基于成桥荷载试验的桥梁有限元模型修正课件.pptx
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- 基于 荷载 试验 桥梁 有限元 模型 修正 课件
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1、基于成桥荷载试验的襄阳汉江五桥有限元模型修正导师:*答辩人:*学 院:理 学 院专 业:工程力学 汉江五桥是位于襄阳市的一座典型的大跨度连续刚构梁拱组合桥构造特点:拱肋:拱肋:1.1.变变高度八边形箱型高度八边形箱型截面,截面,内部设加劲肋、横隔板。内部设加劲肋、横隔板。2.2.净宽:净宽:2.47m,2.47m,高度:高度:2.473.97m2.473.97m。3.3.共共8484根吊杆,间隔根吊杆,间隔6m6m。跨径:跨径:77+138+138+77=430m77+138+138+77=430m 主梁主梁:1.:1.大大悬臂斜腹板单箱三室悬臂斜腹板单箱三室截面截面,桥面横向坡度桥面横向坡度
2、2 2%。2.2.桥墩处箱梁高度达桥墩处箱梁高度达7.8m7.8m,跨中跨中3.0m3.0m。3.3.桥墩与箱梁之间采用固结形式。桥墩与箱梁之间采用固结形式。汉江五桥是内环线闭合环的主要过江通道,作为市区内环线控制性工程,对其全桥有限元模型进行“整体-局部”修正,对于长期健康监测具有重要价值。背景介绍模型修正局部分析刚域探讨根据工程实际所建立的MIDAS全桥模型,对于整体有限元模型修正中几个关键因素进行分析研究在局部分析的基础上利用成桥荷载试验结果和人工神经网络方法,重点对拱桥拱脚部位的刚域效应及结构的杨氏模量合理取值进行探讨由“整体到局部”的分析思路,利用ANSYS软件掌握拱脚处应力大小及分
3、布规律,从而对拱脚处构造做出综合评价处理方式的不同处理方式的不同:梁单元模型:拱肋隔板以节点荷载的形式施加于拱肋节点处;板单元模型:按设计对应截面处增设加强隔板、标准隔板。梁与板单元模型边墩对比梁与板单元模型边墩对比梁与板单元模型中墩对比梁与板单元模型中墩对比挠度对比挠度对比箱梁剪力对比箱梁剪力对比箱梁弯矩对比箱梁弯矩对比非常接近,一部分节点存在0.010.02mm差别,跨中0.41mm模型二最大竖向位移83.9mm,相差1%拱脚附近:10%15%拱肋拱肋箱梁箱梁箱梁应力除墩顶外,其余位置均比较接近拱肋应力:模型一 模型二 由于模型一中没有考虑隔板参加受力,使得顶底板分担的应力比模型二稍有增加
4、,拱脚部位相差稍大。拱脚处于拱肋与箱梁交接处,是结构传力的重要部位,因此底板存在应力集中现象,梁单元模型则无法体现这一特点。由于无加强横隔板,梁单元模型在吊杆连接处出现了明显的应力集中现象,在板单元模型中由于横隔板的存在较好地消除了这一现象。在加劲肋与横隔板连接处出现较大拉应力,这些部位在梁单元模型中都是被简化忽略掉的。有无桩土作用模型对比“m”法:zxzm z x()()pzszxspzzza bm z xPAKa bm zxxx工况一:恒载(1.0)+活载(1.0)+风荷载(1.2)工况二:恒载(1.0)+活载(0.85)+风荷载(0.75)+整体升温(1.2)工况三:恒载(1.0)+活载
5、(0.85)+风荷载(0.75)+整体降温(1.2)试验工况:工况(不考虑)轴力Fx 剪力Fy剪力Fz 扭矩Mx 弯矩My弯矩Mz 应力(kN)(kN)(kN)(kN*m)(kN*m)(kN*m)(MPa)115671.72-354.0855234.9021083.56-1501738.545739.09-8.96216541.29-68.9236803.2416435.04-1458615.956883.38-8.68312569.27-68.9266989.6716435.04-1550818.956883.38-9.28工况(考虑)轴力Fx 剪力Fy剪力Fz 扭矩Mx 弯矩My弯矩Mz
6、应力(kN)(kN)(kN)(kN*m)(kN*m)(kN*m)(MPa)115679.54-206.5951717.0119257.90-1497744.466998.48-8.98216625.92-88.0436789.5616106.39-1454937.407023.18-8.70312465.21-88.0461503.9716106.39-1546669.327023.18-9.30箱梁拱脚内力对比表:1.考虑桩土作用模型中的土弹簧分担了很大一部分横向荷载。2.基底桩为摩擦桩,因此剪力相差较大,达到6.8%。3.在考虑桩土作用时未考虑桩身转动弹性刚度。工况(不考虑)轴力Fx 剪力
7、Fy剪力Fz 扭矩Mx 弯矩My弯矩Mz 应力(kN)(kN)(kN)(kN*m)(kN*m)(kN*m)(MPa)113108.4961.202040.289831.82281650.46-1500.7515.1211573.85101.401188.158461.53258090.162769.2413.8311296.96101.402344.418461.53298843.732769.2515.9工况(考虑)轴力Fx 剪力Fy剪力Fz 扭矩Mx 弯矩My弯矩Mz 应力(kN)(kN)(kN)(kN*m)(kN*m)(kN*m)(MPa)112970.70149.962144.6299
8、03.30282111.60-1900.2415.0211664.15139.701229.518489.45258313.24432.9213.7310998.63139.702510.828489.45299425.64432.9215.8箱梁跨中内力对比表:1.与箱梁拱脚类似,横向剪力与水平弯矩增幅对应拱脚部位的降幅。在全桥结构要保持平衡的前提条件下,拱脚部位因为桩土效应而减小的内力值转移到了跨中。2.结构内部由于膨胀和收缩产生变形,内力累积效应在跨中部位体现最为明显。工况(不考虑)轴力Fx 剪力Fy剪力Fz 扭矩Mx 弯矩My弯矩Mz 应力(kN)(kN)(kN)(kN*m)(kN*m
9、)(kN*m)(MPa)1-17369.45463.091347.07600.299892.4013826.26-1392-22614.51289.651519.32376.9811111.818649.09-1493-11686.76289.651036.05376.986914.018649.09-111工况(考虑)轴力Fx 剪力Fy剪力Fz 扭矩Mx 弯矩My弯矩Mz 应力(kN)(kN)(kN)(kN*m)(kN*m)(kN*m)(MPa)1-17199.76698.641307.94902.679442.5420852.43-1492-22641.83289.601510.62376
10、.8111007.938645.71-1493-11488.29289.601009.27376.816717.718645.71-110拱肋拱脚内力对比表:1.工况1增幅近50%,基底的水平方向的弹簧刚度增加,对上部的拱肋结构的抵抗荷载能力也有了更高的要求。2.摩擦桩的设置使得桩底弹性系数增加,竖向弯矩减小5%,变化幅度较小。3.侧重考察桩土作用对全桥整体内力影响方面,观察发现数据变化幅度很小。未知系数法未知系数法:手工迭代法手工迭代法:AXD A 12,inAAAA111212122212mmnnnmAAAAAAAAA=未知系数法是MIDAS软件的调索功能,理论基础来自于影响矩阵法:=得到
11、响应影响矩阵,通过影响矩阵计算,得到每个阶段的施调向量 ,满足结构平衡状态条件下使吊杆力逐渐趋向目标值。A1=()nnniniinidesresSSSS 式中,Sini为索力输入值,Sres为索力输出值,Sdes为成桥索力设计值,为下次迭代输入值。1niniS初始张拉力:750KN设置上下限:751KN,749KN不同点:1.初始值 2.简易程度拱肋与箱梁弯矩对比图拱肋与箱梁弯矩对比图1.相对相对于手工迭代法,未知荷载系数法的拱肋计算弯矩平均减小于手工迭代法,未知荷载系数法的拱肋计算弯矩平均减小4%;2.与与之相比箱梁弯矩在左右拱脚处变化较大,相差在之相比箱梁弯矩在左右拱脚处变化较大,相差在1
12、7%左右左右。3.1/4跨跨 1/2跨与跨与1/23/4跨之间吻合,差值跨之间吻合,差值5%以下。以下。两种方法在不同区段有不同的特征两种方法在不同区段有不同的特征拱肋与箱梁剪力对比图拱肋与箱梁剪力对比图1.两种计算方法所得拱肋剪力与箱梁剪力均比较吻合两种计算方法所得拱肋剪力与箱梁剪力均比较吻合;2.未知荷载系数法的结果要小于手工迭代法,差值在未知荷载系数法的结果要小于手工迭代法,差值在3%左右左右。拱肋与箱梁挠度对比图拱肋与箱梁挠度对比图1.挠度差值均出现两头小、中间大的分布态势挠度差值均出现两头小、中间大的分布态势;2.拱肋对箱梁的位移约束能力不如手工迭代法拱肋对箱梁的位移约束能力不如手工
13、迭代法。1.横隔板的存在对抑制结构的变形很有必要横隔板的存在对抑制结构的变形很有必要2.板单元应力内力计算结果更理想3.两种模型总体差别不大1.未知系数法未知系数法在弯矩、轴力、正应力三个方面的参数表现在弯矩、轴力、正应力三个方面的参数表现要优于手工迭代法要优于手工迭代法2.未知系数法的成桥索力分布很不均匀3.手工迭代法对吊杆力的精确控制更加高效,但费时间1.桩土效应对结构的影响主要表现在水平方向桩土效应对结构的影响主要表现在水平方向2.桩土作用对梁拱组合桥型的静力荷载作用影响较小3.有限元模型整体静力分析可不考虑桩土作用梁、板单元对比梁、板单元对比吊杆力优化吊杆力优化桩土效应桩土效应ANSY
14、S拱脚局部模型 全桥模型无法对结构局部的受力性能做出准确判断,因此有必要采用实体单元有限元法对其进行局部分析,掌握拱脚处的应力大小及分布规律。疏密网格过渡区疏密网格过渡区金字塔单元金字塔单元壳壳单元嵌入单元嵌入箱梁:Solid95拱肋:Shell181结构分析采用1/4对称边界条件:纵向对称面:X向平动自由度 Y、Z向转动自由度横向对称面:Z向平动自由度 X、Y向转动自由度 利用平截面假定,主节点设置于界面的几何中心,主节点处添加相对刚度无限大的虚拟梁单元,用来施加节点荷载。结构部位最大竖向位移(cm)结果分析MIDAS/CivilANSYS箱梁-0.49-0.44-0.66混凝土结构位移绝对
15、数值较小,结果相近拱肋-2.53-1.58-1.73钢结构位移相差较大,原因是拱脚处建模简单,刚度偏小 箱梁整体第一主应力处于箱梁整体第一主应力处于-3.791.92MPa之间,整体之间,整体第三第三应力处于应力处于-15.8-5.39MPa之之间,两者都存在明显的应力集中现象,应力集中点位于预应力束与混凝土实体单元耦合间,两者都存在明显的应力集中现象,应力集中点位于预应力束与混凝土实体单元耦合处。处。拱拱脚脚箱箱梁梁应应力力分分布布图图箱梁整体应力分布图拱拱脚脚箱箱梁梁应应力力分分布布图图14号块整体应力分布图 1.1.一号块第一主应力处于一号块第一主应力处于-2.312.12MPa之间,之
16、间,第三第三应力处于应力处于-11.92.32MPa之间,之间,边边室室底板底板、箱梁箱梁与横隔板与横隔板交界处吊杆交界处吊杆锚固处第一主应力值较高,局部超出混凝土设计锚固处第一主应力值较高,局部超出混凝土设计抗抗拉强度拉强度。2.2.二号块第一主应力处于二号块第一主应力处于-2.242.38MPa之间,之间,第三第三应力处于应力处于-10.060.201MPa之间之间,箱梁与横隔板交界处第一主应力值较高,局部超出混凝土设计箱梁与横隔板交界处第一主应力值较高,局部超出混凝土设计抗拉强度抗拉强度,边室隔板、边室隔板、中室隔板与腹板交界处存在应力集中中室隔板与腹板交界处存在应力集中现象现象,接近设
17、计强度。,接近设计强度。3.3.三号号块第一主应力处于块第一主应力处于-2.423.06MPa之间,之间,第三第三应力处于应力处于-13.40.234MPa之间之间,三号块中室底板、箱梁与横隔板交界处三号块中室底板、箱梁与横隔板交界处、吊杆、吊杆锚固处第一主应力值较高,局部超出混凝锚固处第一主应力值较高,局部超出混凝土设计土设计抗拉强度抗拉强度。4.4.四四号号块第一主应力处于块第一主应力处于-2.353.02MPa之间,之间,第三第三应力处于应力处于-15.8-5.39MPa之间之间,四四号块中室底板第一主应力值较高,局部超出混凝土设计抗拉强度,需引起重视。此外,在号块中室底板第一主应力值较
18、高,局部超出混凝土设计抗拉强度,需引起重视。此外,在箱梁与横隔板交界处拉应力值也较大。箱梁与横隔板交界处拉应力值也较大。锚固区锚固区第一主应力处于第一主应力处于-0.9422.25MPa之间,整体第三主应力处于之间,整体第三主应力处于-16.70.11MPa之间之间。钢板嵌入区域外侧第一主应力偏高,局部接近混凝土设计抗拉强度,钢拱肋底部第三钢板嵌入区域外侧第一主应力偏高,局部接近混凝土设计抗拉强度,钢拱肋底部第三主应力值偏高,需引起重视。主应力值偏高,需引起重视。拱拱脚脚箱箱梁梁应应力力分分布布图图锚固区整体应力分布图 拱肋整体应力分布均匀,拱肋整体应力分布均匀,整体整体Von MisesVo
19、n Mises应力处于应力处于0.055144MPa0.055144MPa之间,局部最大当量之间,局部最大当量应力达到应力达到258MPa258MPa。在在GL1bGL1b上面板、竖向横隔板以及拱肋底部,与混凝土相衔接处存在应上面板、竖向横隔板以及拱肋底部,与混凝土相衔接处存在应力集中,应力梯度较大力集中,应力梯度较大。拱拱脚脚拱拱肋肋应应力力分分布布图图拱肋整体应力分布图 箱梁整体箱梁整体Von Mises应力处于应力处于0.055115MPa之间,局部最大当量应力达到之间,局部最大当量应力达到258MPa,拱脚拱脚底部底部结构结构受力复杂,结构处于高应力状态,在拱肋底面板处可受力复杂,结构
20、处于高应力状态,在拱肋底面板处可以明显看到纵肋的以明显看到纵肋的变形变形,同时根部的横隔板处于高应力状态,同时根部的横隔板处于高应力状态。拱拱脚脚拱拱肋肋应应力力分分布布图图拱肋根部应力分布图1.1.拱拱脚在三向预应力束体系作用下,局部混凝土压应力大大高脚在三向预应力束体系作用下,局部混凝土压应力大大高于悬臂梁部分于悬臂梁部分。由于上部钢拱肋的倒角,结构构造以及外力分布由于上部钢拱肋的倒角,结构构造以及外力分布复杂,而导致局部混凝土结构存在明显应力集中处,使结构处于复杂,而导致局部混凝土结构存在明显应力集中处,使结构处于高高应力状态应力状态。2.2.与与拱脚连接处的拱肋处于高应力状态,在拱肋底
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