專利名稱：索桿截面幾何剛度的精細(xì)識(shí)別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于截面剛度的識(shí)別方法領(lǐng)域，尤其涉及不規(guī)則、不封閉的索桿截面幾何剛度的精細(xì)識(shí)別方法，其方法直接用于各種索桿截面的剛度計(jì)算，為索桿結(jié)構(gòu)內(nèi)力的精細(xì)測(cè)量提供基礎(chǔ)。
背景技術(shù)：
近年來，我國(guó)的工程建設(shè)事業(yè)迎來了快速發(fā)展時(shí)期。而由于索桿具備結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、美觀、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)，使得索桿大量地應(yīng)用于工程建筑中，特別在橋梁建設(shè)中，如斜拉橋斜拉索、拱橋吊桿、拱橋系桿、懸索橋主攬等都是索桿。索桿的索力大小關(guān)系到結(jié)構(gòu)安全，在索桿的應(yīng)用中，索桿的索力一般都很大，如在斜拉橋中，斜拉索甚至能承受幾百噸的力，然后將力傳遞到索桿連接的結(jié)構(gòu)上，如主塔、主梁、端橫梁、主拱等，可見，索桿的索力對(duì)于這些連接結(jié)構(gòu)的局部及整體受力都至關(guān)重要。而索桿截面的幾何剛度是索桿能承受的索力大小的一個(gè)重要影響參數(shù)。因此，如何精細(xì)識(shí)別索桿截面的幾何剛度成為了本技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵。索桿一般由平行鋼絲或者鋼絞線組成，索桿截面就是由幾十根，上百根的鋼絲截面構(gòu)成。索桿截面主要有兩種類型，一種是由平面鋼絲緊密組合成的截面，小圓形是鋼絲截面，由一定量的小圓形截面緊密組成的形如圓形的大截面就是索桿截面，大截面由PE護(hù)套保護(hù)；另外一種是由鋼絞線緊密組合成的截面，小圓形是截面是鋼絲，而由若干根小圓形截面組合成的中型截面是一條鋼絞線，鋼絞線如果有PE內(nèi)護(hù)套保護(hù)，就叫分離式鋼絞線索；鋼絞線如果沒有PE護(hù)套保護(hù)，而直接緊密接觸在一起，就叫鋼絞線索，由一定數(shù)量的鋼絞線緊密組成的形如圓形的大截面是索桿截面，索桿截面外包PE外護(hù)套保護(hù)。因此，索桿截面的基本結(jié)構(gòu)元素是圓形鋼絲，在圓形鋼絲緊密組合之后，圓形鋼絲之間留下有孔隙，其中鋼絲接觸緊密程度，影響鋼絲間孔隙的大小。鋼絲受有軸向力時(shí)，鋼絲截面大小發(fā)生變化，鋼絲間的孔隙也因此而變化，鋼絲在受到橫向作用力時(shí)，如果橫向力較小，鋼絲間軸向不發(fā)生滑移，那么索桿截面能夠滿足平截面假定，如果橫向力較大，鋼絲見軸向發(fā)生滑移，那么索桿截面不能滿足平截面假定。但索桿截面的幾何剛度對(duì)計(jì)算索桿內(nèi)力有著重要作用，目前尚無固定的方法可以精細(xì)識(shí)別不規(guī)則、不封閉的索桿截面的幾何剛度(靜剛度)，因此，需要一種可以精細(xì)識(shí)別索桿截面幾何剛度的方法，為索桿結(jié)構(gòu)內(nèi)力的精細(xì)計(jì)算提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種適用于不規(guī)則、不封閉的索桿截面幾何剛度的精細(xì)識(shí)別方法，解決了目前由于索桿截面是一個(gè)不規(guī)則、不封閉的面域而沒有一個(gè)固定的方法進(jìn)行精細(xì)識(shí)別索桿截面的幾何剛度的技術(shù)難題，為索桿結(jié)構(gòu)內(nèi)力的精細(xì)計(jì)算提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案一種索桿截面幾何剛度的精細(xì)識(shí)別方法，該方法是基于分層級(jí)計(jì)算鋼絲圓截面慣性矩精細(xì)識(shí)別索桿截面幾何剛度的方法，其依次包括以下步驟步驟一，將索桿截面進(jìn)行等六邊形分層，即將索桿的截面由內(nèi)向外分成η個(gè)等六邊形，然后采集索桿截面的基本參數(shù)信息，包括索桿內(nèi)的鋼絲根數(shù)、鋼絲受的軸向力、鋼絲材料彈性模量和鋼絲截面面積等；步驟二，通過公式(I)計(jì)算索桿截面在不受力狀況下的截面慣性矩I’ Γ =CnT4 (I)式中，Cn為截面慣性矩系數(shù)，不同的索桿類型，Cn的取值分別如下(a)對(duì)于平行鋼絲索桿截面，當(dāng)截面為等六邊形鋼絲截面時(shí)N=Nh,
C =|(0.5+ 3.5// + 8.5/ 2 +10// +5/ 4);當(dāng)截面為非全截面等六邊形鋼絲截面時(shí)N Φ Nh,①N3為奇數(shù)，N4 為零時(shí)(=—[5//,4 +10/ 2' + (Β. — 2ΑΝ3)//2* + (6Λζ* —2.5)//, + (0.5 — — 2Ν3 )]
②N3為偶數(shù)或者N4不為零時(shí)
Cn+10 3 + (8.5 - 24^3 + 4#4)//22 + (61/ - IN具-2馬-2.5) + (0.5 - N、- IN^
+ Λ；(Λ； + 1)2)]:(b)對(duì)于鋼絞線索桿截面，整體式鋼絞線索桿截面的截面慣性矩系數(shù)Cn = —(27.5 + 208.5 + 523.5/ 2 + 630 3 + 3 15//)；
2分離式鋼絞線索桿截面的截面慣性矩系數(shù)
Cn = |[27.5 + (208.5 + Mrh +14,/)"+(523.5 + IMrh + 49/}；)// + (630 + 420/· + 70//)//
+(315 + 210^ + 35/^2)//4];式中，η為等六邊形層級(jí)；Ν為鋼絲根數(shù)；Nh=l+3n(n+l)為等六邊形層級(jí)的基本單元數(shù)；等六邊形每條邊包含的鋼絲數(shù)量為n2+l ;N3為非全截面等六邊形每個(gè)角減少的數(shù)量，N3的值為Νμ/6的最小整數(shù)；Ν4為Νμ/6的余數(shù)；Νμ為最外層等六邊形缺少的鋼絲數(shù)；步驟三，通過公式(2)與公式(3)計(jì)算索桿截面在受軸向力作用下的截面慣性矩I I=IrfI' =Γ (1+ ε / )4 (2)
-v yε, =--(3)
EA式中，I為索桿截面在受軸向力作用下的截面慣性矩，Γ為索桿截面在不受力狀況下的截面慣性矩，Irt為索桿截面在受軸向力作用下的截面慣性矩折減系數(shù)，ε'為鋼絲橫向線應(yīng)變，V為泊松比，F(xiàn)為鋼絲受的軸向力，E為鋼絲材料彈性模量，A為鋼絲截面面積；步驟四，將步驟三得出的截面慣性矩I再乘以鋼絲材料彈性模量，即可得到索桿截面幾何剛度。所述的將索桿截面進(jìn)行等六邊形分層是以中間的基本單元為基礎(chǔ)，以等六邊形的形式向四周分層擴(kuò)散。所述的基本單位，對(duì)于平行鋼絲索桿截面，其基本單元是鋼絲，對(duì)于鋼絞線索桿截面，其基本單元是鋼絞線。所述的截面慣性矩為基本單元截面對(duì)中和軸的慣性矩之和，其通用公式為
[
權(quán)利要求
1.一種索桿截面幾何剛度的精細(xì)識(shí)別方法，其特征在于該方法是基于分層級(jí)計(jì)算鋼絲圓截面慣性矩而精細(xì)識(shí)別索桿截面幾何剛度的方法，其依次包括以下步驟 步驟一，將索桿截面進(jìn)行等六邊形分層，即將索桿的截面由內(nèi)向外分成n個(gè)等六邊形，然后采集索桿截面的基本參數(shù)信息，包括索桿內(nèi)的鋼絲根數(shù)、鋼絲受的軸向力、鋼絲材料彈性模量和鋼絲截面面積； 步驟二，通過公式(I)計(jì)算索桿截面在不受力狀況下的截面慣性矩I’ r =Cnr4 (I) 式中，Cn為截面慣性矩系數(shù)，不同的索桿類型，Cn的取值分別如下 (a)對(duì)于平行鋼絲索桿截面，當(dāng)截面為等六邊形鋼絲截面時(shí)N=Nh,Q =|(0.5 + 3.5/ +8.5/ 2 +IOn3 +Sn4);當(dāng)截面為非全截面等六邊形鋼絲截面時(shí)N關(guān)Nh，①N3為奇數(shù)，N4 為零時(shí) C =^"[5//24+ 10/ 3+ (8.5-24M)//2-+ (6|-2.5)/ + (0.5-%-2火3)]，②N3為偶數(shù)或者N4不為零時(shí)
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的索桿截面幾何剛度的精細(xì)識(shí)別方法，其特征在于所述的將索桿截面進(jìn)行等六邊形分層是以中間的基本單元為基礎(chǔ)，以等六邊形的形式向四周分層擴(kuò)散。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的索桿截面幾何剛度的精細(xì)識(shí)別方法，其特征在于所述的基本單位，對(duì)于平行鋼絲索桿截面，其基本單元是鋼絲，對(duì)于鋼絞線索桿截面，其基本單元是鋼絞線。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的索桿截面幾何剛度的精細(xì)識(shí)別方法，其特征在于所述的截面慣性矩為基本單元截面對(duì)中和軸的慣性矩之和，其通用公式為 I=I^I2 (4)式中，I1為基本單元截面對(duì)其中和軸的慣性矩總和，對(duì)于平行鋼絲索桿截面，其值為/64XD4XN, D為鋼絲截面的直徑，N為基本單元的數(shù)量；對(duì)于鋼絞線索桿截面，其基本單元是7根鋼絲，I1值為13. 75NJir4, r是鋼絲的半徑；12為基本單元截面面積與其形心到索桿截面中和軸距離的平方的乘積總和，其值為，A為基本單元截面面積，Cli為每個(gè)基本單元截面形心到索桿截面中和軸的距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的索桿截面幾何剛度的精細(xì)識(shí)別方法，其特征在于所述的慣性矩I2中每個(gè)基本單元分層級(jí)求解過程如下第 I 層級(jí) Jn = ^(2/^05(^))- *4 = !,AR1 *4 ； 6第 2 層級(jí):/22 二 -42Wcos(營(yíng))本2)1 *6 + _42Wcos(營(yíng)))2 *4 = IAR1 *6*I1 + ZAR1 *4 ;第 3 層級(jí)/23 二 ^(2^ cos(—)*3)2 *8 + ^(2^ cos(—)*2)2 *4+ A(2Rcos{^-)f 承 46 6 6=3AR1 *8 *32 + ^AR2 *2.^ 4 + ^AR1 *4 ;第 n 層級(jí):,2” =3淑2(2(// + 1)/廠 + 之4(/-1)2); /=2 將第I層級(jí)至第n層級(jí)的結(jié)果累計(jì)相加，即可得到慣性矩12。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述的索桿截面幾何剛度的精細(xì)識(shí)別方法，其特征在于所述的n的最大值為六邊形層數(shù)值，并按照索桿截面的實(shí)際情況取值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述的索桿截面幾何剛度的精細(xì)識(shí)別方法，其特征在于該方法在索桿截面幾何剛度的識(shí)別、測(cè)定索桿內(nèi)力、索桿結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算及穩(wěn)定性分析方面的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種索桿截面幾何剛度的精細(xì)識(shí)別方法，該方法是基于分層級(jí)計(jì)算鋼絲圓截面慣性矩而精細(xì)識(shí)別索桿截面幾何剛度的方法，其依次包括以下步驟步驟一，將索桿截面進(jìn)行等六邊形分層，即將索桿的截面由內(nèi)向外分成n個(gè)等六邊形，然后采集索桿截面的基本參數(shù)信息，包括索桿內(nèi)的鋼絲根數(shù)、鋼絲受的軸向力、鋼絲材料彈性模量和鋼絲截面面積；步驟二，通過公式計(jì)算索桿截面在不受力狀況下的截面慣性矩I’；步驟三，通過公式與公式計(jì)算索桿截面在受軸向力作用下的截面慣性矩I；步驟四，將步驟三得出的截面慣性矩I再乘以鋼絲材料彈性模量，即可得到索桿截面幾何剛度。該識(shí)別方法得出的結(jié)果精度高、誤差小。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102779237SQ20121028041
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月8日
發(fā)明者周曉蓉, 張?jiān)? 王榮輝, 邱波, 馬玥 申請(qǐng)人:廣西交通科學(xué)研究院