小跨径钢筋混凝土简支系杆拱...精度控制分析与应用场景建议_邓少伟.pdf
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1、广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年7月第30卷 第7期JUL 2023Vol.30 No.7DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.07.018作者简介:邓少伟(1982-),男,硕士,高级工程师,主要从事高速公路日养及专项养护管理、路桥维修加固技术管理、新材料研发等工作。E-mail:0前言在桥梁结构分析建模方式的选择上,一般有杆系模型和实体有限元模型两种选择1。这两种建模方法各有特点:杆系模型其基本单元为两节点的杆系单元,常用在对整个桥梁结构体系的模拟,前处理阶段模型的大小及尺寸容易调整,便于从总体上把控
2、,而且后期计算成果能够以杆系的弯矩、轴力、剪力直观地表达出来,同时也能输出构件边缘的应力,计算精度也能满足一般工程设计的要求,因而在梁、拱、柱等单一结构体系的计算中使用非常广泛。实体有限元模型(以下简称实体模型),其基本单元形式多样,多采用八节点单位,常用在异型构件、特殊节点连接(例如梁拱结合部)等某些受力状况比较复杂、应力云图不规则这些特殊构件的模拟上,是对构件全维度的模拟,但模型建立和调整难度也比杆系模型高很多,往往需要在前处理阶段就要统筹考虑从细部到整体的布局,也由于这个原因导致实体模型很少用在桥梁整体模拟中。但是一旦采用实体模型完好模拟桥梁整体,由于模型中需要全面细致地模拟边界条件,而
3、且结构体系的自由度是全维度的模拟,其计算成果(例如位移、应力)的精度都比杆系模型高;后期计算成果可以得出构件任意点上的应力和变形,从而判断出构件的哪个部位是薄弱区域,让设计人员予以避免,这也是实体模型的最大特点2。如前所述,一般的单一构件,如梁、拱、柱在计算分析上采用杆系模型,其计算精度已经能满足工程需要。但是对于某些组合体系而言,采用杆系模型模拟与实体模型相比,会存在模拟精度稍低的问题3。例如系杆拱结构,在采用杆系模型模拟的基础上,其梁小跨径钢筋混凝土简支系杆拱建模精度控制分析与应用场景建议邓少伟(广州交投城市道路建设有限公司广州510500)摘要:通过对同一小跨径简支系杆拱计算案例采取不同
4、的建模方式进行数值比对,并结合一工程实例的两次静载试验实测数据进行验证,以此说明短跨简支系杆拱在建模分析中对梁拱结合部的不同模拟方式将对整体建模模拟精度产生不同影响,并提出了各应用场景建模类型选取结论建议:实体模型模拟精度最高,但是后期调整困难,可直接得出构件各点的应力应变的变化规律及判别薄弱面,适用于新构件尺寸验证和科研性质的桥梁验算;按“杆系模型”方式建模,模型整体刚度相对偏小,在计算上能得到偏保守的结果,适用于维修加固等构件补强计算,能提供较高的安全系数;按“杆系模型”方式建模,整体刚度与实体模型非常接近,模拟精度仅次于实体模型,其计算值更贴合实测值,可适用于新建桥梁和荷载试验的前期模拟
5、,有利于控制成本。关键词:小跨径简支系杆拱;建模方式;实例验证;模拟精度;场景应用中图分类号:U448.22+5文献标志码:A文章编号:1671-4563(2023)07-081-04Precision Control Analysis and Application of Small Span Reinforced Concrete SimplyPrecision Control Analysis and Application of Small Span Reinforced Concrete SimplySupported Tied ArchSupported Tied ArchDENG
6、 Shaowei(Guangzhou Communication Investment Urban Road Construction Co.,Ltd.Guangzhou 510500,China)AbstractAbstract:Through numerical comparison of different modeling methods for the calculation case of the same small span simply supportedtied arch,and verification with the measured data of two stat
7、ic load tests of a project example,it is explained that different simulation methods of the short span simply supported tied arch on the beam arch joint in modeling analysis will have different effects on the overall modeling simulation accuracy,The conclusions and suggestions on the selection of mo
8、deling types for various application scenarios are proposed:The simulation accuracy of solid model is the highest,but it is difficult to adjust in the later stage.The change rule of stress and strainat each point of the component can be directly obtained and the weak surface can be identified,which
9、is applicable to the size verificationof new components and the bridge checking calculation of scientific research nature;The model is built in the way of member systemmodel I,the overall stiffness of the model is relatively small,and the calculation results can be conservative,which is suitable for
10、 the reinforcement calculation of components such as maintenance and reinforcement,and can provide a higher safety factor;The model is builtaccording to the method of member system model,the overall stiffness is very close to the solid model,the simulation accuracy is second only to the solid model,
11、and the calculated value is more consistent with the measured value,which is suitable for the early simulationof new bridges and load tests,and is conducive to cost control.Key wordsKey words:small span simply supported tied arch;modeling method;case verification;simulation accuracy;scene applicatio
12、n81邓少伟:小跨径钢筋混凝土简支系杆拱建模精度控制分析与应用场景建议JUL 2023 Vol.30 No.72023年7月 第30卷 第7期拱组合部节点的准确模拟将对整体的模拟精度带来积极影响,而且能够提高建模计算的便利性,具有较大的实用价值4。本文主要阐述小跨径简支系杆拱此类梁拱组合体系如何准确模拟组合节点,从而给计算分析上带来更高的准确性。其案例系杆拱的尺寸如图1所示。1五类系杆拱计算建模1.1模型1:全实体模型对以上述尺寸采用大型有限元软件MIDAS CIVIL建立全实体模型,其中只受拉单元12个(吊杆),八节点单元2 212个,节点4 012个,外部简支,并考虑桥梁的自身重力作用以及
13、系梁面上100 kN/m2的面荷载(以下案例的荷载作用与此一致),据此建立的实体模型如图2所示,模型各计算结果分列于表1、表2进行比对。1.2模型2:半实体模型这是一种比较特殊的建模方法,主要体现在系梁、拱肋这样单一构件采用杆系模型模拟,拱梁结合部位采用实体模型模拟5。这种建模方式的难度与全实体建模相当,是除了特殊节点部位采用实体模型模拟,其余大范围的构件采用杆系模拟,既可以比较精确地模拟结构的受力,又能充分运用杆系模型在整体建模中的便利性。其中建立的系杆拱案例模型具有只受拉单元 12个(吊杆),梁单元 144个(系梁、拱肋),八节点单元 320 个(梁拱组合节点),其模型如图3所示,模型各计
14、算结果分列于表1、表2进行比对。1.3模型3:杆系模型I(未调整梁拱结合位刚度)该模型直接采用梁单元模拟梁、拱,梁拱结合位仅为节点连接,未采用其他方式调整该处结合位刚度,其中只受拉单元12个(吊杆),梁单元151个,其模型如图4所示,模型各计算结果分列于表1、表2进行比对。1.4模型4:杆系模型(采用刚臂调整梁拱结合位刚度)该模型相对系杆模型一,在梁拱结合位附近尝试采用了刚臂对结合位的刚度进行模拟,以反映该结合位的刚度对模型分析结果的影响程度6,其中只受拉单元 12个(吊杆),梁单元 151个,其模型如图 4所示,模型各计算结果分列于表1、表2进行比对。1.5模型5:杆系模型(采用梁单元调整梁
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