[發明專利]一種預應力混凝土連續剛構橋溫度作用有限元分析方法

有效

• 申請號: 201410382862.5
• 申請日: 2014-08-06
• 公開（公告）號: CN104166792B
• 公開（公告）日: 2017-06-06
• 發明（設計）人: 桂小紅;宋香娥;李鐵;唐大偉
• 申請（專利權）人: 中國科學院工程熱物理研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種預應力分析方法，具體是一種預應力混凝土連續剛構橋溫度作用有限元分析方法，通過求解有限元方程得到每個節點上的廣義節點位移，在每個單元上使用廣義節點位移插值求得位移、應力、應變等物理量。

背景技術

近年來交通運輸業發展迅速,混凝土的強度越來越高,采用懸臂逐段現澆施工方法修建的預應力混凝土連續剛構橋梁的跨徑越來越大,橋墩附近箱梁節段澆筑的體積也越來越大,由于混凝土材料導熱性能差,在各種溫度變化作用下,預應力混凝土橋梁結構內部會產生相當大的應力、變形、甚至出現溫度裂縫,混凝土水化熱引起的溫度效應非常顯著。

現有的設計實踐中，由于結構分析的復雜性，現有的計算冗長，雖然設計者主觀上希望結構設計盡可能優化，但一方面缺乏有效的計算方法，另一方面，缺乏系統的方法指導橋梁結構設計和改進結構設計，使得結構的設計優化主要依靠累計的工程經驗，使得現有的設計過程帶有較大的主觀性，且工作量大，設計周期長，因而，迫切希望對現有的設計計算方法進行改進優化，在降低計算量的前提下，按照橋梁結構實際施工加載順序來進行結構變形和受力分析，有效計算箱梁溫度自應力和預應力混凝土超靜定結構中的溫度次內力及其次應力。

發明內容

針對現有技術的缺點和不足，本發明旨在提供一種預應力混凝土連續剛構橋溫度作用有限元分析方法，采用正裝計算法按照橋梁結構實際施工加載順序來進行結構變形和受力分析，可有效計算不同溫度梯度模型下施工及成橋階段應力和形變分布，有效解決箱梁溫度自應力和預應力混凝土超靜定結構中的溫度次內力及其次應力計算，為預應力混凝土連續剛構橋的設計及優化提供重要的參考依據。

為實現上述目標，本發明采用正裝計算法按照橋梁結構實際施工加載順序來進行結構變形和受力分析，它能較好地模擬橋梁結構的實際施工過程，能得到橋梁結構在各個施工階段的位移和受力狀態，這不僅可用來指導橋梁設計和施工，而且為橋梁施工控制提供依據。同時，正裝計算法能較好地考慮一些與橋梁結構形成歷程有關的因素，比如結構的非線性問題、預應力損失問題以及混凝土收縮徐變問題等。正裝計算法能根據實際的配筋情況和施工方案設計逐步逐階段地進行計算，能得到各施工階段的內力和變形值，最終能得到成橋結構的受力狀態。這種計算方法的特點是：隨著施工階段的推進，結構形式、邊界約束、荷載形式在不斷地改變，前期結構會發生收縮、徐變等，其幾何位置也在改變，因而，前一階段結構狀態是本次施工階段結構分析的基礎。

本發明為解決其技術問題所采用的技術方案為：一種預應力混凝土連續剛構橋溫度作用有限元分析方法，所述預應力混凝土連續剛構橋包括主梁、縱梁、跨梁和橋墩，所述主梁為預應力混凝土連續剛構結構，所述橋墩與主梁剛性連接，所述有限元分析方法具體包括如下步驟，

SS1.定義有限元模型的長度單位、力的單位和溫度單位；

SS2.定義縱梁和橋墩的梁單元類型；

SS3.建立有限元計算物理模型，對全橋進行單元劃分，設定邊界約束；

SS4.定義混凝土和預應力鋼材的材料參數，包括彈性模量、容重、線膨脹系數、剪切模量、泊松比、預應力管道偏差系數、預應力鋼筋與管道的摩阻系數、預應力鋼筋松弛率、錨具變形及鋼束回縮值；

SS5.設置邊界條件：設定溫度梯度模型及加載，加載包括恒載、預應力荷載、徐變和干縮、掛籃荷載、溫度荷載；

SS6.建立偏微分控制方程組并對其進行離散化，得到代數方程組并利用步驟SS5設定的邊界條件對所述代數方程組進行封閉，用以計算應力和位移；

SS7.對計算域內的所述代數方程組反復進行迭代計算，直到滿足所設定的迭代精度為止，得到應力和位移分布。

進一步地，本發明的預應力混凝土連續剛構橋溫度作用有限元分析方法，還包括步驟SS8，對計算結果進行后處理，繪制出相關曲線。

進一步地，步驟SS1中，定義有限元模型的長度單位為m、力的單位為牛(N)和溫度單位為攝氏度(℃)。

進一步地，步驟SS3中，包括以下三個子步驟：

a.建立有限元計算物理模型：縱梁和橋墩均采用空間梁單元模擬，整體坐標系以X向為橋縱向，Y向為橋橫向，Z向為豎向；

b.對全橋進行單元劃分：全橋共劃分為m+n個單元，其中主梁劃分為m個單元，橋墩劃分為n個單元，其中，m、n為自然數；

c.設定邊界約束：主梁與橋墩的約束關系通過剛性連接模擬；兩邊跨梁端只有Y-Z平面內的角位移和水平線位移2個自由度，其余4個方向均被約束；不考慮樁土作用，將墩底直接固結。

進一步地，步驟SS4具體為：