基于成桥荷载试验的桥梁有限元模型修正课件

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/15/2016,#,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,基于成桥荷载试验的襄阳汉江五桥有限元模型修正导师：*,1,工程背景,前期调研,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：,1.,变,高度八边形箱型,截面，,内部设加劲肋、横隔板。,2.,净宽：,2.47m,高度：,2.473.97m,。,3.,共,84,根吊杆，间隔,6m,。,跨径：,77+138+138+77=430m,主梁,:1.,大,悬臂斜腹板单箱三室,截面,，,桥面横向坡度,2,%,。,2.,桥墩处箱梁高度达,7.8m,，,跨中,3.0m,。,3.,桥墩与箱梁之间采用固结形式。,工程背景前期调研 汉江五桥是位于襄阳市的一座典型的大跨度连续,2,工程背景,前期调研,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。,工程背景前期调研 汉江五桥是内环线闭合环的主要过江通道,3,研究,思路,前期调研,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,分布,规律，,从而对拱脚处,构造做出,综合评价,研究思路前期调研背景介绍模型修正局部分析刚域探讨根据工程实际,4,梁、板单元模型对比,模型修正,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,梁与板单元模型中墩对比,梁、板单元模型对比模型修正处理方式的不同：梁单元模型：拱肋隔,5,模型修正,梁、板单元模型对比,挠度对比,箱梁剪力对比,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%,模型修正梁、板单元模型对比挠度对比箱梁剪力对比箱梁弯矩对比非,6,模型修正,梁、板单元模型对比,拱肋,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,，拱脚部位相差稍大。,模型修正梁、板单元模型对比拱肋箱梁箱梁应力除墩顶外，其余位置,7,模型修正,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。,梁、板单元模型对比,模型修正拱脚处于拱肋与箱梁交接处，是结构传力的重要部位，因此,8,桩土效应研究,模型修正,有,无桩土作用模型对比,“,m,”法：,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),试验工况：,桩土效应研究模型修正有无桩土作用模型对比“m”法：,9,桩土效应研究,模型修正,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),1,15671.72,-354.08,55234.90,21083.56,-1501738.54,5739.09,-8.96,2,16541.29,-68.92,36803.24,16435.04,-1458615.95,6883.38,-8.68,3,12569.27,-68.92,66989.67,16435.04,-1550818.95,6883.38,-9.28,工况,（考虑）,轴力,Fx,剪力,Fy,剪力,Fz,扭矩,Mx,弯矩,My,弯矩,Mz,应力,(,kN),(,kN,),(,kN,),(,kN*m,),(,kN*m,),(,kN*m,),(,MPa),1,15679.54,-206.59,51717.01,19257.90,-1497744.46,6998.48,-8.98,2,16625.92,-88.04,36789.56,16106.39,-1454937.40,7023.18,-8.70,3,12465.21,-88.04,61503.97,16106.39,-1546669.32,7023.18,-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。,桩土效应研究模型修正工况轴力Fx 剪力Fy剪力Fz 扭矩,10,桩土效应研究,模型修正,工况,（不考虑）,轴力,Fx,剪力,F,y,剪力,Fz,扭矩,Mx,弯矩,My,弯矩,Mz,应力,(,kN),(,kN,),(,kN,),(,kN*m,),(,kN*m,),(,kN*m,),(,MPa),1,13108.49,61.20,2040.28,9831.82,281650.46,-1500.75,15.1,2,11573.85,101.40,1188.15,8461.53,258090.16,2769.24,13.8,3,11296.96,101.40,2344.41,8461.53,298843.73,2769.25,15.9,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),1,12970.70,149.96,2144.62,9903.30,282111.60,-1900.24,15.0,2,11664.15,139.70,1229.51,8489.45,258313.24,432.92,13.7,3,10998.63,139.70,2510.82,8489.45,299425.64,432.92,15.8,箱梁跨中内力对比表：,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,。,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,。,桩土效应研究模型修正工况轴力Fx 剪力Fy剪力Fz 扭矩,11,桩土效应研究,模型修正,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),1,-17369.45,463.09,1347.07,600.29,9892.40,13826.26,-139,2,-22614.51,289.65,1519.32,376.98,11111.81,8649.09,-149,3,-11686.76,289.65,1036.05,376.98,6914.01,8649.09,-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,-17199.76,698.64,1307.94,902.67,9442.54,20852.43,-149,2,-22641.83,289.60,1510.62,376.81,11007.93,8645.71,-149,3,-11488.29,289.60,1009.27,376.81,6717.71,8645.71,-110,拱肋拱脚内力对比表：,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,。,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,。,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,。,桩土效应研究模型修正工况轴力Fx 剪力Fy剪力Fz 扭矩,12,吊杆力优化,模型修正,未知系数法：,手工迭代法：,=,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。,式中,，,S,ini,为索力输入值,，,S,res,为,索力输出值,，,S,des,为,成桥索力设计值,，,为下次迭代输入值。,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,吊杆力优化模型修正未知系数法：手工迭代法：=,13,吊杆力优化,模型修正,拱肋与箱梁弯矩对比图,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,4%,；,与,之相比箱梁弯矩在左右拱脚处变化较大，相差在,17%,左右,。,1/4,跨,1/2,跨与,1/23/4,跨之间吻合，差值,5%,以下。,两种方法在不同区段有不同的特征,吊杆力优化模型修正拱肋与箱梁弯矩对比图相对于手工迭代法，未知,14,吊杆力优化,模型修正,拱肋与箱梁剪力对比图,两种计算方法所得拱肋剪力与箱梁剪力均比较吻合,；,未知荷载系数法的结果要小于手工迭代法，差值在,3%,左右,。,吊杆力优化模型修正拱肋与箱梁剪力对比图两种计算方法所得拱肋剪,15,吊杆力优化,模型修正,拱肋与箱梁挠度对比图,挠度差值均出现两头小、中间大的分布态势,；,拱肋对箱梁的位移约束能力不如手工迭代法,。,吊杆力优化模型修正拱肋与箱梁挠度对比图挠度差值均出现两头小、,16,总结,模型修正,1.,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,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,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,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,吊杆力优化,桩土效应,总结模型修正1.横隔板的存在对抑制结构的变形很有必要2,17,拱脚构造,局部分析,ANSYS,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。,拱脚构造局部分析ANSYS拱脚局部模型 全桥,18,网格划分,局部分析,疏密网格过渡区,金字塔单元,壳,单元嵌入,箱梁：,Solid95,拱肋：,Shell181,网格划分局部分析疏密网格过渡区金字塔单元壳单元嵌入箱梁：So,19,边界假定,局部分析,结构分析采用,1,/4,对称边界条