CN106777549A - 一种面向荷载试验的桥梁多尺度有限元模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向荷载试验的桥梁多尺度有限元模拟方法，其特征在于该方法包括以下步骤：第一步：结合设计竣工图纸建立全桥杆系单元模型，计算全桥结构的内力包络图，得出最不利受力的控制截面；第二步：将所述控制截面用板壳或实体单元模拟得到板壳或实体单元模型，同时删除所述控制截面的杆系单元模型；第三步：耦合为一体组成多尺度有限元模型，并验证其正确性；第四步：在验证后的所述多尺度有限元模型上进行荷载试验模拟。验证后的多尺度有限元模型由于模拟出了整体和局部受力情况，加快了计算速度和提高精度。

Description

一种面向荷载试验的桥梁多尺度有限元模拟方法

技术领域

本发明涉及桥梁模拟，具体涉及一种面向荷载试验的桥梁多尺度有限元模拟方法。

背景技术

经过改革开放30多年的发展，我国桥梁建设取得了举世瞩目的成就。截至2015年底，我国公路桥梁总数已达77.92万座，4592.77万延米。我国已建成的梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥这四类桥梁的跨径均居世界同类桥梁前列。然而，经过30多年的大规模基础设施建设，当前步入维修期的桥梁数量日益增多。据不完全统计，目前仅公路桥梁中危桥数量高达7.96万座，约占公路桥梁总数的10.5％，直接影响人民的正常安全出行。面向寿命期内桥梁养护的科学决策，需要桥梁技术人员对桥梁结构的技术状况和承载能力进行科学准确地评定。荷载试验是评定桥梁结构承载能力最直接、有效的鉴定方法，其核心思想是将桥梁结构关键参数的现场加载所获得的实测值与有限元模型计算的理论值进行比较，并对桥梁结构的承载能力进行评定。但是传统的杆系单元有限元模型有诸多弊端，如各测点实测值无法直接与理论值比较，不能够反映结构的局部刚度变化和质量分布等。

同时，桥梁荷载试验不仅承担着评定结构承载能力的作用而且为科研提供实测数据，如桥梁结构的剪力滞效应、偏载效应等。一般地，对于桥梁结构的局部分析是根据圣维南原理，采用子模型的方法，即首先进行整体分析，然后再对局部部位进行“二次分析”的方法。子模型方法需要对结构建立整体简化的有限元模型与局部精细化的有限元模型，并利用整体简化的有限元模型对结构进行整体分析，然后将整体分析得出的相应于局部精细有限元模型边界处的结果以边界约束和边界条件的方式施加到局部模型上，最后对局部精细有限元模型进行再分析。但是，该方法的弊端是局部精细化模型的边界条件析取与添加较为困难，因为从整体到局部，施加在局部模型上的边界条件的选取是很复杂的，边界条件选取不当直接会导致局部分析的结果相距甚远，同时子模型方法仍然是在单一尺度上模拟的，只不过整体简化模型和局部精细模型是分开的。

发明内容

本发明要解决的问题是针对现有技术中所存在的上述不足而提供一种面向荷载试验的桥梁多尺度有限元模拟方法可以很好地模拟桥梁的整体和局部受力情况，

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种面向荷载试验的桥梁多尺度有限元模拟方法，包括以下步骤：

第一步：结合设计竣工图纸建立全桥杆系单元模型(即单梁模型)，通过施加设计荷载等级，计算全桥结构的内力包络图，得出最不利受力的截面，即为控制截面；

第二步：将所述控制截面用板壳或实体单元模拟得到板壳或实体单元模型，同时删除所述控制截面的杆系单元模型；

第三步：将已经删除了控制截面杆系单元模型的所述单梁模型和所述板壳或实体单元模型耦合为一体组成多尺度有限元模型；

第四步：在所述多尺度有限元模型上进行荷载试验模拟。

进一步，所述耦合方法有约束方程法。

进一步，通过对已经删除了控制截面杆系单元模型的所述单梁模型进行静力特性与动力特性的对比来验证多尺度模型的准确性。

一种基于所述面向荷载试验的桥梁多尺度有限元模拟方法的控制作用分析，基于桥梁模态分析的运动微分方程组进行求解并得到固有频率，选取结构前几阶自振频率和振型。

进一步，所述桥梁模态分析采用子空间迭代法。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：验证后的多尺度有限元模型由于模拟出了整体和局部受力情况，在加快计算速度和提高精度的同时上进行荷载试验模拟，不仅可以在验证后的多尺度有限元模型上进行荷载试验方案设计以用于对桥梁结构的承载能力的评定，为桥梁交(竣)工验收及后期养护管理提供科学依据，还可以进行针对性的科研工作，诸如剪力滞效应、偏载效应(偏载系数、扭转变形、横向增大系数等)等。

附图说明

图1为本发明面向荷载试验的桥梁多尺度有限元模拟流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与作用更加清楚及易于了解，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述：

本发明提出了一种面向荷载试验的桥梁多尺度有限元模拟方法，包括以下步骤：

第一步：结合设计竣工图纸建立全桥杆系单元模型(即单梁模型)，建模过程中实现建立、复制节点和单元或者输入荷载等，在划分单元时，需要考虑如下因素：a，研究所述单梁模型所需求的计算精度；b，结构的形态变化(包括梁的长度、宽度和厚度变化)；c，桥面荷载和车辆活载作用的模拟要求；d，计算求解过程中为避免病态问题所要求的单元形态和单元之间的匹配；e，计算设备的能力；通过参考《公路桥涵设计通用规范》或者《城市桥梁设计规范》施加设计荷载等级，计算全桥结构的内力包络图采用(1)绘制某一截面内力的影响线；(2)确定最不利荷载位置；(3)计算最大和最小内力；(4)在拟作包络图的杆件上等距指定若干截面(称包络图控制截面)，按(1)～(3)步，计算各截面在行列荷载作用下的最大和最小内力值；(5)以截面坐标为包络图控制点的横坐标，以上述最大和最小值为纵坐标，在图上标出控制点的位置；用平滑曲线分别连接最大点和最小点，即得所求包络图；然后选出得出最不利受力的截面即最大弯矩截面，也是控制截面；

第二步：采用有限元分析软件将所述控制截面用板壳或实体单元模拟，建立所述控制截面的板壳或实体单元模型；板壳单元的力学模型取为结构单元的中性面，即以各中性面来代表为不同厚度的板或壳单元的组合体，以此来模拟结构体；板壳单元通常是平面任意四边形或者任意三角形单元，或者空间上四个三角形单元构成锥形板所模拟的四边形薄壳单元；考虑到所述控制截面会存在局部细节的受力情况，如模拟梁的端板，螺栓连接的等情形，这时候需用所述实体单元进行模拟；删除所述控制截面的杆系单元模型，那么此时所述单梁模型将不具有所述控制截面的杆系单元。

第三步：将已经删除了控制截面杆系单元模型的所述单梁模型和所述板壳或实体单元模型耦合为一体组成多尺度有限元模型，即将所述板壳或实体单元嵌入到已删除控制截面的梁单元模型的全桥杆系有限元模型中，组合成多尺度有限元模型，此时结构的一部分离散为梁单元，一部分离散为壳单元，可采用约束方程法以及刚度叠加法，使用约束方程法需要逐一建立约束方程式，用约束方程法模拟梁结构，还可以采用伪梁法、刚性区域法(主从节点法)、MPC法(多点约束法)等；

第四步：在所述多尺度有限元模型上进行荷载试验模拟，试验依据参考《公路桥梁荷载试验规程》或者《城市桥梁检测与评定技术规范》实行，桥梁的自重作用在全桥单元上，桥面铺装和二期恒载等荷载采用均布荷载作用在全桥单元上，车辆活载按照静力等效原理作用在桥面板的所述板壳单元上，所述多尺度有限元模型由于模拟出了整体和局部受力情况，在加快计算速度和提高精度的同时上进行荷载试验方案设计以用于对桥梁结构的承载能力的评定，为桥梁交(竣)工验收及后期养护管理提供科学依据，还可以进行针对性的科研工作，诸如剪力滞效应、偏载效应(偏载系数、扭转变形、横向增大系数等)等。

作为具体实施例，所述耦合方法有约束方程法，因为平面单元没有转动自由度，所以通过采用约束方程法可以实现力矩的传递；例如梁单元与实体单元有一个节点位置重合，为使位移和力矩能够传递，则需要耦合两个节点的三个平移自由度，同时还需要用约束方程限制梁的三个转动自由度。

作为具体实施例，通过对已经删除了控制截面杆系单元模型的所述单梁模型进行静力特性(主要包括结构在恒载作用下的内力、支反力与位移响应)与动力特性(主要包括自振频率与模态振型)的对比来验证多尺度模型的准确性。

一种基于所述面向荷载试验的桥梁多尺度有限元模拟方法的控制作用分析，是基于桥梁模态分析的运动微分方程组进行求解并得到固有频率，在结构动力性能分析中选取结构前几阶自振频率和振型，因为一般只有前几阶自振频率和振型起控制作用，运动微分方程组可采用式中[M]、[C]、[K]分别为总质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；{δ}为节点位移向量；***的特征行列式为|[K]-ω²[M]|＝0。

作为具体实施例，所述桥梁模态分析采用子空间迭代法。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种面向荷载试验的桥梁多尺度有限元模拟方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

第一步：结合设计竣工图纸建立全桥杆系单元模型(即单梁模型)，通过施加设计荷载等级，计算全桥结构的内力包络图，得出最不利受力的截面，即为控制截面；

第二步：将所述控制截面用板壳或实体单元模拟得到板壳或实体单元模型，同时删除所述控制截面的杆系单元模型；

第三步：将已经删除了控制截面杆系单元模型的所述单梁模型和所述板壳或实体单元模型耦合为一体组成多尺度有限元模型；

第四步：在所述多尺度有限元模型上进行荷载试验模拟。

2.根据权利要求1所述一种面向荷载试验的桥梁多尺度有限元模拟方法，其特征在于：所述耦合方法有约束方程法。

3.根据权利要求1所述一种面向荷载试验的桥梁多尺度有限元模拟方法，其特征在于：通过对已经删除了控制截面杆系单元模型的所述单梁模型进行静力特性与动力特性的对比来验证多尺度模型的准确性。

4.一种基于权利要求1所述面向荷载试验的桥梁多尺度有限元模拟方法的控制作用分析方法，其特征在于：基于桥梁模态分析的运动微分方程组进行求解并得到固有频率，选取结构前几阶自振频率和振型。

5.根据权利要求4所述的一种动力特性分析方法，其特征在于：所述桥梁模态分析采用子空间迭代法。