发布时间 : 星期日 文章基于神经网络算法的大型刚构拱桥有限元模型修正 - 图文更新完毕开始阅读
武汉理工大学硕士学位论文
600400200剪力(KN)0-200-400-60012345678测点编号 手工迭代法 未知系数法9101112131415161718192021图2-18 拱肋吊杆处测点单元剪力对比结果
16000120008000剪力(KN)40000-4000-8000-12000-16000123456789101112131415161718192021测点编号 手工迭代法 未知系数法 图2-19 箱梁吊杆处测点单元剪力对比结果
两种方法计算所得的拱肋剪力与箱梁剪力结果分别如图2-18和图2-19所示，
两种方法的结果均比较吻合，但是未知荷载系数法的结果要小于手工迭代法，差值在3%左右。拱肋轴力差值均匀并且较大，箱梁的轴力计算结果差异性极小，因此未用图、表显示，从剪力计算结果来看手工迭代法相比未知系数法更具优越性。
0-10-20 挠度值(mm)-30-40-50-60-70-80-90123456789101112131415161718192021测点编号 手工迭代法 未知系数法19
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图2-20 拱肋吊杆处测点挠度对比结果
210挠度值(mm)-1-2-3-4-5-6123456789101112131415161718192021测点编号 手工迭代法 未知系数法图2-21 箱梁吊杆处测点挠度对比结果
图2-20和图2-21是两种方法计算的测点挠度结果的比较，两图中的挠度差
值均出现两头小、中间大的分布态势。主要原因在于拱脚位于支座处，受吊杆力约束影响较小，其下挠程度相对较小，随着吊杆力差的累积，拱脚向跨中的测点挠度差逐渐增大。拱肋的挠度值分布呈现为规则的抛物线状，箱梁挠度分布变化无规律。未知系数法得到的拱肋位移要小于手工迭代法，但是相反箱梁位移要大于手工迭代法，原因在于由未知系数法得到的优化索力分布相对不均匀，使得拱肋对箱梁的位移约束能力不如手工迭代法。 -20000-21000-22000拱肋轴力(KN)-23000-24000-25000-26000-27000-28000123456789101112131415161718192021测点编号 手工迭代法 未知系数法图2-22 拱肋吊杆处测点单元轴力对比结果
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-110-115-120应力值(MPa)-125-130-135-140-145-150123456789101112131415161718192021测点编号 手工迭代法 未知系数法图2-23 拱肋吊杆处测点单元应力对比结果
图2-22和图2-23分别表示两种方法计算的拱肋吊杆处测点单元轴力和应力，从两图可以看出，两种计算初拉力的方法所得到的拱肋正应力差值均在3%左右，未知荷载系数法所得到的拱肋正应力小于手工迭代法。表明在未知荷载系数法下拱肋强度还有较多的发挥空间，从箱梁测点的挠度表现来看，手工迭代法在拱肋约束箱梁位移方面起到了很好的修正作用。
2.2.3 桩土效应
目前在桩土动力相互作用计算方面主要采用离散理论与连续理论，解决的方法包括集中质量法、有限元法和边界元法等。集中质量法由美国学者J.penzien提出，其采用离散思想，以半空间的Mindlin静力基本解为基础，将对象进行分段，将每一节段的质量按一定的厚度简化并集中为一系列质点，离散成理想化的参数系统[44]。段与段之间可看作刚体或有弹性的弹性体，形成一个包括地下部分的多质点体系，外部荷载被集中作用于节点处。通过联立各个节点处的动力平衡方程与边界条件，得到非线性方程组。目前，使用最为广泛的是线弹性方法，现行桥梁桩基规范（JTJ041-2000，公路桥涵施工技术规范）推荐在一定桩顶位移内采用 “m” 法， “m” 法规定将地面或局部冲刷线以下一定深度内的各层土换算为一个m值，m值最好以实测数据作为依据，其计算公式可表示为:
式中，?zx是土对桩的横向抗力，z为土层深度，xz为桩在深度z处的横向位移。
由此，可求出等代土弹簧的刚度为Ks：
?zx?m?z?x z （2.13）
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PsA?zx(a?bp)?(m?z?xz)Ks????a?bp?m?z （2.14）
xzxzxz式中，a为土层厚度，bp为垂直于所在平面的方向上的土层宽度，z为土层深度，m表示各土层的比例系数m值，其取值范围见下表：
表2-2 非岩石类土的比例系数m
序号
1 2 3 4 5 6
土的名称 流塑粘性土，淤泥 软塑粘性土，粉砂 硬塑粘性土，细砂、中砂 坚硬，半坚硬粘性土，粗砂 砾砂，角砂，圆砾，碎石，卵石 密实卵石夹粗砂，密实漂卵石
m（kN/m4） 3000～5000 5000～10000 10000～20000 20000～30000 30000～80000 80000～120000
本工程将桩基按实际长度建入模型中，桩基每4m分成一个单元。每个桥墩下有12根准250cm钻孔灌注桩，桩长 65m。桩-土效应模拟方式为：在每个桩单元节点两侧设置只受压弹簧，每个土弹簧模拟该处节点上、下单元各一半范围内土体对桩身的水平作用，竖向弹簧刚度按照摩擦桩参数设置[45]。
对已建立的三维全桥模型，考虑到大桥实际运营过程中可能存在的各种活荷载例如汽车荷载、人群荷载、静风荷载、温度荷载等影响因素，对大桥在几种主要荷载组合下的静力特性进行研究，对比分析拱桥结构分别在考虑桩土作用和不考虑桩土作用下的挠度、位移、内力等情况。
按照《公路桥涵设计通用规范》，确定襄阳汉江五桥有限元分析工况选用短期作用效应组合。将永久作用效应与可变作用效应相组合，其效应组合表达式如下：
Ssd??SGik???SQjk （2.15）
i?1j?1mn1j式中Ssd————短期作用效应组合设计参考值；
?1j————第j个可变作用效应的频遇概率系数，车辆荷载系数?1=0.7，人
群荷载系数?=1.0，风荷载系数?=0.75，温度梯度作用系数?=0.8，其他作用
111系数?=1.0。
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考虑桩土效应主要对结构的水平位移产生影响，在外部环境长期温度变化下对竖向位移产生一定影响，考虑车辆及人群等活荷载的影响，选择以下几种受桩土效应影响明显的荷载效应组合：
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