù)u：

a＝[拉索梁上錨固點(diǎn)至梁頂垂距dg，索、梁頂面交點(diǎn)至梁中平距yt，索、梁隔板交點(diǎn)對應(yīng)橋面設(shè)計高程點(diǎn)至塔軸縱距xe，索、梁隔板交點(diǎn)至梁頂垂距dc，鞍座頂點(diǎn)控制坐標(biāo)xa、za，鞍座控制半徑ra＇]。

實施例中，第4層至第25層(由下起計，每層4根)同向回轉(zhuǎn)拉索的參數(shù)a實際輸入如下：

u＝[a、b、g、t點(diǎn)坐標(biāo)，懸鏈線參數(shù)α、β，鞍座半徑ra、圓心角θa、斜度α＇，基準(zhǔn)圓筒半徑rs、切線夾短弧圓心角θs，梁段頂正傾角ic，索相對梁頂位置βc、βc＇]。

本實施例中，第4層至第25層(由下起計，每層4根)同向回轉(zhuǎn)拉索的參數(shù)u計算輸出(部分輸出)如下：

2)參見圖4，分別以過鞍座圓弧端點(diǎn)b、索塔底點(diǎn)的兩水平面與索塔2外表9的交線得到位于索塔外表面9上的雙平行線方程，進(jìn)而求得雙平行線在拉索垂度面10上的兩交點(diǎn)。計算兩交點(diǎn)連線與鞍座圓弧端點(diǎn)b的切線交點(diǎn)坐標(biāo)，即得到塔上鞍座出口點(diǎn)11準(zhǔn)確坐標(biāo)。

實施例中，第4層至第25層(由下起計，每層4根)同向回轉(zhuǎn)拉索的鞍座出口點(diǎn)11坐標(biāo)計算輸出如下：

3)建立拉索、鞍座、錨拉板通用數(shù)據(jù)庫c、s、b，幾何上述計算結(jié)果進(jìn)行拉索體系4各構(gòu)件尺寸設(shè)計和材料數(shù)量計算。

4)參見圖6，在autocad2012-simplifiedchinese設(shè)計軟件上按拉索體系4的施工過程由下至上地進(jìn)行拉索體系的三維設(shè)計和放樣，對每根新上的拉索體系均進(jìn)行其與先期拉索體系的交集處理，并檢查交集是否為0。交集不為0，則修正計算和設(shè)計。

5)參見圖7，拉索體系4的三維設(shè)計和放樣全部成功完成后，進(jìn)行設(shè)計參數(shù)匯總和材料數(shù)量統(tǒng)計。上部22層同向回轉(zhuǎn)拉索體系的176套鞍座全部由既定的索塔倒角面出塔，技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和景觀效果突出。

本實施例中，拉索系統(tǒng)主要材料數(shù)量統(tǒng)計輸出如下：

拉索系統(tǒng)主要材料數(shù)量匯總表(全橋)