CN107016194A - 基于多尺度有限元建模的桥梁缆索体系劣化性能分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多尺度有限元建模的桥梁缆索体系劣化性能分析方法，包括以下步骤：步骤1、建立桥梁结构整体有限元模型并进行计算；步骤2、基于步骤1建立的整体模型确定用于劣化分析的桥梁的有效加载区域；步骤3、根据步骤2的有效加载区域，采用子模型技术建立包含局部缆索和U形肋的正交异性桥面板的局部精细子模型；步骤4、在子模型上建立点蚀损伤模型和微裂纹模型；步骤5、基于子模型技术将整体模型和子模型进行跨尺度衔接，形成包含微细观损伤的精细有限元模型；步骤6、对上述的多尺度模型进行有限元计算并进行劣化分析。

Description

基于多尺度有限元建模的桥梁缆索体系劣化性能分析方法

技术领域

本发明属于桥梁结构有限元数值建模领域，以及桥梁结构劣化分析评估领域，具体涉及一种基于多尺度有限元建模的桥梁缆索体系劣化性能分析方法。

背景技术

桥梁结构构件众多，连接关系复杂，局部危险部位的腐蚀疲劳损伤须借助于数值模拟方法解决。现行的有限元计算中，数值模型精度不高，容易给局部应力应变的计算带来误差。所以，需要建立一个高精度的多尺度有限元数值计算模型，用于准确评估桥梁服役状态。

另一方面，缆索系统作为大跨悬索桥和斜拉桥的主体结构，其耐久性能直接决定了整个桥梁的安全寿命，因此研究缆索系统耐久性具有重大意义。对环境腐蚀和疲劳荷载单独作用下的缆索用高强平行钢丝或钢绞线的疲劳理论、劣化机理及耐久性评估已有较多研究成果，但两者交互耦合作用所导致的缆索体系的性能的劣化评估仍是亟待解决的问题。

因此，需要建立一种运用多尺度建模来进行桥梁拉索的疲劳腐蚀耦合的劣化性能分析的方法。

发明内容

发明目的：本发明提供一种可用于桥梁缆索体系受交变荷载和环境腐蚀的共同作用下的劣化分析，且能同时反映结构的整体特性、局部特性和细部缺陷特性，节约大量时间和金钱的基于多尺度有限元建模的桥梁缆索体系劣化性能分析方法。

技术方案：本发明的基于多尺度有限元建模的桥梁缆索体系劣化性能分析方法，包括以下步骤：

步骤1、建立桥梁结构整体有限元模型，采用单元特征长度为10⁰m的网格划分整体模型，在慢车道上施加车辆移动荷载，计算所有节点的应力时程，即在上桥到下桥的整个过程中车辆移动荷载引起的节点应力变化状态；

步骤2、基于步骤1建立的桥梁结构整体有限元模型确定用于疲劳劣化分析的桥梁的有效加载区域；

步骤3、根据步骤2确定的有效加载区域，采用子模型技术建立包含局部缆索和U形肋的正交异性桥面板的局部精细子模型，并采用单元特征长度为10^-3m的网格划分子模型；

步骤4、在子模型上建立点蚀损伤模型和微裂纹模型；

步骤5、基于子模型技术将整体模型和子模型进行跨尺度衔接，最终形成包含微细观损伤的多尺度有限元模型；

步骤6、对所述步骤5中建立的多尺度有限元模型进行有限元计算，得到结构在受交变荷载和环境腐蚀的共同作用下的动力响应以及构件关键部位的应力分布，从而进行该桥梁缆索体系的腐蚀疲劳耦合的劣化分析。

进一步的，本发明方法中，所述步骤2的具体流程为：

1)确定整体模型中的受力关键区域，具体为：根据所述步骤1中划分的整体模型的时程图上最大应力与最小应力的差值，即应力幅的大小，将分析的桥梁结构划分为受力关键区域与非关键区域；

2)根据所述步骤1)选取的受力关键区域上的节点的应力时程来确定受力关键区域的纵向长度，即选取车辆荷载作用于桥面上引起受力关键区的应力时程发生显著变化的长度，将确定了纵向长度的受力关键区域作为桥梁的有效加载区域。

进一步的，本发明方法中，所述的步骤2)的具体内容为：

i)根据所述步骤1划分整体模型并计算得到的应力时程，确定受力关键段正中位置节点的应力影响线，在所述应力影响线中，车辆荷载用一个节点力来表示，车辆荷载的移动总步数为该节点力从桥端节点移动至桥尾节点所经过的所有节点的总和，即加载步来表示；

ii)根据所述步骤i)中确定的应力影响线，选取车辆荷载作用于桥面上引起受力关键区中心节点的应力时程发生显著变化的区域，即选取应力幅值的大小为整体应力幅的90％或以上的区域，作为用于疲劳劣化分析的桥梁的有效加载区域，并记该区域的加载步为n；

iii)将所述步骤ii)中的加载步n换算成区域的长度，该长度就是受力关键区的纵向长度，将确定了纵向长度的受力关键区域作为桥梁的有效加载区域；

进一步的，本发明方法中，所述步骤4中采用节点偏置技术和壁厚变化技术建立点蚀损伤模型。

进一步的，本发明方法中，所述步骤4中采用节点松绑技术建立微裂纹模型。

进一步的，本发明方法中，所述步骤5的具体流程为：

a)在所述子模型内输入位移约束条件，具体为：根据整体模型及计算结果文件，利用插值法计算子模型切割边界节点的位移，再将这些数值用单元形状功能插值到切割边界上；

b)在所述子模型内输入力的加载条件，具体为：在子模型上施加整体模型中的移动车载，并将整体模型中拉索对桥面箱梁的索力等效施加在建立的子模型的对应段上，即得到包含微细观损伤的多尺度有限元模型。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

处于酸雨、盐雾等大气环境中桥梁结构极其容易发生腐蚀破坏，而已有的桥梁结构损伤评估方法主要针对是结构的疲劳损伤状态和剩余寿命的评估。另一方面，传统的有限元建模方法通常是建立在宏观单一的整体大尺度上的，无法有效模拟荷载作用下结构局部的真实响应，因此传统方法已经不能满足结构劣化分析的要求了。本发明建立的一种运用多尺度建模来进行桥梁拉索的疲劳腐蚀耦合的劣化性能分析的方法能够完美解决上述的不足。首先在子模型中同时建立点蚀损伤模型和微裂纹模型，实现了桥梁结构缆索体系疲劳-腐蚀状态的模拟。其次建立子模型并将整体模型和子模型进行跨尺度衔接，能够实现同时模拟整体结构和局部构件的真实的受力状态和结构响应。所以与现有的技术相比，本发明：1)可用于桥梁缆索体系受交变荷载和环境腐蚀的共同作用下的劣化分析，2)且能同时反映结构的整体特性、局部特性和细部的缺陷特性。本发明为实际桥梁工程中后期检测、维护和更新等工作提供参考意见，使得桥梁养护更有针对性。

附图说明

图1是本发明疲劳-腐蚀耦合多尺度建模的流程图；

图2是示例中，某斜拉桥整体模型示例；

图3是示例中，车辆作用时桥梁的总体变形图；

图4是示例中，节点8980的影响线；

图5a)是示例中，正交异性桥面板精细子模型，b)是示例中，跨中段的钢箱梁精细有限元模型；

图6是示例中，桥梁结构的点蚀损伤模型示例；

图7是示例中，索梁锚固区局部裂纹模型图；

图8是示例中，钢箱梁构件局部裂纹模型图。

具体实施方法

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本发明的一种基于多尺度有限元建模的桥梁缆索体系劣化性能分析方法主要包括如下几个步骤：

1、建立桥梁结构整体有限元模型，采用单元特征长度为10⁰m的网格划分整体模型，在慢车道上施加车辆移动荷载，计算所有节点的应力时程，即在上桥到下桥的整个过程中车辆移动荷载引起的节点应力变化状态；

2、基于所述步骤1建立的桥梁结构整体有限元模型确定用于疲劳劣化分析的桥梁的有效加载区域；

3、根据步骤2确定的有效加载区域，采用子模型技术建立包含局部缆索和U形肋的正交异性桥面板的局部精细子模型，并采用单元特征长度为10^-3m的网格划分子模型；

4、在所述子模型上建立包含缆索上的点蚀损伤模型和微裂纹模型；

5、基于子模型技术将整体模型和子模型进行跨尺度衔接，最终形成包含微细观损伤的精细有限元模型；

6、对所述步骤5中建立的多尺度有限元模型进行有限元计算，得到结构在受交变荷载和环境腐蚀的共同作用下的动力响应以及构件关键部位的应力分布，从而进行该桥梁缆索体系的腐蚀疲劳耦合的劣化分析。

作为示例，在步骤1中，用ANSYS有限元软件建立如图2所示的斜拉桥整体模型，在慢车道上施加车辆移动荷载，计算所有节点的应力时程，该模型的单元特征尺度量级为10²～10³m，有限元网格尺寸为其斜拉索与钢箱梁之间的连接方式用一个节点进行表示。

步骤2中，基于所述步骤1建立的整体模型确定用于疲劳劣化分析的桥梁的有效加载区域。例如，对于承受车辆等交变荷载的大跨桥梁而言，车辆交变荷载对单个缆索的有效作用从上桥到离开的整个过程中，只在局部一段时间有效，在远离单个缆索时所引起的应力幅很小。

确定桥梁的有效加载区域的步骤为：

1)确定整体模型中的受力关键区域，具体为：根据所述步骤1中划分的整体模型的时程图上最大应力与最小应力的差值，即应力幅的大小，将分析的桥梁结构划分为受力关键区域与非关键区域；

作为示例，针对步骤1建立的桥梁模型，用一辆32t的八车轮重车作为移动车载模拟车辆从慢车道上桥至下桥的整个过程，加载总步399步。可得到车辆作用于桥梁时桥梁的总体变形图，如图3所示。对比车辆在不同加载位置时的桥梁变形图，可知桥的这种变形实际上主要是由其自重引起的，跨中位置的箱梁段有整个桥梁箱梁段上最大的挠度值。因此，设立跨中位置箱梁段为受力关键区域。

2)根据所述步骤1)选取的受力关键区域上的节点的应力时程来确定受力关键区域的纵向长度，即选取车辆荷载作用于桥面上引起受力关键区的应力时程发生显著变化的长度，将确定了纵向长度的受力关键区域作为桥梁的有效加载区域。

所述的步骤2)的具体内容为：

i)根据所述步骤1划分整体模型并计算得到的应力时程，确定受力关键段正中位置节点的应力影响线，在所述影响线中，车辆荷载用一个节点力来表示，车辆荷载的移动总步数为该节点力从桥端节点移动至桥尾节点所经过的所有节点的总和，即加载步来表示；

ii)根据所述步骤i)中确定的应力影响线，选取车辆荷载作用于桥面上引起受力关键区中心节点的应力时程发生显著变化的区域，即选取应力幅值的大小为整体应力幅的90％或以上的区域，作为用于疲劳劣化分析的桥梁的有效加载区域，并记该区域的加载步为n；

iii)将所述步骤ii)中的加载步n换算成区域的长度，该长度就是受力关键区的纵向长度，将确定了纵向长度的受力关键区域作为桥梁的有效加载区域；

根据步骤1)中加载计算得到的结果，考察跨中关键段正中位置节点8980的影响线，如图4所示。图4反映出，在实际的399个加载步中只有加载步160-240步会在考察的跨中梁端产生较大的应力幅值，而其余加载步在该段产生的应力幅值均非常小(本次32t加载模拟中，其应力幅值不超过0.5MPa)，因而可以忽略不计。由此仅需对160-240加载步所对应的钢箱梁段处建立子模型结构，并在该模型上加载，即可近似模拟车辆在整个桥段移动对跨中考察区的影响。对应于本次模型，由确定的加载步对应的桥面加载范围为-61.75m-61.75m，同时考虑到切割边界应远离应力集中区域，可确定子模型取为整体模型中的-73m-73m段。

步骤3中，桥梁结构的疲劳易损构件是跨中钢箱梁及与其相连的索梁锚固区段，即钢箱梁和索梁锚固区段是劣化分析考察的关键部位。根据步骤2的有效加载区域，建立包含局部缆索和U形肋的正交异性桥面板的局部精细模型作为整体模型的子模型。

如图5a)所示，根据步骤3建立上述整桥模型的正交异性桥面板精细子模型，其单元特征尺度量级为10¹m。图5b)为子模型跨中段的放大图，此放大图给出的模型是跨中段的钢箱梁精细有限元模型，它是整体模型的疲劳易损构件区域。该疲劳易损构件区域长11m，其中包含顶板一个U形肋的焊缝模型，其单元特征尺度量级为10⁰m。

步骤4中，在子模型上建立包含缆索上的点蚀损伤模型和微裂纹模型。采用有限元软件中的节点偏置技术和壁厚变化模拟点蚀损伤，采用节点松绑法(debond法)模拟微裂纹闭合和扩展，形成包含微细观腐蚀和疲劳损伤的精细有限元子模型。

图6提供了上述桥梁结构的点蚀损伤模型。图7和图8给出了的裂纹损伤模型，图中的a为模拟的裂纹长度。这些模型的其单元特征尺度一般在10^-3m或以下，所以与整体模型和局部精细子模型之间存在着跨尺度的连接问题。

步骤5中，基于子模型技术将整体模型和子模型进行跨尺度衔接。子模型技术是得到模型部分区域中更加精确解的有限元技术。子模型方法又称为切割边界位移法或特定边界位移法，是一种整体粗糙分析与局部精细分析相结合的方法，且局部分析是在整体分析的基础上进行的，实际上也可以看做是一种“二次分析”。

整体模型和子模型进行跨尺度衔接的关键是子模型的受力状态应和受约束情况与原整体模型一致。

整体模型和子模型进行跨尺度衔接的基本过程为：

a)在所述子模型内输入位移约束条件，具体为：根据整体模型及计算结果文件，利用插值法计算子模型切割边界节点的位移，再将这些数值用单元形状功能插值到切割边界上；

b)在所述子模型内输入力的加载条件，具体为：在子模型上施加整体模型中的移动车载，并将整体模型中拉索对桥面箱梁的索力等效施加在建立的子模型的对应段上，即得到包含微细观损伤的多尺度有限元模型。

对于示例的桥梁子模型，在建立了锚箱结构的地方，斜拉索索力将等效为面荷载作为外力施加在锚箱底板面上，在未建立锚箱结构的地方，斜拉索索力则作为集中力施加在钢箱梁的对应节点上，而子模型中的约束则来自于切割边界的位移插值。

综上，得到用于桥梁缆索体系劣化性能分析的桥梁结构多尺度有限元模型。

步骤6、对所述步骤5中建立的多尺度有限元模型进行有限元计算，得到结构在受交变荷载和环境腐蚀的共同作用下的动力响应以及构件关键部位的应力分布，从而进行该桥梁缆索体系的腐蚀疲劳耦合的劣化分析。

Claims (6)

1.一种基于多尺度有限元建模的桥梁缆索体系劣化性能分析方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1、建立桥梁结构整体有限元模型，采用单元特征长度为10⁰m的网格划分整体模型，在慢车道上施加车辆移动荷载，计算所有节点的应力时程，即在上桥到下桥的整个过程中车辆移动荷载引起的节点应力变化状态；

步骤2、基于所述步骤1建立的桥梁结构整体有限元模型确定用于疲劳劣化分析的桥梁的有效加载区域；

步骤3、根据步骤2确定的有效加载区域，采用子模型技术建立包含局部缆索和U形肋的正交异性桥面板的局部精细子模型，并采用单元特征长度为10^-3m的网格划分子模型；

步骤4、在所述子模型上建立点蚀损伤模型和微裂纹模型；

步骤5、基于子模型技术将整体模型和子模型进行跨尺度衔接，最终形成包含微细观损伤的多尺度有限元模型；

步骤6、对所述步骤5中建立的多尺度有限元模型进行有限元计算，得到结构在受交变荷载和环境腐蚀的共同作用下的动力响应以及构件关键部位的应力分布，从而进行该桥梁缆索体系的腐蚀疲劳耦合的劣化分析。

2.根据权利要求1所述的一种基于多尺度有限元建模的桥梁缆索体系劣化性能分析方法，其特征在于，所述步骤2的具体流程为：

1)确定整体模型中的受力关键区域，具体为：根据所述步骤1中划分的整体模型的时程图上最大应力与最小应力的差值，即应力幅的大小，将分析的桥梁结构划分为受力关键区域与非关键区域；

2)根据所述步骤1)选取的受力关键区域上的节点的应力时程来确定受力关键区域的纵向长度，即选取车辆荷载作用于桥面上引起受力关键区的应力时程发生显著变化的长度，将确定了纵向长度的受力关键区域作为桥梁的有效加载区域。

3.根据权利要求2所述的一种基于多尺度有限元建模的桥梁缆索体系劣化性能分析方法，其特征在于，所述的步骤2)的具体内容为：

i)根据所述步骤1划分整体模型并计算得到的应力时程，确定受力关键段正中位置节点的应力影响线，在所述应力影响线中，车辆荷载用一个节点力来表示，车辆荷载的移动总步数为该节点力从桥端节点移动至桥尾节点所经过的所有节点的总和，即加载步来表示；

ii)根据所述步骤i)中确定的应力影响线，选取车辆荷载作用于桥面上引起受力关键区中心节点的应力时程发生显著变化的区域，即选取应力幅值的大小为整体应力幅的90％或以上的区域，作为用于疲劳劣化分析的桥梁的有效加载区域，并记该区域的加载步为n；

iii)将所述步骤ii)中的加载步n换算成区域的长度，该长度就是受力关键区的纵向长度，将确定了纵向长度的受力关键区域作为桥梁的有效加载区域。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于多尺度有限元建模的桥梁缆索体系劣化性能分析方法，其特征在于，所述步骤4中采用节点偏置技术和壁厚变化技术建立点蚀损伤模型。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种基于多尺度有限元建模的桥梁缆索体系劣化性能分析方法，其特征在于，所述步骤4中采用节点松绑技术建立微裂纹模型。

6.根据权利要求1、2或3所述的一种基于多尺度有限元建模的桥梁缆索体系劣化性能分析方法，其特征在于，所述步骤5的具体流程为：

a)在所述子模型内输入位移约束条件，具体为：根据整体模型及计算结果文件，利用插值法计算子模型切割边界节点的位移，再将这些数值用单元形状功能插值到切割边界上；

b)在所述子模型内输入力的加载条件，具体为：在子模型上施加整体模型中的移动车载，并将整体模型中拉索对桥面箱梁的索力等效施加在建立的子模型的对应段上，即得到包含微细观损伤的多尺度有限元模型。