CLS — 缆索吊装系统主索结构分析程序

1 CLS软件功能

CLS以主索的空缆找形结果自动生成非线性有限元分析模型，采用精确稳定的空间非线性悬链线索单元，使用高效算法处理索鞍处主索的滑移，利用自编的高效并行求解器，计算不同吊装荷载大小和位置时的主索垂度、索力分布、锚碇索鞍反力和主索在索鞍的滑移量。

图1-1 CLS程序界面

 

2 CLS软件功能细节

CLS具有如下具体功能特色：

（1）   根据指定索跨的垂度或索力开展空缆找形，自动生成有限元模型；

（2）   精确和稳定的空间非线性悬链线索单元，可考虑索鞍在塔架顶部的横向移动；

（3）   高效的索鞍处主索滑移处理方法，平均迭代次数不超过3次；

（4）   考虑牵引索和起吊索荷载、吊重和温度变化，吊重可作为移动荷载；

（5）   高效稳定的非线性平衡方程求解器，单工况求解时间不超过2s；

（6）   预留塔架结构模型接口，已有非线性空间梁单元和桁架单元模块，便于后期考虑主索、塔架和抗风索的整体响应。

 

3 CLS软件有效性验证

CLS程序的空间索单元通过诸多文献算例的验证。CLS程序的索单元+主索滑移策略通过以下桥梁施工缆吊系统已有资料的验证：

（1）   宜宾小南门金沙江大桥施工用缆索吊装系统；

（2）   南充下中坝大桥缆索吊装系统；

（3）   磨刀溪特大桥缆索吊装系统；

（4）   宁波春晓大桥缆索吊装系统；

（5）   江凯河特大桥缆索吊装系统；

（6）   乌梅河特大桥缆索吊装系统。

以下展示CLS程序的部分验证结果。

 

3.1 算例1：单跨索在均布荷载作用下的响应

（1）算例描述

本算例验证本程序的悬链线索单元性能。

（2）算例来源

[1] 陈政清,杨孟刚. 梁杆索结构几何非线性有限元-理论、数值实现与应用[M]. 人民交通出版社,2013. P148, 算例1.

[2] 唐建民. 基于欧拉描述的两节点索单元非线性有限元法[J]. 上海力学,1999, Vol.3.

（3）计算结果对比

本程序的计算结果对比如表3-1所示。

表3-1 算例1的计算结果对比

 

（4）本程序计算结果展示

图3-1 CLS计算算例1的结果展示

 

3.2 算例2：单跨索在均布荷载和集中力荷载作用下的响应

（1）算例描述

本算例验证本程序的悬链线索单元性能。

（2）算例来源

[1] 陈政清,杨孟刚. 梁杆索结构几何非线性有限元-理论、数值实现与应用[M]. 人民交通出版社,2013. P148, 算例2.

[2] 梁鹏. 超大跨度斜拉桥几何非线性及随机模拟分析[D]. 同济大学博士论文, 2013. P37.

（3）计算结果对比

本程序基于国际单位制开展计算，计算结果对比如表3-2所示。

表3-2 算例2的计算结果对比

 

（4）本程序计算结果展示

图3-2 CLS计算算例2的结果展示

 

3.3 算例3：磨刀溪特大桥缆索吊装系统主索响应

（1）算例描述

磨刀溪特大桥缆索吊装系统主索跨径布置为191+280+250m，吊装系统的缆索部分由主索、工作索和缆风索组成，其中主索上下游各两组，工作索和缆风索上下游各两组。本算例针对其中一组主索进行分析。

主索为6Φ56.0满充式钢丝绳，面积为0.01m²，弹性模量为115GPa，自重均布荷载为898.8N/m，主索按10.4m的空缆跨中垂度安装。牵引索和起重索的荷载为221.44N/m，吊具和吊重总荷载为1160kN，吊点间距28m，左吊点起吊距离为126m。

本算例验证本程序的悬链线索单元性能。

（2）算例来源

本算例来源于四川路桥桥梁工程有限责任公司。

（3）计算结果对比

本程序的计算结果对比如表3-3所示。

表3-3 算例3的计算结果对比

 

（4）本程序计算结果展示

图3-3 CLS计算算例3的结果展示

 

3.4 算例4：南充下中坝大桥缆索吊装系统主索响应

（1）算例描述

南充下中坝大桥缆索吊装系统的跨径布置为207.722+320+222.702m，主索为钢绳，弹性模量为115GPa，截面面积为0.006668m2，自重荷载为599N/m，主索按12.04m的空缆跨中垂度安装。牵引索和起重索的荷载为95N/m，吊具和吊重总荷载为491.4kN，吊点间距12m，左吊点起吊距离为178.86m。

本算例验证本程序的悬链线索单元和滑移索单元性能。

（2）算例来源

本算例来源于四川路桥桥梁工程有限责任公司。

（3）计算结果对比

本程序的计算结果对比如表3-4所示。

表3-4 算例4的计算结果对比

 

（4）本程序计算结果展示

图3-4 CLS计算算例4的结果展示

图3-5为南充下中坝大桥缆索吊装系统主索不考虑滑移时的计算结果，与图3-4所示考虑主索滑移的结果对比表明，相对于主索在索鞍处滑移的真实情况，不考虑主索滑移时的最大垂度减小23%（5.3m），最大索力增大29%（598kN）。

图3-5 CLS计算算例4时不考虑主索滑移的结果展示

 

3.5 算例5：宁波梅山春晓大桥缆索吊装系统主索响应

（1）算例描述

宁波梅山春晓大桥为主跨336m的下承式钢桁拱桥，拱肋采用缆索吊装法施工。缆索吊机的跨径布置为224+336+224m，采用各跨连续布置，中间转点支撑于塔顶的索鞍上，两端锚固在锚碇装置上，鞍座顶与锚碇的竖直距离为126m，主索在施工中的最大垂度垂跨比为1/13（25.8m）。主索分两组，每组由8φ56满充钢丝绳组成。缆索吊机的设计吊重为4×75t。平均到每根单索，索截面面积A=1667e－6m2，索自重W=14.98kg/m，集中荷载为2×9.375t（吊点纵向间距，a＝10m），钢绳的弹性模量E=130GPa，钢绳的线膨胀系数α=0.000012。

本算例验证本程序的悬链线索单元和滑移索单元性能。

（2）算例来源

邓享长,陈良春,张艳丽等. 基于悬链线理论的缆索吊装系统解析准确算法[J]. 中国公路学会桥梁和结构工程分会2014年全国桥梁学术会议论文集.

（3）计算结果对比

为与算例来源文献结果进行对比，本程序以一根单索作为分析对象。空索安装垂度为12.348m，不考虑牵引索和起重索荷载。计算时吊具位于跨中位置。

本程序的计算结果对比如表3-5所示。

表3-5 算例5的计算结果对比

 

（4）本程序计算结果展示

图3-6 CLS计算算例5的结果展示