[發明專利]基于多尺度有限元建模的橋梁纜索體系劣化性能分析方法

在審

• 申請號: 201710227653.7
• 申請日: 2017-04-07
• 公開（公告）號: CN107016194A
• 公開（公告）日: 2017-08-04
• 發明（設計）人: 王瑩;鄭宇倩;吳佰建
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明屬于橋梁結構有限元數值建模領域，以及橋梁結構劣化分析評估領域，具體涉及一種基于多尺度有限元建模的橋梁纜索體系劣化性能分析方法。

背景技術

橋梁結構構件眾多，連接關系復雜，局部危險部位的腐蝕疲勞損傷須借助于數值模擬方法解決。現行的有限元計算中，數值模型精度不高，容易給局部應力應變的計算帶來誤差。所以，需要建立一個高精度的多尺度有限元數值計算模型，用于準確評估橋梁服役狀態。

另一方面，纜索系統作為大跨懸索橋和斜拉橋的主體結構，其耐久性能直接決定了整個橋梁的安全壽命，因此研究纜索系統耐久性具有重大意義。對環境腐蝕和疲勞荷載單獨作用下的纜索用高強平行鋼絲或鋼絞線的疲勞理論、劣化機理及耐久性評估已有較多研究成果，但兩者交互耦合作用所導致的纜索體系的性能的劣化評估仍是亟待解決的問題。

因此，需要建立一種運用多尺度建模來進行橋梁拉索的疲勞腐蝕耦合的劣化性能分析的方法。

發明內容

發明目的：本發明提供一種可用于橋梁纜索體系受交變荷載和環境腐蝕的共同作用下的劣化分析，且能同時反映結構的整體特性、局部特性和細部缺陷特性，節約大量時間和金錢的基于多尺度有限元建模的橋梁纜索體系劣化性能分析方法。

技術方案：本發明的基于多尺度有限元建模的橋梁纜索體系劣化性能分析方法，包括以下步驟：

步驟1、建立橋梁結構整體有限元模型，采用單元特征長度為10⁰m的網格劃分整體模型，在慢車道上施加車輛移動荷載，計算所有節點的應力時程，即在上橋到下橋的整個過程中車輛移動荷載引起的節點應力變化狀態；

步驟2、基于步驟1建立的橋梁結構整體有限元模型確定用于疲勞劣化分析的橋梁的有效加載區域；

步驟3、根據步驟2確定的有效加載區域，采用子模型技術建立包含局部纜索和U形肋的正交異性橋面板的局部精細子模型，并采用單元特征長度為10^-3m的網格劃分子模型；

步驟4、在子模型上建立點蝕損傷模型和微裂紋模型；

步驟5、基于子模型技術將整體模型和子模型進行跨尺度銜接，最終形成包含微細觀損傷的多尺度有限元模型；

步驟6、對所述步驟5中建立的多尺度有限元模型進行有限元計算，得到結構在受交變荷載和環境腐蝕的共同作用下的動力響應以及構件關鍵部位的應力分布，從而進行該橋梁纜索體系的腐蝕疲勞耦合的劣化分析。

進一步的，本發明方法中，所述步驟2的具體流程為：

1)確定整體模型中的受力關鍵區域，具體為：根據所述步驟1中劃分的整體模型的時程圖上最大應力與最小應力的差值，即應力幅的大小，將分析的橋梁結構劃分為受力關鍵區域與非關鍵區域；

2)根據所述步驟1)選取的受力關鍵區域上的節點的應力時程來確定受力關鍵區域的縱向長度，即選取車輛荷載作用于橋面上引起受力關鍵區的應力時程發生顯著變化的長度，將確定了縱向長度的受力關鍵區域作為橋梁的有效加載區域。

進一步的，本發明方法中，所述的步驟2)的具體內容為：

i)根據所述步驟1劃分整體模型并計算得到的應力時程，確定受力關鍵段正中位置節點的應力影響線，在所述應力影響線中，車輛荷載用一個節點力來表示，車輛荷載的移動總步數為該節點力從橋端節點移動至橋尾節點所經過的所有節點的總和，即加載步來表示；

ii)根據所述步驟i)中確定的應力影響線，選取車輛荷載作用于橋面上引起受力關鍵區中心節點的應力時程發生顯著變化的區域，即選取應力幅值的大小為整體應力幅的90％或以上的區域，作為用于疲勞劣化分析的橋梁的有效加載區域，并記該區域的加載步為n；

iii)將所述步驟ii)中的加載步n換算成區域的長度，該長度就是受力關鍵區的縱向長度，將確定了縱向長度的受力關鍵區域作為橋梁的有效加載區域；

進一步的，本發明方法中，所述步驟4中采用節點偏置技術和壁厚變化技術建立點蝕損傷模型。

進一步的，本發明方法中，所述步驟4中采用節點松綁技術建立微裂紋模型。

進一步的，本發明方法中，所述步驟5的具體流程為：

a)在所述子模型內輸入位移約束條件，具體為：根據整體模型及計算結果文件，利用插值法計算子模型切割邊界節點的位移，再將這些數值用單元形狀功能插值到切割邊界上；

b)在所述子模型內輸入力的加載條件，具體為：在子模型上施加整體模型中的移動車載，并將整體模型中拉索對橋面箱梁的索力等效施加在建立的子模型的對應段上，即得到包含微細觀損傷的多尺度有限元模型。