[发明专利]悬索桥中跨主缆跨中挠度和高程随温度变化的估算方法

说明书

本发明提供一种悬索桥中跨主缆跨中挠度和高程随温度变化的估算方法，属于桥梁结构分析技术领域。该方法首先计算中跨主缆温度变化引起的中跨主缆跨中挠度变化，然后计算边跨主缆温度变化引起的中跨主缆跨中挠度变化和桥塔温度变化引起的中跨主缆跨中挠度变化，最后计算温度变化引起的中跨主缆跨中挠度总变化。该方法在计算悬索桥中跨主缆的温度变形时，同时考虑了中跨主缆、边跨主缆、桥塔三部分的贡献，与仅考虑中跨主缆贡献的方法相比，精度得到了极大提高。该方法可仅凭悬索桥总体尺寸布置估计温度效应，适于现场匡算；可用于指导悬索桥初步设计阶段参数的合理取值；或优化悬索桥结构健康监测系统的温度测点布设，为温度变形基准模型的建立提供先验知识。

技术领域

本发明涉及桥梁结构分析和结构健康监测技术领域，特别是指一种悬索桥中跨主缆跨中挠度和高程随温度变化的估算方法。

背景技术

主缆跨中挠度是悬索桥设计、监测中的关键指标。现场监测发现，该指标在桥梁正常运营期间会随着环境温度变化而发生可观的变化，从而掩盖由结构损伤或退化引起的指标变化。如果能从实测总挠度变化中分离掉与温度相关的挠度变化，则可凸显由结构损伤或退化引起的挠度异常变化，更准确地判断结构的健康状况。因此，研究环境温度变化与悬索桥主缆跨中挠度的关系十分必要。

目前根据温度变化计算悬索桥主缆跨中挠度变化的方法大致有三类：(1)回归分析；(2)有限元分析；(3)物理机理公式。回归分析不反映变量间的因果关系，所得模型仅针对特定桥梁，通用性差；有限元分析虽然精度高，但需要详细的设计资料和必要的专业知识，对不同的桥梁要分别建模，同样存在模型通用性差的弊端；物理机理公式虽然是近似估算，但概念清晰，通用性强，方便参数分析和现场匡算，具有前两种方法所不具备的优势。然而，现有悬索桥温度变形的物理机理公式采用单根悬索的变形公式，相当于只考虑中跨主缆伸长的影响。悬索桥是具有梁、塔、索的高次超静定结构，不同构件的变形随自身温度变化而变化且相互影响，导致主缆挠度与温度的关系十分复杂，仅考虑中跨主缆的单根悬索计算公式存在明显误差。

本发明提供的环境温度变化下悬索桥中跨主缆跨中挠度和高程变化的实用计算方法属于物理机理公式法，计算中除考虑中跨主缆的热胀冷缩效应外，创造性地引入了边跨主缆和桥塔热胀冷缩引起的中跨主缆跨中挠度变化，大大提高了挠度和高程估计精度，使公式真正具有实用性。

本发明在公式推导中未限制两座桥塔塔顶高度相等的条件(即中跨主缆的弦线可不等于水平跨距)，使公式更具普遍性。同时，对于数量最多的两塔等高的情况，本发明给出了形式简单的实用计算公式。由于计入桥塔热胀冷缩的影响，本发明的实用计算公式包含桥塔温度和线膨胀系数。然而，目前的桥梁结构健康监测对悬索桥中跨主缆温度变形的认识不足，许多悬索桥未安装桥塔温度计。本发明亦对此类情况给出了相应的估算公式，以方便工程技术人员使用。

本发明提供的悬索桥中跨主缆跨中挠度和高程随温度变化的实用计算方法概念清晰，计算便捷，通用性强，可仅凭悬索桥总体尺寸布置估计温度效应，适用于现场匡算；亦可用于指导悬索桥初步设计阶段参数的合理取值，便于方案比选；还可用于优化悬索桥结构健康监测系统的温度测点布设，并为温度变形基准模型的建立提供先验知识。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种悬索桥中跨主缆跨中挠度和高程随温度变化的估算方法。

该方法针对地锚式双塔悬索桥由环境温度变化引起的中跨主缆的跨中挠度和中跨主缆的跨中高程的变化，提出估算公式。由于悬索桥的主缆和主梁在中跨跨中处的竖向位移几乎相等，所以悬索桥中跨主梁的跨中高程也可以按照中跨主缆的跨中高程公式估计。具体过程如下：

(1)计算中跨主缆温度变化引起的中跨主缆跨中挠度变化：