专利名称：一种正交异性钢桥面板的疲劳荷载效应分析模型简化方法
技术领域：
本发明属于大跨缆索承重桥梁结构钢桥面板的疲劳分析与设计领域，具体来说，涉及一种正交异性钢桥面板的疲劳荷载效应分析模型简化方法。
背景技术：
正交异性钢桥面板由顶板、纵肋和横肋(扁平钢箱梁中称为横隔板)三部分组成，其中纵肋分布一般较密，而横肋分布则相对疏松，导致钢桥面板的纵横方向刚度不同，进而使得钢桥面板的受力特性表现为正交异性。正交异性钢桥面板的结构行为十分复杂，其除了具有桥面板和桥面系的作用外，还作为主梁的一部分发挥作用，例如当正交异性钢桥面板作为承受汽车荷载的局部受力构件时，顶板可视为四周边弹性支承在纵肋上，纵肋是弹性支承在横肋上，横肋则是弹性支承在主梁上。因此，在对正交异性钢桥面板的疲劳荷载效应进行有限元分析时，通常需要建立其大跨缆索承重桥梁结构体系的整体结构尺度模型，然而此模型的单元网格划分较粗会导致计算结果的不够精确，单元网格划分较细又会导致庞大的计算量，因此在分析时往往利用子模型法，建立整体结构尺度模型的钢箱梁局部精细模型，采用钢箱梁局部精细模型计算正交异性钢桥面板的疲劳 荷载效应精确解。然而子模型法也存在一定缺陷:①其边界约束条件会因疲劳荷载的不断变化而改变，使得计算过程变得复杂；②其单元网格的精细划分也会导致单元个数达到几十万个，使得计算量仍旧庞大。因此，在对正交异性钢桥面板进行疲劳荷载效应的有限元分析时，有必要找出一种计算效率高、计算结果精确的合理简化模型。
发明内容
发明目的:针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种正交异性钢桥面板的疲劳荷载效应分析模型简化方法，得到的简化模型可以高效准确地计算正交异性钢桥面板的疲劳荷载效应。技术方案:为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种正交异性钢桥面板的疲劳荷载效应分析模型简化方法，包括如下步骤:步骤10):对大跨缆索承重桥梁结构体系进行有限元模拟，建立整体结构尺度模型；步骤20):利用子模型法，建立整体结构尺度模型的钢箱梁局部精细模型，并计算其钢桥面板部位的等效应力幅精确解Sa ；步骤30):将钢箱梁局部精细模型简化为钢桥面板局部受力结构体系，并基于步骤20)的等效应力幅精确解Sa对该结构体系的参数取值进行优化分析，确定钢桥面板疲劳荷载效应分析的简化模型。进一步的，所述步骤10)中，根据大跨缆索承重桥梁结构体系的设计图纸和资料，对所述大跨缆索承重桥梁结构体系的桥塔、桥面系、边墩、斜拉索、主缆和吊杆进行整体结构尺度模型的三维有限单元模拟，其中桥塔采用三维梁单元模拟，桥面系中钢箱梁部分采用壳单元进行模拟，桥面系中铺装层部分采用实体单元进行模拟，边墩采用实体单元模拟，斜拉索、主缆和吊杆采用三维桁架单元模拟。进一步的，所述整体结构尺度模型的边界连接条件处理为:①主梁与索塔的连接:主梁与索塔之间设有横向抗风支座和竖向抗风支座；②索塔与边墩底部固结；以及③主梁在各边墩处，横桥向、竖向、扭转及绕竖向的转动自由度与墩顶节点建立主从关系。进一步的，所述步骤20)中，包括如下步骤:(a)从整体结构尺度模型中切割出一段钢箱梁，并进行精细网格划分，网格划分水平取为5，得到钢箱梁局部精细模型；(b)对步骤10)得到的整体结构尺度模型进行较粗网格划分，网格划分水平取为I，施加车辆荷载并计算求解，得出钢箱梁局部精细模型的边界部位的位移响应；(C)将第(b)步所得的位移响应作为边界条件，采用线性插值法施加到钢箱梁局部精细模型的切割边界；(d)保持车辆荷载 加载不变，对钢箱梁局部精细模型进行计算求解，得出其钢桥面板部位的等效应力幅精确解Sa。进一步的，所述步骤30)中，包括如下步骤:a)将钢箱梁局部精细模型简化为仅由顶板和纵肋组成的钢桥面板局部受力结构体系；b)将该结构体系的顺桥向长度和横桥向长度分别采用横隔板间距个数W和纵肋个数L表示；将该结构体系的边界约束条件分为3类:①边界1:周边横隔板的约束条件边界I1:周边纵肋的约束条件；③边界II1:中间横隔板的约束条件；每类边界约束条件包括沿节点坐标系X、Y、Z轴的平动约束刚度Cx、Cy、Cz和绕节点坐标系X、Y、Z轴的转动约束刚度Cyz、Cxz、Cxy ;因此，钢桥面板局部受力结构体系的待确定参数包括几何尺寸参数W、L以及三类边界约束刚度参数Cx、Cy、Cz、Cyz、Cxz、Cxy,共计20个计算参数；c)保持车辆荷载加载，以等效应力幅S为分析指标对20个计算参数进行敏感度分析，认为等效应力幅S是以20个计算参数为自变量的函数，其中20个计算参数采用集合{V}表示，若集合{V}中第i个计算参数用Vi表示，Vi的第j、j+l次取值用Vu、Vu+1表示，则利用式(I)可计算Vi在区间(\」，\」+1)内的敏感系数F(VuVi^1):
Sv -SvFK-1+l) = —^^
V l'J+l/ V -VX
yUj+\ yi,j(I)式中，SVi j、分别为集合m中Vi取值为Vi,」、V,J+1时钢桥面板局部受力
结构体系的等效应力幅计算值，且i=l，2，…，20，j为正整数；若根据式(I)计算得到的
F(Vi；J, Vi； J+1) <0.2，且知;/、S1.",与53的相对误差均小于2.0%，则将Vi视为在该区间
(Vi；j, Vi；J+1)内的非敏感参数，从区间(Vu，Vu+1)中直接选取任一值作为该参数的最优值；若根据式(I)计算得到的F(VuVi^1)彡0.2，则将Vi视为在该区间\j+1)内的敏感参数，需要对其取值作进一步优化分析；d)将第c)步基于敏感系数确定的敏感参数用向量[F]表示，利用式(2a)、(2b)和(2c)对向量丨F]进行优化分析，确定敏感参数的最优取值:
权利要求
1.一种正交异性钢桥面板的疲劳荷载效应分析模型简化方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤10):对大跨缆索承重桥梁结构体系进行有限元模拟，建立整体结构尺度模型； 步骤20):利用子模型法，建立整体结构尺度模型的钢箱梁局部精细模型，并计算其钢桥面板部位的等效应力幅精确解Sa ； 步骤30):将钢箱梁局部精细模型简化为钢桥面板局部受力结构体系，并基于步骤20)的等效应力幅精确解Sa对该结构体系的参数取值进行优化分析，确定钢桥面板疲劳荷载效应分析的简化模型。
2.根据权利要求1所述一种正交异性钢桥面板的疲劳荷载效应分析模型简化方法，其特征在于:所述步骤10)中，对所述大跨缆索承重桥梁结构体系的桥塔、桥面系、边墩、斜拉索、主缆和吊杆进行整体结构尺度模型的三维有限单元模拟，其中桥塔采用三维梁单元模拟，桥面系中钢箱梁部分采用壳单元进行模拟，桥面系中铺装层部分采用实体单元进行模拟，边墩采用实体单元模拟，斜拉索、主缆和吊杆采用三维桁架单元模拟。
3.根据权利要求1所述一种正交异性钢桥面板的疲劳荷载效应分析模型简化方法，其特征在于:所述整体结构尺度模型的边界连接条件处理为:①主梁与索塔的连接:主梁与索塔之间设有横向抗风支座和竖向抗风支座索塔与边墩底部固结；以及③主梁在各边墩处，横桥向、竖向、扭转及绕竖向的转动自由度与墩顶节点建立主从关系。
4.根据权利要求1所述一种正交异性钢桥面板的疲劳荷载效应分析模型简化方法，其特征在于:所述步骤20)中，包括如下步骤: Ca)从整体结构尺度模型中切割出一段钢箱梁，并进行精细网格划分，网格划分水平取为5，得到钢箱梁局部精细模型； (b)对步骤10)得到的整体结构尺度模型进行较粗网格划分，网格划分水平取为1，施加车辆荷载并计算求解，得出钢箱梁局部精细模型的边界部位的位移响应； (c)将第(b)步所得的位移响应作为边界条件，采用线性插值法施加到钢箱梁局部精细模型的切割边界； (d)保持车辆荷载加载不变，对钢箱梁局部精细模型进行计算求解，得出其钢桥面板部位的等效应力幅精确解Sa。
5.根据权利要求1所述一种正交异性钢桥面板的疲劳荷载效应分析模型简化方法，其特征在于:所述步骤30)中，包括如下步骤: a)将钢箱梁局部精细模型简化为仅由顶板和纵肋组成的钢桥面板局部受力结构体系; b)将该结构体系的顺桥向长度和横桥向长度分别采用横隔板间距个数W和纵肋个数L表示；将该结构体系的边界约束条件分为3类:①边界1:周边横隔板的约束条件；②边界I1:周边纵肋的约束条件；③边界II1:中间横隔板的约束条件；每类边界约束条件包括沿节点坐标系X、Y、Z轴的平动约束刚度Cx、Cy、Cz和绕节点坐标系X、Y、Z轴的转动约束刚度Cyz、Cxz、Cxy ;因此，钢桥面板局部受力结构体系的待确定参数包括几何尺寸参数W、L以及三类边界约束刚度参数Cx、Cy、Cz、Cyz、Cxz、Cxy,共计20个计算参数； c)保持车辆荷载加载，以等效应力幅S为分析指标对20个计算参数进行敏感度分析，认为等效应力幅S是以20个计算参数为自 变量的函数，其中20个计算参数采用集合{V}表示，若集合{V}中第i个计算参数用Vi表示，Vi的第j、j+l次取值用Vu、V,J+1表示，则利用式(I)可计算Vi在区间Vi，j+1)内的敏感系数F(VuVu1):
全文摘要
本发明公开了一种正交异性钢桥面板的疲劳荷载效应分析模型简化方法，包括如下步骤步骤10)对大跨缆索承重桥梁结构体系进行有限元模拟，建立整体结构尺度模型；步骤20)利用子模型法，建立整体结构尺度模型的钢箱梁局部精细模型，并计算其钢桥面板部位的等效应力幅精确解；步骤30)将钢箱梁局部精细模型简化为钢桥面板局部受力结构体系，并基于步骤20)的等效应力幅精确解对该结构体系的参数取值进行优化分析，确定钢桥面板疲劳荷载效应分析的简化模型。该简化模型可在保证计算结果准确性的同时，大幅提高正交异性钢桥面板疲劳荷载效应分析的计算效率。
文档编号G06F17/50GK103226626SQ20131006296
公开日2013年7月31日 申请日期2013年2月27日 优先权日2013年2月27日
发明者王高新, 丁幼亮, 宋永生 申请人:东南大学