发布时间 : 星期一 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
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(0.85)+风荷载(0.75)+整体降温(1.2) 2.2.3.1位移分析
表2-3 考虑桩土作用时结构竖向位移(单位:cm)
工况 1 2 3
箱梁拱脚 -0.28 -0.13 -0.54
箱梁跨中 -15.23 -13.41 -16.96
拱肋拱顶 -10.62 -7.50 -13.81
表2-4 不考虑桩土作用时结构竖向位移(单位:cm) 工况 1 2 3
箱梁拱脚 -0.54 -0.12 -0.80
箱梁跨中 -15.55 -13.67 -17.33
拱肋拱顶 -10.92 -7.77 -14.13
由表2-3、表2-4的数据可看出，桩土作用对结构的下沉有约束作用。在风荷载做主考虑因素条件下，拱脚处的挠度值在考虑桩土作用与不考虑桩土作用情况下分别为为-0.28cm和-0.54cm，挠度值有较大增幅。箱梁跨中与拱肋拱顶的变化幅度分别为2%和3%，幅度很小，拱脚部位因为数值基数相对较小，故可认为桩土作用在水平方向作用的风荷载效应中对结构竖向挠度影响较小。考虑整体升降温影响因素条件下，拱脚部位的挠度值分别减小0.25cm和0.42cm，桩土作用对结构下沉有相对制约作用。箱梁跨中和拱肋拱顶部位在活荷载、风荷载以及升降温荷载作用中，受桩土作用影响较小，变化幅度均在2%左右，桩土作用影响主要体现在桥墩部位。 2.2.3.2内力及应力分析
为考察桩土作用对结构内部内力影响，选取箱梁拱脚，拱肋拱脚以及箱梁跨中截面对其进行分析：
表2-5 箱梁拱脚内力表（不考虑桩土作用）
工况 1 2
轴力Fx 剪力My 剪力Fz 扭矩Mx 弯矩My (kN) (kN) (kN) (kN?m) (kN?m) 15671.72 -354.08 55234.90 21083.56 -1501738.54 16541.29 -68.92 36803.24 16435.04 -1458615.95
弯矩Mz 应力? (kN?m) (MPa) 5739.09 -8.96 6883.38 -8.68
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3 12569.27 -68.92 66989.67 16435.04 -1550818.95 6883.38 -9.28
表2-6 箱梁拱脚内力表（考虑桩土作用）
工况 1 2 3
轴力Fx 剪力My (kN) (kN) 15679.54 -206.59 16625.92 -88.04 12465.21 -88.04
剪力Fz 扭矩Mx 弯矩My (kN) (kN?m) (kN?m) 51717.01 19257.90 -1497744.46 36789.56 16106.39 -1454937.40 61503.97 16106.39 -1546669.32
弯矩Mz 应力? (kN?m) MPa 6998.48 -8.98 7023.18 -8.70 7023.18 -9.30
表2-5及2-6数据表明，桩土作用会对拱脚部位的剪力、横向弯矩产生明显影响，风荷载是水平向荷载，因此，扭矩也产生较大变化。在工况一中，轴力变化可忽略不计，横桥向剪力由-354.08kN减小到-206.59kN，其原因是因为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。由于考虑大桥基底实际为摩擦桩，考虑桩土作用模型中竖向剪力由55234.90kN减少到51717.01kN，相比墩底固结模型剪力减小6%，更加接近实际情况。横桥向弯矩考虑桩土作用效应下由5739.09kN?m增加到6998.48kN?m，原因在于在考虑桩土作用时未考虑桩身转动弹性刚度。工况二和工况三考虑结构升降温影响，结构内力变化表现未有大的差异。
表2-7 拱肋拱脚内力表(不考虑桩土作用)
工况 1 2 3
轴力Fx (kN) -17369.45 -22614.51 -11686.76
剪力My (kN) 463.09 289.65 289.65
剪力Fz 扭矩Mx 弯矩My (kN) (kN?m) (kN?m) 1347.07 600.29 9892.40 1519.32 376.98 11111.81 1036.05 376.98 6914.01
弯矩Mz 应力? (kN?m) MPa 13826.26 -139 8649.09 -149 8649.09 -111
表2-8 拱肋拱脚内力表(考虑桩土作用)
工况 1 2 3
轴力Fx (kN) -17199.76 -22641.83 -11488.29
剪力My (kN) 698.64 289.60 289.60
剪力Fz 扭矩Mx 弯矩My (kN) (kN?m) (kN?m) 1307.94 902.67 9442.54 1510.62 376.81 11007.93 1009.27 376.81 6717.71
弯矩Mz 应力? (kN?m) MPa 20852.43 -149 8645.71 -149 8645.71 -110
表2-7及2-8数据表明，拱肋作为上部结构，其受力性能受内部构造及来自箱梁的双重影响，在水平向荷载作用下内力变化最为明显。在工况一中，横向剪力由463.09kN增加到698.64kN，增幅达50.86%，表明在考虑桩土效应影响下，结构的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
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力也有了更高的要求，竖向剪力变化可忽略不计。拱肋扭矩由600.29kN?m提高到902.67kN?m，横向弯矩由13826.26kN?m增加至20852.43kN?m，原因在于摩擦桩的设置使得桩底弹性系数增加。在横向荷载作用下，上部结构的变形增大，从而产生较大的扭矩及弯矩，其竖向弯矩减小5%，变化幅度较小。工况二与工况三中，侧重考察桩土作用对全桥整体内力影响方面，通过观察发现数据变化幅度很小，体系升温条件下与体系降温条件下，是否考虑桩土效应对其影响较小可忽略。
表2-9 箱梁跨中内力表（不考虑桩土作用）
工况 1 2 3
轴力Fx (kN) 13108.49 11573.85 11296.96
剪力My (kN) 61.20 101.40 101.40
剪力Fz 扭矩Mx 弯矩My (kN) (kN?m) (kN?m) 2040.28 9831.82 281650.46 1188.15 8461.53 258090.16 2344.41 8461.53 298843.73
弯矩Mz 应力? (kN?m) MPa -1500.75 15.1 2769.24 13.8 2769.25 15.9
表2-10 箱梁跨中内力表（考虑桩土作用）
工况 1 2 3
轴力Fx (kN) 12970.70 11664.15 10998.63
剪力My (kN) 149.96 139.70 139.70
剪力Fz 扭矩Mx 弯矩My 弯矩Mz 应力? (kN) (kN?m) (kN?m) (kN?m) MPa 2144.62 9903.30 282111.60 -1900.24 15.0 1229.51 8489.45 258313.24 432.92 13.7 2510.82 8489.45 299425.64 432.92 15.8
由表2-9、表2-10数据可看出，与箱梁拱脚类似，跨中的内力表现在考虑桩土作用的情况下，横向剪力与水平弯矩均有较大变化。与拱脚部位不同的是，工况1下的轴力、剪力、弯矩及扭矩值均有所增加，说明桩土作用对箱梁整体结构的作用影响主要体现在墩身附近。在全桥的内部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。工况2与工况3中，考虑桩土作用条件下，横桥向弯矩值由2769.24kN?m骤降至432.92kN?m，原因在于整体升降温条件下，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。考虑桩土作用使得支座具有更高的抗弯刚度，其对结构的变形约束能力也更强，所以在跨中部位横向弯矩相对不考虑桩土效应要小的多。
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2.3 本章小结
本章对襄阳汉江五桥整体初始有限元模型建立过程中拱肋使用梁单元或板单元、成桥状态最优吊杆力、桩土相互作用效应等三项关键因素进行详细分析，得出以下结论：
（1）板单元模型主梁上节点的挠度值普遍小于梁单元模型，挠度的偏差主要集中在拱圈范围内，最大差值出现在跨中部位，达到0.41mm。主梁的剪力及弯矩的分布基本吻合，模型的内力分布差异主要体现在桥墩处的箱梁拱脚部位。桥墩处对应的应力差在4%~15%之间，其他部位的应力差值均不到1%，梁单元模型在拱肋拱顶部位的最大应力值为141.2MPa，板单元模型中为142.9MPa，两者应力分布大致相同。在拱脚部位则因为构造的不同，应力差达到9.8MPa，在板单元模型中横隔板处出现较大拉应力，说明横隔板的存在对抑制结构的变形起到较大作用。总体来说，在桥梁结构的有限元模拟中，拱肋部件采取板单元的有限元模型静力计算结果要稍优于梁单元，但梁单元模型方便做整体计算。
（2）在进行成桥状态吊杆力优化分析时，未知系数法所采取的计算方式简捷方便，但是其成桥索力在设计值上下浮动范围稍大，吊杆张拉力分布不均匀。采用未知系数法基本可以实现成桥索力的合理分配，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。相比之下由于手工迭代法操作方式的特殊性，可以通过不断的迭代实现不理想吊杆力向设计初拉力值的不断靠拢。虽然计算过程较为麻烦，但对吊杆力的精确控制更加充分有效，所得到的成桥索力值与设计值吻合度高，更接近工程实际。因此手工迭代法与未知荷载系数法各有优劣，在工程计算实际中可酌情考虑两种修正方法，针对不同问题进行探讨时可分别采取两种方法进行计算。
（3）桩土效应的计算结果表明，水平向作用荷载对桥梁的下部结构影响大于上部结构，在桥墩部位的作用效果明显，并且对拱肋的剪力、轴力及弯矩产生较大影响，对箱梁的内力影响较小。总体上看，桩土作用对梁拱组合桥型的静力荷载作用影响较小，在后续章节的分析研究中不计桩土效应，将所有墩底按固结边界条件处理。
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