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
第三章 拱脚构造复杂部位局部有限元模型计算分析
梁拱组合连续刚构体系的拱肋与主梁在拱脚处交结在一起，构造复杂。其拱脚处在承受拱肋和主梁传来的轴力和弯矩的同时，又要承受主墩传递的支撑反力，同时横桥向的弯矩与剪力也会对拱脚处的受力性能产生较大影响，这些是在整体分析中无法考虑到的因素。采用传统杆系理论难以精确计算出在荷载作用下拱脚的应力分布状况，因此有必要采用实体单元有限元法对其进行局部应力分析，掌握拱脚处的应力大小及分布规律，从而对拱脚处构造合理性做出综合评价。
本章借助襄阳汉江五桥拱脚局部的有限元详细分析，研究成桥状态下结构局部的应力状态，并借助全桥计算结果数据验证局部有限元分析的重要性。
3.1 有限元模型的建立
本章局部详细分析针对结构与受力最复杂的拱脚部位及其对应钢拱肋进行。依照“从整体到局部”的分析方法，首先利用桥梁专业分析软件MIDAS/Civil建立全桥整体杆系模型，充分把握结构全局受力状态，并提取拱脚局部模型截断处的内力值，作为局部实体模型的外荷载。然后利用大型通用有限元分析软件ANSYS建立拱脚处局部空间模型，全貌如图3-1所示。计算中不考虑结构材料的非线性，将结构视为均质弹性体，考虑纵向、横向及钢拱肋锚固处的三向预应力体系。在实体建模过程中，根据圣维南原理，为消除边界效应，选取沿纵向23m长度的箱梁作为计算模型，拱肋最大高度为49.26m。
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图3-1 拱脚局部有限元模型
3.1.1材料属性与网格划分
计算模型采用三维实体单元Solid 65和Solid 95模拟混凝土结构，并考虑主墩的影响。壳单元Shell181模拟钢拱肋结构，并采用疏密过渡的网格划分方法对结构进行离散。对于钢拱肋的建模，考虑钢拱肋在0号块混凝土中的“嵌入”，精确模拟此处钢-混凝土的相互作用，如图3-2所示。采用壳单元与对应实体单元共节点的精确方法划分网格。本结构分析采用实体力筋法，采用三维杆单元Link8建立三向预应力筋，通过自编的节点耦合程序将杆单元节点自由度和实体单元节点自由度相耦合，并利用降温法模拟预应力荷载。局部分析模型共划分单元372496个，节点406298个。
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图3-2 壳单元嵌入
3.1.2约束和加载
局部实体模型施加约束情况如图3-3所示。结构在横向对称面处施加位移约束。在整体坐标系下，横向对称面约束节点的Z平动自由度和绕X、Y轴的转动自由度，在墩底约束节点所有的自由度来模拟墩底固结。为了在截断面施加桥梁整体杆系分析所得到的断面内力，利用平截面假定，在此处设置刚性平面及节点主从约束。通过几何分析，将主节点设置在截面几何中心；在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。其中，为了不导致整体刚度矩阵畸化，保证计算收敛，虚拟梁单元刚度取拱肋端截面的10e?05倍，用以模拟刚臂。
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图3-3 局部实体有限元模型约束的施加
计算采用的荷载工况为成桥状态结构自重+预应力+二期恒载。一期恒载混凝土容重为26kN/m3，钢材容重78.5kN/m3。二期桥面铺装107.6kN/m。预应力纵向顶板束张拉控制应力1330MPa，横向张拉控制应力1395MPa，竖向控制应力675MPa。吊杆张拉力750kN。
3.2 计算结果分析
3.2.1 位移结果分析
提取ANSYS局部实体分析的位移，并与MIDAS/Civil杆系分析所得的对应结构位移结果做一简单对比，如表3-1所示，结构竖向位移云图显示在图3-4中。
表3-1 拱脚竖向位移（单位：m）
结构部位 箱梁 拱肋
最大竖向位移(m)
MIDAS/Civil ANSYS -0.0049 -0.0253
-0.0044~-0.0066 -0.0158~-0.0173
结果分析
混凝土结构位移绝对数值较
小，结果相近
钢结构位移相差较大，原因是拱脚处建模简单，刚度偏小
表3-1数据表明，成桥状态下局部实体模型与整体杆系模型宏观上保持了较好的一致性，尤其是混凝土结构部分，两者差距较小，验证了计算的准确性。
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