1.基于无应力随动构形的缆索承重桥梁施工计算方法,其特征在于,构建可动态更新的索单元、梁单元及桁架单元,并建立适配张拉工序的单元动态更新机制,所述计算方法包括以下步骤:S1、获取缆索承重桥梁的结构信息,并对所述结构信息进行预处理;S2、将预处理后的结构信息分配至所述索单元、梁单元及桁架单元;S3、获取施工阶段信息;S4、根据所述施工阶段信息进行施工阶段循环计算,每个施工阶段依据无应力长度变化量执行单元动态更新,采用改进的迭代全量法进行非线性求解;S5、输出结果。
2.根据权利要求1所述的基于无应力随动构形的缆索承重桥梁施工计算方法,其特征在于,所述S4中,根据所述施工阶段信息进行施工阶段循环计算,每个施工阶段依据无应力长度变化量执行单元动态更新,采用改进的迭代全量法进行非线性求解,具体包括:S41、自动识别无应力长度发生改变的单元,并更新状态标志;S42、根据所述状态标志,按照所述单元动态更新机制对所述索单元、梁单元及桁架单元进行动态更新;其中,对于未更新的单元直接沿用其已缓存的切线刚度矩阵与自重荷载;对于更新后的单元重新计算其刚度矩阵和自重荷载,并将重新计算的刚度矩阵和自重荷载增量式地添加到桥梁整体刚度矩阵和自重荷载阵列的对应位置;S43、在每个施工阶段内,将外施荷载增量划分为若干增量步逐步施加,每个增量步内,采用基于全量法的迭代循环进行非线性求解,计算不平衡力;S44、对缆索承重桥梁结构中各自由度对应的不平衡力进行排序,得到不平衡力向量,当不平衡力向量收敛时,进行下一增量步计算,直至当前施工阶段计算结束。
3.根据权利要求2所述的基于无应力随动构形的缆索承重桥梁施工计算方法,其特征在于,索单元的切线刚度矩阵通过以下方式获得:根据S1获取的信息以及当前无应力长度建立索长与索端力的非线性方程组;采用迭代算法求解所述非线性方程组,求解出索端力;根据求解出的索端力,基于悬链线解析表达式得出索单元的切线刚度矩阵。
4.根据权利要求3所述的基于无应力随动构形的缆索承重桥梁施工计算方法,其特征在于,确定所述索单元的切线刚度矩阵的迭代初始值,包括:以施工阶段N-1索单元的杆端抗力作为基础参考值,结合该阶段索单元一端的切线刚度矩阵进行计算;用施工阶段N索单元的无应力长度变化量除以施工阶段N-1的单元无应力长度,再将结果与施工阶段N-1的索长向量相乘,最后将所得乘积与切线刚度矩阵、基础参考值依次叠加,得到施工阶段N的杆端抗力迭代初值。
5.根据权利要求2所述的基于无应力随动构形的缆索承重桥梁施工计算方法,其特征在于,索单元的切线刚度矩阵表示为: ;式中: 为索单元一端的切线刚度矩阵;E 1 为索单元的弹性模量;A 1 为索单元的面积;w为索单元的重度;S 0 为索单元的初始无应力长度; 为索单元的无应力长度变化量;F ij 为索单元i端j方向的杆端抗力向量。
6.根据权利要求5所述的基于无应力随动构形的缆索承重桥梁施工计算方法,其特征在于,梁单元的切线刚度矩阵表示为: ;式中:K e 为梁单元的弹性刚度矩阵;K g 为梁单元的几何刚度矩阵;K e 和K g 为关于无应力长度和无应力长度变化量的矩阵; 为梁单元的轴力;L 2 为梁单元受力后的长度;K ij (i,j=1,2)为弹性刚度矩阵的组成部分; (i,j=1,2)为几何刚度矩阵的组成部分。
7.根据权利要求6所述的基于无应力随动构形的缆索承重桥梁施工计算方法,其特征在于,桁架单元的切线刚度矩阵表示为: ;式中:E 3 为桁架单元的弹性模量;A 3 为桁架单元的截面积;H 0 为桁架单元的初始无应力长度; 为桁架单元施工过程中的无应力长度变化量;F 桁架 为桁架单元的轴力;L 3 为桁架单元受力后的长度。
8.根据权利要求7所述的基于无应力随动构形的缆索承重桥梁施工计算方法,其特征在于,梁单元轴力、桁架单元轴力的计算公式为: ;式中:E 2 为梁单元的弹性模量;A 2 为梁单元的截面积;L 0 为梁单元的初始无应力长度; 为梁单元施工过程中的无应力长度变化量;L 2 为梁单元受力后的长度。
9.根据权利要求1所述的基于无应力随动构形的缆索承重桥梁施工计算方法,其特征在于,所述步骤S1中的预处理包括节点自由端处理及CR坐标系生成。
10.根据权利要求1所述的基于无应力随动构形的缆索承重桥梁施工计算方法,其特征在于,所述缆索承重桥梁包括斜拉桥、悬索桥或拱桥。
11.根据权利要求2所述的基于无应力随动构形的缆索承重桥梁施工计算方法,其特征在于,所述桥梁整体刚度矩阵的维度与所述预处理后的结构信息中的总自由度相等。
12.根据权利要求1所述的基于无应力随动构形的缆索承重桥梁施工计算方法,其特征在于,所述S5中,输出结果包括:各施工阶段节点坐标与位移、单元杆端力、约束支反力及结构位形图。
13.基于无应力随动构形的缆索承重桥梁施工计算系统,其特征在于,所述系统用于执行权利要求1-12任一项所述的基于无应力随动构形的缆索承重桥梁施工计算方法,所述系统包括:结构信息获取模块,用于获取缆索承重桥梁的结构信息,并对所述结构信息进行预处理;分配模块,用于将预处理后的结构信息分配至所述索单元、梁单元及桁架单元;施工信息获取模块,用于获取施工阶段信息;非线性有限元动态计算模块,根据所述施工阶段信息进行施工阶段循环计算,每个施工阶段依据无应力长度变化量执行单元动态更新,采用改进的迭代全量法进行非线性求解;其中,动态更新的过程具体包括:自动识别无应力长度发生改变的单元,并更新状态标志;根据所述状态标志,按照所述单元动态更新机制对所述索单元、梁单元及桁架单元进行动态更新;其中,对于未更新的单元直接沿用其已缓存的切线刚度矩阵与自重荷载;对于更新后的单元重新计算其刚度矩阵和自重荷载,并将重新计算的刚度矩阵和自重荷载增量式地添加到桥梁整体刚度矩阵和自重荷载阵列的对应位置;在每个施工阶段内,将外施荷载增量划分为若干增量步逐步施加,每个增量步内,采用基于全量法的迭代循环进行非线性求解,计算不平衡力;对缆索承重桥梁结构中各自由度对应的不平衡力进行排序,得到不平衡力向量,当不平衡力向量收敛时,进行下一增量步计算,直至当前施工阶段计算结束;输出模块,用于输出结果。