CN106570268A - 混凝土梁结构温度‑变形耦合分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土木工程应用技术领域，公开了一种混凝土梁结构温度‑变形耦合分析方法及系统。该方法包括：将桥梁及无砟轨道结构的截面划分为非线性温度场的热力学平面单元；对所述截面施加相应的热流密度边界条件进行热力学仿真分析，得出各所述热力学平面单元的温度信息；根据各所述热力学平面单元的温度信息计算第一温度荷载下所述截面各热力学平面单元的虚拟线膨胀系数；在混凝土梁结构的受力模型中，根据所述各热力学平面单元的虚拟线膨胀系数对所述第一温度荷载下的桥梁及无砟轨道结构进行温度‑变形耦合分析。本发明可准确考虑复杂温度荷载作用下梁结构的横向、竖向、纵向耦合变形及弯曲，能广泛应用于土木工程应用中。

Description

混凝土梁结构温度-变形耦合分析方法及系统

技术领域

本发明涉及土木工程应用技术领域，尤其涉及一种混凝土梁结构温度-变形耦合分析方法及系统。

背景技术

混凝土梁结构在温度作用下热胀冷缩引起的变形，是土木工程领域研究的重要课题。

由于混凝土材料导热性能较差，在与外界环境发生热交换过程中，受地理位置、太阳高度角、环境气温、风速等因素影响，混凝土结构物内部温度分布并不均衡，存在着非线性温度场。考虑到混凝土复杂结构相互之间还存在着遮挡效应，其温度场分布情况更为复杂。

对于铁路预应力混凝土桥梁及无砟轨道结构而言，由复杂非线性温度场引起的复杂变形是影响结构物平顺性和耐久性、威胁列车运行安全的关键因素。

受限于分析手段，目前行业内对于混凝土梁温度-变形耦合分析的一般步骤为：

首先，通过热力学分析或试验测试，获取结构内部温度场分布；

然后，对温度场分布规律进行分析，拟合出结构的竖向温度梯度；

最后，将竖向温度梯度施加至结构，分析结构变形。

事实上，混凝土结构内部温度场是极为复杂且多向耦合的，粗略地简化为单方向温度梯度，与实际情况存在较大差别。将单方向温度梯度作为荷载研究结构变形，忽略了结构多向变形的耦合性及实际可能出现的结构局部变形。

因此，目前亟需提供一种在现有技术条件下，可准确考虑复杂温度场影响的混凝土梁温度-变形耦合分析方法。

发明内容

本发明目的在于公开一种混凝土梁结构温度-变形耦合分析方法及系统，以对混凝土梁结构进行精细化温度-变形耦合分析。

为实现上述目的，本发明提供了一种混凝土梁结构温度-变形耦合分析方法，包括：

将桥梁及无砟轨道结构的截面划分为非线性温度场的热力学平面单元；

对所述截面施加相应的热流密度边界条件进行热力学仿真分析，得出各所述热力学平面单元的温度信息；

根据各所述热力学平面单元的温度信息计算第一温度荷载下所述截面各热力学平面单元的虚拟线膨胀系数；

在混凝土梁结构的受力模型中，根据所述各热力学平面单元的虚拟线膨胀系数对所述第一温度荷载下的桥梁及无砟轨道结构进行温度-变形耦合分析。

与上述方法相对应的，本发明实施例还公开一种混凝土梁结构温度-变形耦合分析系统，包括：

第一模块，用于将桥梁及无砟轨道结构的截面划分为非线性温度场的热力学平面单元；

第二模块，用于对所述截面施加相应的热流密度边界条件进行热力学仿真分析，得出各所述热力学平面单元的温度信息；

第三模块，用于根据各所述热力学平面单元的温度信息计算第一温度荷载下所述截面各热力学平面单元的虚拟线膨胀系数；

第四模块，用于在混凝土梁结构的受力模型中，根据所述各热力学平面单元的虚拟线膨胀系数对所述第一温度荷载下的桥梁及无砟轨道结构进行温度-变形耦合分析。

通常，传统的混凝土梁结构温度-变形的耦合分析中，各热力学平面单元的所采用的线膨胀系数一致，而将非线性温度场对梁结构的作用转换成其它方面，使得分析复杂化且缺乏系统性。相比之下，本发明具有以下有益效果：

将桥梁及无砟轨道结构的截面划分为非线性温度场的热力学平面单元，根据热力学仿真分析得出的温度信息计算各热力学平面单元的虚拟线膨胀系数，进而将各热力学平面单元的虚拟线膨胀系数用于研究复杂温度场引起的混凝土梁变形特征，实现可反映复杂温度场特征的混凝土梁温度-变形耦合分析，充分考虑了复杂非线性温度场对梁结构变形的影响，实现了对混凝土梁结构温度-变形的精细化耦合分析。

与既有计算方法相比，本发明的突出特点在于：1、计算方法在现有商用计算软件的基础上即可实现，无需另外编制有限元程序；2、可准确考虑复杂温度荷载作用下梁结构的横向、竖向、纵向耦合变形及弯曲。进一步的，本发明还便于采用梁单元作为梁结构模型进行耦合分析，故计算效率比实体单元更高。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的混凝土梁结构温度-变形耦合分析方法流程图；

图2是本发明实施例中建立的桥梁-无砟轨道截面热力学平面分析模型图；

图3是本发明实施例中采用带有截面信息的三维梁单元建立的铁路混凝土梁桥局部大样图；

图4是本发明实施例中桥梁及无砟轨道非线性温度场引起的桥梁变形局部示意图；

图5是本发明实施例中桥梁及无砟轨道非线性温度场引起的桥梁纵向变形。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

本发明实施例首先公开一种混凝土梁结构温度-变形耦合分析方法，如图1所示，包括：

步骤S1、将桥梁及无砟轨道结构的截面划分为非线性温度场的热力学平面单元。

步骤S2、对截面施加相应的热流密度边界条件进行热力学仿真分析，得出各热力学平面单元的温度信息。其中，在该步骤进行热力学仿真分析前，还包括：将太阳辐射、对流换热和辐射换热转化为对应的温度荷载及相应的边界条件(计算方法可参见：闫斌、刘施、戴公连、蒲浩，我国典型地区无砟轨道非线性温度梯度及温度荷载模式，铁道学报，第38卷，第8期，81-86页，2016)。此外，在进行热力学仿真分析中，桥梁的空心部分可模拟为空气流进行分析。

上述步骤S1及S2，即获取桥梁-无砟轨道非线性温度场。举例如下：

如图2所示，建立梁横截面平面热力学仿真模型，本实施例中考虑桥梁及无砟轨道结构，依照经验数据共划分542个热力学平面单元。将太阳辐射、对流换热和辐射换热转化为热流密度边界条件施加至热力学仿真分析，获取某时刻各平面单元的温度信息。将各单元温度保存至542纬数组T_sec，即第i个单元的温度可表示为T_sec(i)。

步骤S3、根据各热力学平面单元的温度信息计算第一温度荷载下截面各热力学平面单元的虚拟线膨胀系数。

该步骤S3即为修改截面单元的材料特性。与图2中的模型相对应的，采用循环语句遍历1-542号热力学平面单元，将混凝土材料标准线膨胀系数取为10^-5℃^-1、第一温度荷载的标准温度取为25℃，则应将第i个单元的虚拟线膨胀系数α_sec(i)修改为：

修改完毕后，将截面信息保存为数据库文件，以便于后续进行温度-变形耦合分析。

步骤S4、在混凝土梁结构的受力模型中，根据各热力学平面单元的虚拟线膨胀系数对第一温度荷载下的桥梁及无砟轨道结构进行温度-变形耦合分析。

该步骤S4及上述步骤S2可在ANSYS软件环境中予以实现，具体的温度-变形耦合分析包括可采用结构矩阵分析方法计算桥梁及无砟轨道结构的变形和应力等。其中，结构矩阵分析方法是电子计算机进入结构力学领域而产生的一种方法。它是以传统结构力学作为理论基础、以矩阵作为数学表达形式、以电子计算机作为计算手段,三位一体的方法。杆件结构矩阵分析的基本思路是首先将杆件结构离散为有限个单元(杆件),各单元彼此在结点处相连接,以结点位移为基本未知量,研究各单元杆端力与单元杆端位移的关系,此过程称单元分析。然后把各单元集合成原来的结构,这就要求各单元满足原结构的平衡条件,从而建立整个结构的刚度方程,此过程称整体分析。最后得到结点的位移值和各单元的内力。

本实施例中，可选的，上述步骤S4进一步细分为：

步骤S41、建立带有截面信息的预应力混凝土连续梁桥力学模型。与图2相对应的，即导入步骤S3所生成的数据库文件为截面信息，采用带有截面信息的三维有限应变梁单元建立铁路桥梁及无砟轨道结构受力模型，模型局部大样见图3。其中，材料特性设置中，梁单元弹性模型设为3.45e10N/m²，泊松比0.2。

步骤S42、施加统一温度。

在步骤S41模型的基础上，完善桥梁结构边界条件，建立桥墩、扣件和钢轨等其他附属结构。选择梁单元，例如，整体施加第一温度荷载25℃(该温度需与上述计算虚拟线膨胀系数的第一温度一致)，进行运算。

步骤S43、提取计算结果。

在步骤S42的基础上，提取桥梁结构的变形及受力情况等。桥梁结构变形局部情况见图4，由图4也可以看出，非线性温度场引起的梁体变形为包含竖向、横向和纵向多个方向的耦合变形。非线性温度引起的桥梁纵向变形曲线见图5。

本实施例公开的混凝土梁结构温度-变形耦合分析方法，将桥梁及无砟轨道结构的截面划分为非线性温度场的热力学平面单元，根据热力学仿真分析得出的温度信息计算各热力学平面单元的虚拟线膨胀系数，进而将各热力学平面单元的虚拟线膨胀系数用于研究复杂温度场引起的混凝土梁变形特征，实现可反映复杂温度场特征的混凝土梁温度-变形耦合分析，充分考虑了复杂非线性温度场对梁结构变形的影响，实现了对混凝土梁结构温度-变形的精细化耦合分析。

实施例2

与上述方法实施例相对应的，本实施例公开一种混凝土梁结构温度-变形耦合分析系统，包括下述第一至第四模块：

第一模块，用于将桥梁及无砟轨道结构的截面划分为非线性温度场的热力学平面单元。

第二模块，用于对截面施加相应的热流密度边界条件进行热力学仿真分析，得出各热力学平面单元的温度信息。在进行热力学仿真分析前需将太阳辐射、对流换热和辐射换热转化为热流密度边界条件施加于模型。在第二模块进行热力学仿真分析中，可以将桥梁的空心部分模拟为空气流进行分析。

第三模块，用于根据各热力学平面单元的温度信息计算第一温度荷载下截面各热力学平面单元的虚拟线膨胀系数。优选的，该第三模块修改截面各热力学平面单元的线膨胀系数包括：将混凝土材料标准线膨胀系数取为10^-5℃^-1、第一温度荷载的标准温度取为25℃，第i个单元的虚拟线膨胀系数α_sec(i)对应修改为：

其中，T_sec(i)为第i个单元的热力学仿真温度。

第四模块，用于在混凝土梁结构的受力模型中，根据各热力学平面单元的虚拟线膨胀系数对第一温度荷载下的桥梁及无砟轨道结构进行温度-变形耦合分析。可选的，该第四模块的温度-变形耦合分析包括计算桥梁及无砟轨道结构的变形和应力。

综上，本实施例公开的混凝土梁结构温度-变形耦合分析系统，将桥梁及无砟轨道结构的截面划分为非线性温度场的热力学平面单元，根据热力学仿真分析得出的温度信息计算各热力学平面单元的虚拟线膨胀系数，进而将各热力学平面单元的虚拟线膨胀系数用于研究复杂温度场引起的混凝土梁变形特征，实现可反映复杂温度场特征的混凝土梁温度-变形耦合分析，充分考虑了复杂非线性温度场对梁结构变形的影响，实现了对混凝土梁结构温度-变形的精细化耦合分析。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混凝土梁结构温度-变形耦合分析方法，其特征在于，包括：

将桥梁及无砟轨道结构的截面划分为非线性温度场的热力学平面单元；

对所述截面施加相应的热流密度边界条件进行热力学仿真分析，得出各所述热力学平面单元的温度信息；

根据各所述热力学平面单元的温度信息计算第一温度荷载下所述截面各热力学平面单元的虚拟线膨胀系数；

在混凝土梁结构的受力模型中，根据所述各热力学平面单元的虚拟线膨胀系数对所述第一温度荷载下的桥梁及无砟轨道结构进行温度-变形耦合分析。

2.根据权利要求1所述的混凝土梁结构温度-变形耦合分析方法，其特征在于，所述温度-变形耦合分析包括计算桥梁及无砟轨道结构的变形和应力。

3.根据权利要求2所述的混凝土梁结构温度-变形耦合分析方法，其特征在于，所述根据各所述热力学平面单元的温度信息计算第一温度荷载下所述截面各热力学平面单元的虚拟线膨胀系数包括：

将混凝土材料标准线膨胀系数取为10^-5℃^-1、所述第一温度荷载的标准温度取为25℃，第i个单元的虚拟线膨胀系数α_sec(i)对应修改为：

${\mathrm{\α}}_{\sec }\left(i\right)=\frac{{10}^{-5}\·T_{\sec }\left(i\right)}{25}$

其中，T_sec(i)为第i个单元的热力学仿真温度。

4.根据权利要求3所述的混凝土梁结构温度-变形耦合分析方法，其特征在于，在进行热力学仿真分析中，将所述桥梁的空心部分模拟为空气流进行分析。

5.根据权利要求1至4任一所述的混凝土梁结构温度-变形耦合分析方法，其特征在于，所述进行热力学仿真分析前，还包括：将太阳辐射、对流换热和辐射换热转化为相应的热流密度边界条件。

6.一种混凝土梁结构温度-变形耦合分析系统，其特征在于，包括：

第一模块，用于将桥梁及无砟轨道结构的截面划分为非线性温度场的热力学平面单元；

第二模块，用于对所述截面施加相应的热流密度边界条件进行热力学仿真分析，得出各所述热力学平面单元的温度信息；

第三模块，用于根据各所述热力学平面单元的温度信息计算第一温度荷载下所述截面各热力学平面单元的虚拟线膨胀系数；

第四模块，用于在混凝土梁结构的受力模型中，根据所述各热力学平面单元的虚拟线膨胀系数对所述第一温度荷载下的桥梁及无砟轨道结构进行温度-变形耦合分析。

7.根据权利要求6所述的混凝土梁结构温度-变形耦合分析系统，其特征在于，所述第四模块的温度-变形耦合分析包括计算桥梁及无砟轨道结构的变形和应力。

8.根据权利要求7所述的混凝土梁结构温度-变形耦合分析系统，其特征在于，所述根据各所述热力学平面单元的温度信息计算所述第一温度荷载下所述截面各热力学平面单元的虚拟线膨胀系数包括：

将混凝土材料标准线膨胀系数取为10^-5℃^-1、所述第一温度荷载的标准温度取为25℃，第i个单元的虚拟线膨胀系数α_sec(i)对应修改为：

${\mathrm{\α}}_{\sec }\left(i\right)=\frac{{10}^{-5}\·T_{\sec }\left(i\right)}{25}$

其中，T_sec(i)为第i个单元的热力学仿真温度。

9.根据权利要求8所述的混凝土梁结构温度-变形耦合分析系统，其特征在于，所述第二模块在进行热力学仿真分析中，将所述桥梁的空心部分模拟为空气流进行分析。

10.根据权利要求6至9任一所述的混凝土梁结构温度-变形耦合分析系统，其特征在于，所述进行热力学仿真分析前，还包括：

将太阳辐射、对流换热和辐射换热转化为对应的温度荷载及相应的热流密度边界条件。