CN108629075A - 一种曲线梁侧向限位支撑刚度分析方法 - Google Patents

一种曲线梁侧向限位支撑刚度分析方法 Download PDF

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Abstract

一种曲线梁侧向限位支撑刚度分析方法，包括以下步骤：在ANSYS系统采用solid90单元建立曲线梁的三维模型；设置温度场参数，包括热传导系数、比热、混凝土表面和空气对流系数、混凝土密度、温度梯度；划分网格；根据各边界不同施加随时间变化的温度载荷；温度场求解；采用序贯耦合法，将热力学分析单元Solid90转换为结构分析单元Solid95，将温度场求解数据作为温度载荷与车辆离心力共同加载；结构力学求解；调整侧向限位支撑的抗压刚度，重复步骤调整侧向支撑的抗压刚度和计算，将各次计算结果进行对比，从而得到合理侧向限位支撑刚度。在温度场分析的基础上还结合离心力进行结构分析，根据温度计算数据和离心力数据共同作为载荷再加载计算，更符合曲线梁实际情况。

Description

一种曲线梁侧向限位支撑刚度分析方法
技术领域
本发明涉及建筑施工领域，具体地说，涉及一种曲线梁侧向限位支撑刚度分析方法。
背景技术
由于路线设计的需要，在高等级公路中出现了大量曲线桥，曲线桥的结构特点使其在温度变化、混凝土收缩徐变、汽车离心力等载荷作用下，将出现梁体开裂、桥墩开裂、梁体横向偏移即支座脱空等危害。曲线梁由于其固有的特点，在各类荷载作用下，不仅会产生沿轴线方向的位移，还将产生径向位移。如因曲线段端部产生较大的扭矩而产生梁体病害、因不利温度效应累积而产生侧翻、因多辆重车在外侧车道行驶而导致立交桥侧倾。在设计过程中为防止结构在水平面内发生侧移，需要设置足够的侧向约束。由于预加力、混凝土收缩徐变及温度等作用，曲线桥将不可避免的产生切向位移和径向位移，上述位移受支座的约束将导致主梁在水平面内产生次内力，使主梁受力更复杂。因此，在主梁的底部设置侧向限位支座，侧向限位支座与主梁的两侧之间设置弹性限位挡块，用以限制桥梁的侧向位移，减少曲线梁的平面约束刚度的同时增大了机构阻尼，还能够增强结构整体抗震性能。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供一种曲线梁侧向限位支撑刚度分析方法，包括以下步骤：1)在ANSYS系统中采用solid90单元建立曲线梁的三维模型；2)设置温度场参数，包括热传导系数、比热、混凝土表面和空气对流系数、混凝土密度、温度梯度；3)对模型划分网格；4)设置边界条件，根据各边界不同施加随时间变化的温度载荷；5)进行温度场求解；6)采用序贯耦合法，将热力学分析单元Solid90转换为结构分析单元Solid95，将温度场求解数据作为温度载荷与车辆离心力共同加载；7)进行结构力学求解；8)调整侧向限位支撑的抗压刚度，重复步骤6、7、8，并将各次计算结果进行对比，从而得到合理的侧向限位支撑刚度。
优选地，温度梯度的公式为
T′y＝[(T0j+[(T01-T0j)+(T02-T0j)+(T03-T0j)]/N]·e-[(a0j+[(a1-aj)+(a2-aj)+(a3-aj)]/N]y
其中，T′y是目标点处的温度，
T01、T02、T03是根据传感器数据获得的三组梁沿截面梁高或梁宽度方向的温差值；
y是目标点到箱梁最外表面的距离；
a1、a2、a3是根据不同温度测试断面测得的实际温度梯度曲线倒推出的三个温度测试断面分别对应的温度参数；
T0j是根据查表获取的经验值；
a0j是根据查表获取的经验值。
优选地，加载的离心力F＝P·C·n·ua，
其中，车辆载荷为P,
车道数为n，
横向折减系数为ua，
离心力系数C＝v2/127R,v为车速，R为桥梁曲率半径。
优选地，通过调整节点弹性连接的刚度K来模拟不同的侧向限位支撑的弹性。
优选地，侧向限位支撑的抗压刚度计算公式如下：
刚度计算公式K＝EA
其中，
其中，G为侧向限位支撑的抗剪弹性模量，
δ是中间层橡胶的厚度，
a是侧向限位支撑长边尺寸；
b是侧向限位支撑短边尺寸；
A是侧向限位支撑的承压面积。
优选地，温度载荷包括对流载荷、太阳强度辐射和热辐射，其中，对流载荷是将外界空气介质综合温度、对流换热系数赋予边界上的节点；
太阳强度辐射采用热流密度来施加，采用表面效应单元，给表面效应单元施加热流密度从而达到给梁截面外边界施加太阳辐射强度的目的。
本发明采用ANSYS软件建立桥梁模型，并通过调整节点弹性连接的刚度K来模拟不同的侧向限位支撑的弹性。从而可以简便的获取合理的侧向限位支撑的刚度值。并且，还通过在梁高度和宽度方向分别设置多个温度传感器，并对桥梁一年内恶劣气候期间的某一时间段内的温度进行连续数天监测，将温度测试断面的温度数据拟合成实际温度梯度曲线，并根据实际温度梯度曲线倒推出T0和a的三组数值T01、T02、T03，a1、a2、a3。根据查表获取T0和a的经验值T0j和aj，重新组合成更适于当地情况的温度梯度曲线，因此能够根据更切合实际温度场的数据计算得到桥面侧移数据。本发明在温度场分析的基础上还结合离心力进行结构分析，根据温度计算数据和离心力数据共同作为载荷再次加载计算，能够更符合曲线梁的实际情况。
附图说明
通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。
图1是表示本发明实施例的曲线梁的横截面示意图；
图2是表示现有技术的方案一的限位支座布置图；
图3是表示本发明实施例的方案二的限位支座布置图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的曲线梁侧向限位支撑刚度分析方法的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
引起曲线梁横向位移的外界因素主要是温差、车辆离心力和冲击力。本发明采用有限元法将温度载荷和车辆离心力载荷综合加载，分析侧向限位支撑的受力，从而对侧向限位支撑的结构以及布置方式提供有效依据。
该方法包括以下步骤：
1)在ANSYS系统中建立曲线梁的三维模型，梁的横截面如图1所示，其中，梁40采用盆式橡胶支座10支撑在梁的侧面和底部，在盆式橡胶支座10与梁的侧表面之间设置侧向限位支撑20。侧向限位支撑20为板式在盆式橡胶支座10与梁的底表面之间设置竖向弹性支撑30。其中，本发明仅对一跨之间的梁40建立模型，模型采用热力学分析单元solid90单元，solid90单元是一个三维20节点6面体单元，每个节点处有三个自由度，有一个温度自由度，能够很好的模拟曲线梁的温度响应。
2)设置温度场参数，包括热传导系数、比热、混凝土表面和空气对流系数、混凝土密度、温度梯度。
3)对模型划分网格。
4)设置边界条件，根据各边界不同施加随时间变化的温度载荷。
5)进行温度场求解。
6)采用序贯耦合法，将热力学分析单元Solid90转换为结构分析单元Solid95，将温度场求解数据作为温度载荷与车辆离心力共同加载。
7)进行结构力学求解。
8)调整侧向限位支撑的抗压刚度，重复步骤6、7、8，并将各次计算结果进行对比，从而得到合理的侧向限位支撑刚度。
在一个可选实施例中，在步骤2中，目前对于不同地区的温度梯度都统一采用温度梯度公式Ty＝T0·e-ay，
其中，Ty是目标点处的温度；
T0是梁沿截面梁高或梁宽度方向的温差，一般通过查表获取；
y是目标点到箱梁最外表面的距离；
a是温度参数，一般通过查表获取。
然而，处于不同地区的曲线梁，其温度变化规律并不完全相同，一概的用同一公式来进行计算是不够准确的。为此，本发明采取在一定时间段内测得的温度数据进行统计分析，获得温度梯度实测曲线，并将该实测曲线与温度梯度曲线相比较，确定修正系数。具体方法如下：
以曲线梁的不少于三个的不同跨的横截面为温度测试断面，在梁高度和宽度方向分别设置多个温度传感器，并对桥梁一年内恶劣气候期间的某一时间段内的温度进行连续数天监测，例如，对于某一地区夏季的一个温度测试断面的温度监测数据如表一所示。
表1
将该温度测试断面的温度数据拟合成第一实际温度梯度曲线，同样地，其他温度测试断面的温度数据拟合成第二实际温度梯度曲线和第三实际温度梯度曲线，根据传感器数据可以获得三组梁沿截面梁高或梁宽度方向的温差数值T01、T02、T03，根据第一至第三实际温度梯度曲线可以倒推出三个温度测试断面分别对应的a1、a2、a3。根据查表获取T0和a的经验值T0j和aj。
将T01、T02、T03求平均值，a1、a2、a3求平均值，组成新的温度梯度公式
T′y＝[(T0j+[(T01-T0j)+(T02-T0j)+(T03-T0j)]/3]·e-[(a0j+[(a1-aj)+(a2-aj)+(a3-aj)]/3]y 公式1
其中，T′y是目标点处的温度，
T01、T02、T03根据传感器数据获得的三组梁沿截面梁高或梁宽度方向的温差；
y是目标点到箱梁最外表面的距离；
a1、a2、a3是根据第一至第三实际温度梯度曲线倒推出的三个温度测试断面分别对应的温度参数。
该公式兼具了经验公式和实测数据，能够更适用于该地区桥梁的温度梯度，因此能够根据更切合实际的温度场的数据计算得到曲线梁侧移数据。
以上公式是以三组温度测试断面的温度数据为例进行说明，如果温度数据为N组，则该公式为：
T′y＝[(T0j+[(T01-T0j)+(T02-T0j)+(T03-T0j)]/N]·e-[(a0j+[(a1-aj)+(a2-aj)+(a3-aj)]/N]y 公式2
在一个可选实施例中，步骤4中，温度载荷包括对流载荷、太阳强度辐射和热辐射。对流载荷是将外界空气介质综合温度、对流换热系数赋予边界上的节点。太阳强度辐射采用热流密度来施加，采用表面效应单元，给表面效应单元施加热流密度从而达到给梁截面外边界施加太阳辐射强度的目的。热辐射是将热辐射换热等效为对流换热，将综合热交换系数赋予相应节点。
在一个可选实施例中，在步骤6中，加载的离心力F＝P·C·n·ua，
其中，车辆载荷为P,
车道数为n，
横向折减系数为ua，
离心力系数C＝v2/127R,v为车速，R为桥梁曲率半径。
根据桥梁满布汽车，超20级载荷作用下的离心力，施加于桥面的对应节点上。
在一个可选实施例中，在步骤8中，通过调整节点弹性连接的刚度K来模拟不同的侧向限位支撑20的弹性。其中，侧向限位支撑20的抗压刚度计算公式如下：
刚度计算公式K＝EA
其中，
式中，G为侧向限位支撑的抗剪弹性模量，常温下取1MPa，
δ是中间层橡胶的厚度，
a是侧向限位支撑长边尺寸；
b是侧向限位支撑短边尺寸；
A是侧向限位支撑的承压面积。
下面以贵州省某高速公路三跨变截面预应力混凝土连续梁桥为背景进行建模分析。桥梁跨度为40m+60m+40m，平曲线曲率半径为255m，主梁为箱梁，支点截面高4m，跨中截面高2m，主梁混凝土强度为C50，桥墩采用实体墩，宽9.4m，厚1.8m，两桥墩高度分别为6m和7m，混凝土强度为C30，侧向限位支撑采用板式橡胶支座，长35cm，宽30cm，厚10cm。采用热力学分析单元solid90单元建立模型，热传导系数为2.33w/m·℃，比热960kj/kg℃，密度2600kg/m3，弹性模量3.3X1010，热交换系数顶部17.2m2·℃，腹板14.6m2·℃，底板13.8m2·℃，箱内9.8m2·℃，不计入桩变形的影响，建立模型时墩底为固结。
下面以侧向限位支撑为刚性支撑(方案一)和弹性支撑(方案二)分别计算。如图2所示为刚性支撑的曲线梁，图3是弹性支撑的曲线梁，限位支座60沿曲线梁的径向设置弹性支撑50。将两种不同支座布置方案中主梁对整体升温和整体降温的响应进行对比，表2是在温度载荷作用下的弯矩对比数据，表3是在温度载荷作用下的剪力对比数据。
表2
表3
通过对比数据可以看出，使用方案二进行支座布置，升温和降温时各截面内力减小率相同，各关键截面的弯矩和剪力较方案一均减少88％。这与实际情况是符合的，说明本发明的曲线梁侧向限位支撑刚度分析方法是可行的。
可以通过调整节点弹性连接的刚度K来模拟不同的侧向限位支撑20的弹性。通过本发明的方法可以简便的获得合理的侧向限位支撑的刚度值和合理安装位置。
以上所述仅为本发明的优选实施例，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 (6)

1.一种曲线梁侧向限位支撑刚度分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在ANSYS系统中采用solid90单元建立曲线梁的三维模型；
2)设置温度场参数，包括热传导系数、比热、混凝土表面和空气对流系数、混凝土密度、温度梯度；
3)对模型划分网格；
4)设置边界条件，根据各边界不同施加随时间变化的温度载荷；
5)进行温度场求解；
6)采用序贯耦合法，将热力学分析单元Solid90转换为结构分析单元Solid95，将温度场求解数据作为温度载荷与车辆离心力共同加载；
7)进行结构力学求解；
8)调整侧向限位支撑的抗压刚度，重复步骤6、7、8，并将各次计算结果进行对比，从而得到合理的侧向限位支撑刚度。
2.根据权利要求1所述的曲线梁侧向限位支撑刚度分析方法，其特征在于，温度梯度的公式为
其中，Ty′是目标点处的温度，
T01、T02、T03是根据传感器数据获得的三组梁沿截面梁高或梁宽度方向的温差值；
y是目标点到箱梁最外表面的距离；
a1、a2、a3是根据不同温度测试断面测得的实际温度梯度曲线倒推出的三个温度测试断面分别对应的温度参数；
T0j是根据查表获取的经验值；
a0j是根据查表获取的经验值。
3.根据权利要求1所述的曲线梁侧向限位支撑刚度分析方法，其特征在于，加载的离心力F＝P·C·n·ua，
其中，车辆载荷为P,
车道数为n，
横向折减系数为ua，
离心力系数C＝v2/127R,v为车速，R为桥梁曲率半径。
4.根据权利要求1所述的曲线梁侧向限位支撑刚度分析方法，其特征在于，通过调整节点弹性连接的刚度K来模拟不同的侧向限位支撑的弹性。
5.根据权利要求1所述的曲线梁侧向限位支撑刚度分析方法，其特征在于，侧向限位支撑的抗压刚度计算公式如下：
刚度计算公式K＝EA
其中，
其中，G为侧向限位支撑的抗剪弹性模量，
δ是中间层橡胶的厚度，
a是侧向限位支撑长边尺寸；
b是侧向限位支撑短边尺寸；
A是侧向限位支撑的承压面积。
6.根据权利要求1所述的曲线梁侧向限位支撑刚度分析方法，其特征在于，温度载荷包括对流载荷、太阳强度辐射和热辐射，
其中，对流载荷是将外界空气介质综合温度、对流换热系数赋予边界上的节点；
太阳强度辐射采用热流密度来施加，采用表面效应单元，给表面效应单元施加热流密度从而达到给梁截面外边界施加太阳辐射强度的目的。
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