基于多尺度有限元模型的桥梁检测及评估

针对桥梁检测中常规有限元软件存在的问题,提出依托ABAQUS通用型有限元软件的多尺度建模方法,并通过合理的方式将桥梁检测中控制截面精细化建模连接至整体模型中,构建起可以对控制截面实施精细化分析的多尺度有限元模型;利用三种不同精度的网格划分方法,在矩形截面简支梁模型中展开计算验证的同时,通过三跨等截面预应力混凝土连续梁进行实例分析。分析结果显示,所构建起的多尺度有限元模型能快速、准确确定出桥梁结构的应力、应变及变形程度,且计算结果和实测值贴近,校验系数取值均匀。

多尺度有限元模型在桥梁检测中的应用

针对宏观杆系有限元模型和精细化有限元模型在桥梁检测中存在的问题,利用多尺度建模的方法,提出将桥梁检测中控制截面进行精细化建模并通过合理方式连接到整体模型中,建立了可以精细化分析控制截面的多尺度有限元模型.通过矩形截面简支梁验证了多尺度模型中不同单元连接方式的正确性,表明刚性区(CERIG)法在混合单元模型中自动建立约束方程的方法是可行的;并通过3跨等截面连续梁进行实例分析.结果表明:多尺度有限元模型能够更好地描述应力及变形沿桥梁高度和宽度的变化趋势,计算结果更加贴近于实际情况,其在基频计算中也是足够精确的.

基于多目标进化算法的多尺度有限元模型更新方法

确定大跨桥梁当前状态,明确各关键部位的受力特性,是评估其性能退化及剩余寿命的前提。采用Kriging元模型建立了大跨度桥梁多尺度的代理模型,并使用多目标进化算法和演化控制算法,建立了大跨桥梁模型更新方法。以典型的某大跨度斜拉桥为例,建立大跨度斜拉桥多尺度有限元模型,全局模型整体结构采用梁单元、局部采用板壳单元,通过使用多点约束方法(MPC)满足边界条件。以健康监测系统实测数据为基础,对模型自振频率、位移响应和应力响应进行修正。结果表明:采用多目标进化算法得出的全局和局部指标修正结果与实测数据均吻合较好,相较于初始有限元计算值,自振频率平均相对误差降低了3.38%,位移响应平均相对误差降低了10%,应力响应平均相对误差降低了5%。总体而言,采用Kriging元模型和多目标进化算法可实现大跨桥梁多尺度模型的修正和更新。

基于监测数据修正多尺度有限元模型的超高层转换桁架和节点内力变化规律研究

为克服超高层结构关键构件和节点在传统局部分析模型中存在边界误差和不能全面反映结构受力的不足,根据应变监测获取超高层结构的静力响应,分析采用非均匀温度场作用下超高层结构多尺度有限元模型的估算结果与实际结构动静力响应之间的差异,提出了基于结构自振频率、悬挑桁架和节点的温度应力系数为目标的响应面模型修正方法,在修正后的多尺度有限元模型中施加规范给定五十年一遇的风荷载,分析转换桁架和节点的局部应力变化。分析结果表明:超高层结构幕墙施工状态下温度与应力之间的相关性系数超过0.8,温度变化对构件应力影响较大,验证了以温度应力系数为目标的超高层结构响应面模型修正方法有效性,以及采用非均匀温度场作用下多尺度有限元模型分析结构局部构件内力变化的可行性。

参照多尺度模型的钢桁梁节点刚域优化

在整体节点钢桁梁桥计算中往往采用带刚臂梁单元模拟整体节点板的刚度增强效应以提高计算精度。该文以中山联石湾大桥为工程背景,提出并验证了一种以桁梁多尺度模型为参照对节点刚域模拟进行优化的方法。选取5个连续的标准节段作为研究对象,利用Ansys分别建立刚臂梁单元模型和带节点板子结构的桁梁多尺度模型,并施加相同的边界与荷载条件。以多尺度模型的主桁挠度作为目标挠度,通过改变节点刚臂长度使刚臂梁单元模型主桁挠度与目标挠度拟合,实现挠度拟合时将节点刚臂长度代入全桥模型中进行后续计算,此过程实现了节点刚臂长度的优化。对优化前后的3种模型进行施工过程和成桥状态的计算分析,有限元计算结果与实测数据对比表明:对节点刚域优化后的理论挠度始终与实测数据较吻合,在最大悬臂工况下,将节点区域全部视为刚域的理论最大挠度仅占实测值的26.6%,而不考虑刚域影响的理论最大挠度为实测值的124.1%,其误差反而小于过高估计刚度的情况,说明优化后的计算模型较好地模拟了该桥的实际刚度,而节点刚度增强效应模拟不准确导致的误差反而可能大于忽略刚域的误差。

简支梁桥多尺度模型的建立与验证分析

为精细研究简支梁桥在地震中的多点碰撞现象及机理,文中研究了计算效率更高、计算结果更准确的多尺度有限元模型。通过建立不同分析工况下跨径为30 m的典型简支T梁桥多尺度模型,从不同角度验证模型的可靠性。结果表明,桥梁间的多点碰撞效应能够通过多尺度有限元模型较精确地被模拟;通过对比实体模型、多尺度模型和杆系模型间的动力特性、沙漏能占比和时程分析下的主梁位移响应可验证多尺度模型的结果有效性;多尺度模型能够更高效并精准地对地震下的桥梁碰撞行为进行模拟。

基于有限元模型的钢管混凝土抗扭机理及梁桥地震扭转反应

为了进一步研究钢管混凝土柱在压–弯–扭复杂受力状态下的抗扭机理,基于大型通用有限元程序ABAQUS中建立的“壳–实体”精细有限元模型,对分析结果进行了深入的分析和探讨,包括钢管混凝土柱在纯扭、压扭、弯扭等荷载作用下的钢管和内填混凝土中主应力、主应变的分布和变化情况,揭示了钢管混凝土柱在抗扭时的工作机理。运用桥梁结构的多尺度建模方法,建立了曲线钢–混凝土组合梁桥的多尺度有限元模型进行弹塑性时程分析,并与纤维梁杆系模型的计算结果进行了对比,结果表明采用多尺度有限元模型进行桥梁结构整体的变形计算时能够有效预测结构的整体扭转效应。

空间曲线蝶形拱桥顶推施工的多尺度模拟分析

采用实体退化单元精确描述构件几何特征,结合多尺度建模的思想建立杭州钱江八桥全桥精细有限元模型进行施工过程仿真分析.施工阶段仅考虑自重荷载,约束条件为多跨连续梁,最大顶推跨径为94m.分析结果表明:最大拉应力约为307.2MPa,最大压应力约为306.7MPa,均位于前导梁箱型截面段与双工字钢截面段的交接处,在施工过程中主桥结构未出现应力过大情形;主、副拱肋应力及变形呈现空间变化特性,截面角点应力的变化规律具有一定的对称性;主、副拱连杆对结构的受力有明显影响;主梁最大应力为-280.4MPa,施工中主梁未出现屈服现象.

考虑车桥耦合及环境腐蚀的铁路钢桥疲劳分析

耐候钢通过改变合金元素以在其表面形成致密保护性防锈层因而具备良好的耐大气腐蚀性能,因此其在免涂装使用中为带锈工作,应用于公路和铁路桥梁中时可能存在腐蚀和疲劳耦合损伤问题。基于潍莱铁路线一座全焊接免涂装耐候钢桥开展列车动力作用下的关键构件和焊接节点疲劳损伤分析,并进行考虑腐蚀劣化影响下的疲劳寿命评估。基于列车-轨道-桥梁耦合系统模型研究在高速列车动力荷载下桥梁主桁关键构件动力响应并得到结构中最不利构件位置,分析关键构件在列车通行振动效应下的疲劳损伤度;结合考虑局部节点板精细化的多尺度耦合有限元模型,考虑轨道不平顺和列车运行速度的影响,得到桥梁节点板在不同速度下的疲劳损伤度;考虑环境腐蚀对桥梁疲劳寿命的影响,结合桥梁列车年运营量进行腐蚀环境下桥梁关键杆件和节点的疲劳使用寿命评估。研究结果表明:铁路钢桁梁桥在列车动力作用下不同构件的疲劳损伤不同,刚度较小以及应力响应影响线较短的构件疲劳损伤度更大,其中疲劳损伤度由大到小依次为节点横梁、腹杆、下弦杆、上弦杆。轨道不平顺和列车运行速度对桥梁节点板应力响应最大值影响并不显著,列车运行速度为120 km/h时与所分析桥梁共振更明显。环境腐蚀会降低铁路桥梁疲劳寿命,且对桥梁不同构件寿命影响程度不同。研究成果可为同类型铁路钢桁梁桥在腐蚀环境下的疲劳寿命评估和设计提供参考。

钢箱梁桥主梁-外伸横梁连接节点有限元计算

通过分别建立“单梁有限元模型”和“梁-板单元多尺度有限元模型”,对带外伸横梁的钢箱梁桥主梁-横梁连接节点的受力特性进行了计算分析,以对该类型桥梁的节点处构造设计提供参考。计算结果表明:由于节点处主梁和横梁的传力模式存在差异,因此多尺度模型主梁跨中和横梁跨中的最大挠度相比单梁模型分别偏小约11.46%和33.73%;连接节点处主梁和横梁顶、底板剪力滞现象较显著,耳墙主梁悬挑翼板在与横梁连接处正应力较大,同时腹板应力集中问题突出;针对上述结构受力特性,针对性地提出了减小主梁宽跨比、增加应力较大处板厚、顶板折角处设置圆弧过渡、采用钢-UHPC轻型组合桥面结构等优化建议。

SMA-摩擦阻尼器对索穹顶结构减震性能分析及设计方法

针对大跨空间结构减震控制问题,采用了一种适用于大跨空间结构的SMA-摩擦阻尼器,该阻尼器将形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)的超弹性特性与摩擦阻尼器的高耗能特性相结合.以天津理工大学体育馆的索穹顶结构为研究对象,通过计算附加模态阻尼比,得到了阻尼器的优先布置位置.基于多尺度有限元模型,研究了索穹顶结构的减震性能及SMA-摩擦阻尼器在地震中的力学性能.结果表明:在天津理工大学体育馆索穹顶结构中,阻尼器应优先替换内圈撑杆.随着地震动强度由0.07g增至0.40g,阻尼器滑动位移提升,减震性能增强,跨中节点竖向峰值加速度减震率平均值由11.97%增至30.35%,跨中节点竖向峰值位移减震率平均值由27.46%增至37.10%,杆件峰值应力减震率平均值由8.29%增至11.55%.该索穹顶结构一阶自振频率较低,与长周期地震动的傅里叶幅值集中区域接近,在长周期地震动下会有更大的动力响应,导致阻尼器滑动位移变大,耗能能力增强,结构竖向峰值加速度减震率和杆件峰值应力减震率平均值可达36.85%和15.13%,减震效果优于普通地震动.最后,对影响阻尼器滞回性能的力学参数高强螺栓预紧力和合金丝数量进行参数化分析,并结合阻尼器在结构中的受力,得到了阻尼器的力学参数设计方法,可供实际设计时参考.

板桁结合悬索加劲钢桁梁桥特殊节点受力行为

为了研究板桁结合悬索加劲连续钢桁梁桥加劲弦与上弦杆连接部位特殊节点的静力受力行为,依托重庆曾家岩嘉陵江大桥建立了全桥三维多尺度有限元模型,并通过缩尺模型试验对有限元分析结果进行验证,对特殊节点在最不利荷载组合作用下的受力状况进行了研究。研究结果表明:特殊节点中加劲弦与上弦杆交界处附近应力较大,且应力分布较复杂,为重点关注部位;特殊节点总体Von Mises应力在198.0 MPa以内,特殊节点各杆件Von Mises应力均小于钢材的强度设计值,结构具有足够的安全储备;正交异性桥面系参与主梁竖向弯曲受力,上层桥面系传递的内力约占纵桥向、横桥向上合力的34%和33%;荷载由跨中向支点经过特殊节点的传递,钢桥面板、上弦杆、竖腹杆以及斜腹杆承担的力逐渐传递给了加劲弦,引入加劲弦来提高梁高,抵抗主梁截面的竖向弯矩。有限元分析结果验证了重庆曾家岩嘉陵江大桥特殊节点的可靠性,也为类似节点的研究与设计提供参考。

漩口中学典型框架结构震害模拟与分析

该文以汶川地震震中附近的漩口中学教学楼和办公楼框架结构震害为背景,对其进行了模拟分析。针对震害特征,提出了微观-宏观多尺度有限元分析模型,以更准确的模拟结构的实际震害。在此基础上,为提高计算分析效率,结合微观-宏观多尺度有限元分析模型,提出能考虑楼板影响和基础转动的改进宏观有限元分析模型。采用多尺度模型和改进的宏观模型,用弹塑性动力时程分析模拟了漩口中学教学楼和办公楼框架结构的倒塌过程,对其倒塌模式、倒塌机理及其影响因素进行了分析比较,找出了影响结构抗倒塌能力的关键部位,为改进框架结构抗震倒塌能力设计提供了参考。

Multi-scale finite element analysis of chloride diffusion in concrete incorporating paste/aggregate ITZs

In this paper,we propose a concurrent multi-scale finite element(FE) model coupling equations of the degree of freedoms of meso-scale model of ITZs and macroscopic model of bulk pastes.The multi-scale model is subsequently implemented and integrated into ABAQUS resulting in easy application to complex concrete structures.A few benchmark numerical examples are performed to test both the accuracy and efficiency of the developed model in analyzing chloride diffusion in concrete.These examples clearly demonstrate that high diffusivity of ITZs,primarily because of its porous microstructure,tends to accelerate chloride penetration along concentration gradient.The proposed model provides new guidelines for the durability analysis of concrete structures under adverse operating conditions.