CN114638046B - 一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法 - Google Patents

一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114638046B
CN114638046B CN202210511550.4A CN202210511550A CN114638046B CN 114638046 B CN114638046 B CN 114638046B CN 202210511550 A CN202210511550 A CN 202210511550A CN 114638046 B CN114638046 B CN 114638046B
Authority
CN
China
Prior art keywords
pier
section
unit
variable cross
matrix
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210511550.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114638046A (zh
Inventor
王雨权
苏伟
廖立坚
霍学晋
勾红叶
李林安
管仲国
刘龙
傅安民
杨智慧
李晓波
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tongji University
Tianjin University
Southwest Jiaotong University
China Railway Design Corp
China Railway Major Bridge Reconnaissance and Design Institute Co Ltd
Original Assignee
Tongji University
Tianjin University
Southwest Jiaotong University
China Railway Design Corp
China Railway Major Bridge Reconnaissance and Design Institute Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tongji University, Tianjin University, Southwest Jiaotong University, China Railway Design Corp, China Railway Major Bridge Reconnaissance and Design Institute Co Ltd filed Critical Tongji University
Priority to CN202210511550.4A priority Critical patent/CN114638046B/zh
Publication of CN114638046A publication Critical patent/CN114638046A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114638046B publication Critical patent/CN114638046B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/13—Architectural design, e.g. computer-aided architectural design [CAAD] related to design of buildings, bridges, landscapes, production plants or roads
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
    • G06T17/20—Finite element generation, e.g. wire-frame surface description, tesselation
    • G06T17/205—Re-meshing
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Graphics (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Bridges Or Land Bridges (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

本发明公开了一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法，包括以下步骤：输入桥墩的总体截面尺寸信息；划分单元并计算对应轮廓信息；数字化每一个单元上下端两个截面的信息；计算每一个截面的几何特性；计算每一个桥墩单元的单元刚度矩阵；计算每一个桥墩单元的等效节点荷载；组成桥墩整体刚度矩阵及整体载荷列阵。本发明通过自定义任意截面输入格式及基于泊松方程的有限元求解方法，构建了任意截面几何特性计算方法；通过基于力的平衡及余能定理、卡氏第二定理，推导了变截面空间梁单元刚度矩阵，利用结构力学法得到等效节点荷载，进而建立了变截面空间梁单元技术。本发明对数字孪生仿真模型的刚度及载荷进行准确模拟，解决其准确性难题。

Description

一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法
技术领域
本发明属于交通运输业桥梁工程技术领域，具体涉及一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法。
背景技术
截至2021年底，全国高铁营运里程已达4万公里，到2025年，以“八纵八横”为主骨架的高速铁路网将覆盖50万人口以上城市，高铁营运里程将达到5万公里。桥梁结构在大多数高铁线路中占比超过50%，在铁路网络覆盖区域不断扩大的同时，高铁桥梁的设计、建造及运营环境日趋复杂。在受软土地基沉降、列车循环活载、日照温差、收缩徐变等影响下，桥墩不可避免会发生沉降、侧偏、移位等不可恢复变形及可恢复弹性变形，导致轨道几何状态恶化，从而对高速行驶的列车产生激扰，速度越快，激扰越大，严重影响行车安全和旅客舒适度。
设计阶段必须在充分考虑施工、运维各工况的条件下，着力提高桥墩基础的外力、变形等的计算精度，从设计角度更好地保持轨道的毫米级平顺性。
在桥墩刚度计算时，往往采用分节段等截面柔度矩阵法简化处理，对于变截面桥墩，该方法的计算精度依赖于节段划分的疏密，而刚度计算的准确度将会影响钢轨纵向力的分布，严重影响铁路桥墩数字孪生模型的准确度。
针对上述问题，很有必要研究出一套铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法，用以系统解决准确模拟真实环境中的铁路桥墩孪生模型问题。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法。
本发明的技术方案是：一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法，包括以下步骤：
A.输入桥墩的总体截面尺寸信息；
B.划分单元并计算对应轮廓信息；
C.数字化每一个单元上下端两个截面的信息；
D.计算每一个截面的几何特性；
E.计算每一个桥墩单元的单元刚度矩阵；
F.计算每一个桥墩单元的等效节点荷载；
G.组成桥墩整体刚度矩阵及整体载荷列阵。
更进一步的，步骤A中输入的桥墩总体截面尺寸信息根据铁路桥墩实体而来，总体截面尺寸信息包括桥墩的高度、墩底的轮廓尺寸、墩顶的轮廓尺寸、墩底到墩顶的几何过渡形式。
更进一步的，步骤B划分单元并计算对应轮廓信息，具体过程如下：
首先，对桥墩沿高度划分段落，得到桥墩单元；
然后，计算出每一个桥墩单元的高度、上下端横截面轮廓信息及高度范围内变化规律。
更进一步的，步骤C数字化每一个单元上下端两个截面的信息，通过预定义的任意截面输入规则实现。
更进一步的，步骤D计算每一个截面的几何特性，具体过程如下：
首先，对每个截面进行网格划分；
然后，利用泊松方程的有限元计算方法，计算出每一个截面的几何特性值。
更进一步的，步骤E计算每一个桥墩单元的单元刚度矩阵，具体过程如下：
利用基于力的平衡方程、余能原理及卡氏第二定理推导得到的变截面刚度矩阵并求解桥墩单元的刚度矩阵。
更进一步的，步骤F计算每一个桥墩单元的等效节点荷载，具体过程如下：
利用结构力学中转角位移方程和矩阵位移法中相关工况对应的固端弯矩、固端剪力具体表达式进行等效节点荷载计算。
更进一步的，步骤G组成桥墩整体刚度矩阵及整体载荷列阵，具体过程如下：
将步骤E得到的每一个桥墩单元对应的刚度矩阵，根据其在整体坐标系中对应的坐标位置及其在整体坐标系中的具体行号及列号叠加到整体刚度矩阵对应位置，集成整体刚度矩阵；
将步骤F得到的每一个桥墩单元对应的等效节点荷载，根据其在整体坐标系中对应的坐标位置及其在整体坐标系中的具体行列号叠加到整体载荷列阵对应位置，集成整体载荷列阵。最终形成了仿真计算所需要的整体刚度矩阵和整体载荷列阵孪生信息。
更进一步的，步骤C中预定义的任意截面输入规则，包括按逆时针方向输入的各边，各边之间设置有各边间隔号。
更进一步的，步骤C中各边中包括各边信息，每条边的信息包含5个参量，参量之间设置有各参量间隔号。
本发明的有益效果如下：
本发明针对铁路变截面桥墩建立数字孪生仿真模型问题，通过自定义任意截面输入格式及基于泊松方程的有限元求解方法，构建了任意截面几何特性计算方法；通过基于力的平衡及余能定理、卡氏第二定理，推导了变截面空间梁单元刚度矩阵，利用结构力学法得到等效节点荷载，进而建立了变截面空间梁单元技术。
本发明能够针对交通运输领域等截面、变截面桥墩的数字孪生仿真模型的刚度及载荷进行准确模拟，解决数字孪生模型的准确性难题。
附图说明
图1为本发明的步骤流程示意图；
图2为本发明的任意截面示意图；
图3为本发明的变截面空间梁单元示意图；
图4为本发明的Midas测试模型示意图；
图5为本发明与Midas的地震力计算结果对比图(1号墩)；
图6为本发明与Midas的地震力弯矩计算结果对比图(1号墩)。
具体实施方式
以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：
如图1~6所示，一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法，包括以下步骤：
A.输入桥墩的总体截面尺寸信息；
B.划分单元并计算对应轮廓信息；
C.数字化每一个单元上下端两个截面的信息；
D.计算每一个截面的几何特性；
E.计算每一个桥墩单元的单元刚度矩阵；
F.计算每一个桥墩单元的等效节点荷载；
G.组成桥墩整体刚度矩阵及整体载荷列阵。
步骤A中输入的桥墩总体截面尺寸信息根据铁路桥墩实体而来，总体截面尺寸信息包括桥墩的高度、墩底的轮廓尺寸、墩顶的轮廓尺寸、墩底到墩顶的几何过渡形式。
步骤B划分单元并计算对应轮廓信息，具体过程如下：
首先，对桥墩沿高度划分段落，得到桥墩单元；
然后，计算出每一个桥墩单元的高度、上下端横截面轮廓信息及高度范围内变化规律。
如图2所示，步骤C数字化每一个单元上下端两个截面的信息，通过预定义的任意截面输入规则实现。
步骤D计算每一个截面的几何特性，具体过程如下：
首先，对每个截面进行网格划分；
然后，利用泊松方程的有限元计算方法，计算出每一个截面的几何特性值。
如图3所示，步骤E计算每一个桥墩单元的单元刚度矩阵，具体过程如下：
利用基于力的平衡方程、余能原理及卡氏第二定理推导得到的变截面刚度矩阵并求解桥墩单元的刚度矩阵。
步骤F计算每一个桥墩单元的等效节点荷载，具体过程如下：
利用结构力学中转角位移方程和矩阵位移法中相关工况对应的固端弯矩、固端剪力具体表达式进行等效节点荷载计算。
步骤G组成桥墩整体刚度矩阵及整体载荷列阵，具体过程如下：
将步骤E得到的每一个桥墩单元对应的刚度矩阵，根据其在整体坐标系中对应的坐标位置及其在整体坐标系中的具体行号及列号叠加到整体刚度矩阵对应位置，集成整体刚度矩阵；
将步骤F得到的每一个桥墩单元对应的等效节点荷载，根据其在整体坐标系中对应的坐标位置及其在整体坐标系中的具体行列号叠加到整体载荷列阵对应位置，集成整体载荷列阵。最终形成了仿真计算所需要的整体刚度矩阵和整体载荷列阵孪生信息。
步骤C中预定义的任意截面输入规则，包括按逆时针方向输入的各边，各边之间设置有各边间隔号。
步骤C中各边中包括各边信息，每条边的信息包含5个参量，参量之间设置有各参量间隔号。
在步骤B中需要对桥墩规定出沿着高度的划分方案，可以每隔1m一个单元。根据划分方案定位出每一个桥墩单元的上、下端两个截面的具体位置，然后根据墩底到墩顶的几何过渡形式计算出每一个截面的轮廓信息。
步骤C中，通过一套预定义的任意截面输入规则对每个桥墩截面进行数字化。预定义的任意截面输入规则，具体如下：
其一、各边按逆时针方向输入，用分号";"隔开；
其二、每条边的信息包含5个参量，中间用逗号","分开；
其三、5个参量按照左右顺序的物理意义如下：
①截面号，>0外轮廓，<0内轮廓；
②起始端点x坐标；
③起始端点z坐标；
④半径r，=0直线段，>0圆弧半径；
⑤圆弧标示，=0整圆，>0劣弧，<0优弧。
例如，对于边长为3的正方形，如将正方形左下角放在原点，两边与坐标轴平行，则按照上述输入规则，可用表1给出的数据表示。
表1 边长为3的正方形输入数据
Figure 221869DEST_PATH_IMAGE001
对于一个桥墩来说，每一个桥墩单元的两端截面均需输入上述规则定义的截面信息。
步骤D中需要对每个截面网格化处理，利用数值表达式及基于泊松方程的有限元计算方法，计算出每一个截面的几何特性值。具体计算公式为：
截面面积A的数值计算公式为：
Figure 703666DEST_PATH_IMAGE002
（1）
其中，Ne表示单元数, Ng表示积分点数,
Figure 258276DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 141918DEST_PATH_IMAGE004
表示单元的加权系数。
截面惯性矩的数值计算公式为：
Figure 740258DEST_PATH_IMAGE005
（2）
其中，I yy 、I zz 、I yz 分别表示截面绕y-y、z-z、y-z轴的截面惯性矩，（y 0, z 0）表示形心坐标，y、z表示横截面的纵向与横向坐标，其余符号同上。
常规截面特性计算的公式含义比较明确，但对于扭转特性的计算则相对复杂，需要借助泊松方程的有限元求解方法来求解，求解过程如下:
以ω表示截面的扭转函数，由轴线方向上的平衡方程，可得其控制方程
Figure 709351DEST_PATH_IMAGE006
（3）
注：A表示截面轮廓内的单元。
在横截面的外边界г0上，满足如下的边界条件
Figure 536493DEST_PATH_IMAGE007
（4）
其中，n y 、n z 表示方向余弦，其余符号同上。
基于以上的控制方程，得到单元等效刚度K e和载荷右端项R e
Figure 743483DEST_PATH_IMAGE008
（5）
其中，N表示桥墩单元截面划分网格的形函数向量，Ae表示截面上每一个划分的单元，T表示对矩阵的转置运算,其余符号同上。
将式(5)代入单元平衡方程(6)，以求得单元扭转函数ω e
Figure 388091DEST_PATH_IMAGE009
（6）
注：K e和R e分别为基于泊松方程的单元刚度矩阵和单元等效结点荷载向量。
然后，即可利用下式计算扭转常数J
Figure 969114DEST_PATH_IMAGE010
（7）
其中的符号同上。
计算得到截面特性后，在桥墩刚度或内力计算时，只需赋予给梁单元两端截面所对应的参数即可。
步骤E中需要求解出每一个桥墩单元的刚度矩阵，此时所需要的变截面刚度计算公式需要利用基于力的平衡方程、余能原理及卡氏第二定理推导得到，计算过程如下：
由静力平衡条件，余能定理及卡氏定理求得单元一端j的节点力与节点位移的关系为：
Figure 724581DEST_PATH_IMAGE011
（8）
其中R j 为柔度矩阵，其积分格式的表达式为：
Figure 458182DEST_PATH_IMAGE012
（9）
其中，u j 、v j 、w j 分别为节点j的纵向、横向、竖向水平节点位移，θ jx 、θ jy 、θ jz 分别为节点j绕三个水平方向的转角位移；N、Q y 、Q z 分别代表轴向力、两个方向的剪力，TT、M y 、M z 分别代表扭矩、绕y、z轴两个方向的弯矩，下标j代表节点j；E、G分别为弹性模量、剪切模量，A(x)、I y (x) 、I z (x)为沿着梁长方向的截面面积、饶y、z两轴的转动惯量，J(x)为抗扭惯性矩，L为单元长度，f sy 、f sz 为考虑剪切效应的系数。
对式(9)的柔度矩阵R j 求逆可得到对应的刚度矩阵K jj 。
建立空间变截面梁单元的刚度矩阵，有关系式：
Figure 273691DEST_PATH_IMAGE013
（10）
其中，F表示变截面梁单元的节点力，δ表示节点位移。
对应左端约束的模型，式(10)可简化为：
Figure 342010DEST_PATH_IMAGE014
（11）
由静力平衡条件得
Figure 104429DEST_PATH_IMAGE015
（12）
可记为
Figure 817171DEST_PATH_IMAGE016
（13）
由式(10)和式(11)可得：
Figure 678947DEST_PATH_IMAGE017
（14）
以上，TT为变截面梁单元的扭矩，TT i 为变截面梁单元i端的扭矩，TT j 为变截面梁单元j端的扭矩,H代表公式（12）中等号后边的第一个矩阵,综合式(14)及K jj 的表达式，即可得到变截面梁单元的刚度矩阵。变截面刚度矩阵经过退化可得到等截面刚度矩阵。
因此，可统一用变截面刚度矩阵对每一个桥墩单元的刚度特性进行数字孪生仿真模拟。
步骤F中由于桥墩结构其刚度较大，截面形式的变化，对于节点力的影响不大。在计算单元节点荷载时，可采用结构力学中转角位移方程和矩阵位移法中相关工况对应的固端弯矩、固端剪力等具体表达式进行每一个桥墩单元的等效节点荷载计算。
步骤G中需要对整个桥墩所划分的所有单元对应的每一个桥墩的变截面刚度矩阵和载荷列阵根据其在整体坐标系中对应的坐标位置及其在整体坐标系中的具体行号及列号叠加到整体刚度矩阵和整体载荷列阵对应位置，集成整体刚度矩阵和整体载荷列阵，最终形成了仿真计算所需要的孪生信息。
实施例一
利用本发明对一(60+100+60) m高铁连续梁进行地震力计算结果对比验证。
梁体和桥墩均为变截面构件，桥墩和承台的截面尺寸如表2所示。图4为(60+100+60) m高铁连续梁的Midas模型，自编的程序则采用本发明的变截面单元模拟和加载，截面几何特性采用本发明的任意截面特性计算功能计算。
表2 模型桥墩和承台尺寸表
Figure 109929DEST_PATH_IMAGE018
测试过程中，制定了五组墩高组合作为测试工况1-5，各工况对应的墩高组合如表3所示。
表3 五种测试工况对应墩高组合数据表
Figure 167769DEST_PATH_IMAGE019
经计算提取五种工况对应的1-4号墩的纵向水平力及弯矩、横向水平力及弯矩的计算值。
图5给出了1号墩在五种工况下纵向、横向水平力对比图，Px、Py代表Midas的纵向、横向水平力，kN； Fx、Fy代表桥墩数字孪生变截面仿真计算方法的纵向、横向水平力，kN。
图6给出了1号墩的纵向、横向弯矩对比图，Mx、My代表Midas的纵向、横向弯矩，kN*m；FFx、FFy代表桥墩数字孪生变截面仿真计算方法的纵向、横向弯矩，kN*m。
表4则给出了1号墩在五种墩高组合工况条件下，各计算参量的具体数值及对应的桥墩数字孪生变截面仿真计算方法与Midas的误差值。
从图5、图6及表4给出的对比图及对照表可看出，桥墩数字孪生变截面仿真计算方法与Midas的计算值很接近，最大误差0.18%。
表4各地震工况地震力与地震弯矩对比表(1号墩)
Figure 596DEST_PATH_IMAGE020
表5则为2-4号墩的误差值，可以看出，最大误差为0.15%。由于地震力计算涉及振型频率的求解，与变截面梁的刚度及质量矩阵相关，因此可知，本发明所述的桥墩数字孪生变截面仿真计算方法是满足实际工程数字孪生仿真要求的。
表5 (2-4)号墩各工况Midas与桥墩数字孪生变截面仿真计算方法误差汇总表
Figure 95591DEST_PATH_IMAGE021
本发明针对铁路变截面桥墩建立数字孪生仿真模型问题，通过自定义任意截面输入格式及基于泊松方程的有限元求解方法，构建了任意截面几何特性计算方法；通过基于力的平衡及余能定理、卡氏第二定理，推导了变截面空间梁单元刚度矩阵，利用结构力学法得到等效节点荷载，进而建立了变截面空间梁单元技术。
本发明能够针对交通运输领域等截面、变截面桥墩的数字孪生仿真模型的刚度及载荷进行准确模拟，解决数字孪生模型的准确性难题。

Claims (10)

1.一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
(A)输入桥墩的总体截面尺寸信息；
(B)划分单元并计算对应轮廓信息；
(C)数字化每一个单元上下端两个截面的信息；
(D)计算每一个截面的几何特性；
(E)计算每一个桥墩单元的单元刚度矩阵；
(F)计算每一个桥墩单元的等效节点荷载；
(G)组成桥墩整体刚度矩阵及整体载荷列阵；
几何特性值包括截面面积、截面惯性矩、扭转惯性矩；
步骤E中需要求解出每一个桥墩单元的刚度矩阵，此时所需要的变截面刚度计算公式需要利用基于力的平衡方程、余能原理及卡氏第二定理推导得到，计算过程如下：
由静力平衡条件，余能定理及卡氏定理求得单元一端j的节点力与节点位移的关系为：
Figure FDA0003716999350000011
其中Rj为柔度矩阵，其积分格式的表达式为：
Figure FDA0003716999350000021
其中，uj、vj、wj分别为节点j的纵向、横向、竖向水平节点位移，θjx、θjy、θjz分别为节点j绕三个水平方向的转角位移；N、Qy、Qz分别代表轴向力、两个方向的剪力，TT、My、Mz分别代表扭矩、绕y、z轴两个方向的弯矩，下标j代表节点j；E、G分别为弹性模量、剪切模量，A(x)、Iy(x)、Iz(x)为沿着梁长方向的截面面积、饶y、z两轴的转动惯量，J(x)为抗扭惯性矩，L为单元长度，fsy、fsz为考虑剪切效应的系数，
对式(9)的柔度矩阵Rj求逆可得到对应的刚度矩阵Kjj，
建立空间变截面梁单元的刚度矩阵，有关系式：
Figure FDA0003716999350000022
其中，F表示变截面梁单元的节点力，δ表示节点位移，
对应左端约束的模型，式(10)可简化为：
Figure FDA0003716999350000023
由静力平衡条件得
Figure FDA0003716999350000024
可记为
Fi＝HFj (13)
由式(10)和式(11)可得：
Figure FDA0003716999350000031
以上，TT为变截面梁单元的扭矩，TTi为变截面梁单元i端的扭矩，TTj为变截面梁单元j端的扭矩,H代表公式(12)中等号后边的第一个矩阵。
2.根据权利要求1所述的一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法，其特征在于：步骤(A)中输入的桥墩总体截面尺寸信息根据铁路桥墩实体而来，总体截面尺寸信息包括桥墩的高度、墩底的轮廓尺寸、墩顶的轮廓尺寸、墩底到墩顶的几何过渡形式。
3.根据权利要求1所述的一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法，其特征在于：步骤(B)划分单元并计算对应轮廓信息，具体过程如下：
首先，对桥墩沿高度划分段落，得到桥墩单元；
然后，计算出每一个桥墩单元的高度、上下端横截面轮廓信息及高度范围内变化规律。
4.根据权利要求1所述的一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法，其特征在于：步骤(C)数字化每一个单元上下端两个截面的信息，通过预定义的任意截面输入规则实现。
5.根据权利要求1所述的一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法，其特征在于：步骤(D)计算每一个截面的几何特性，具体过程如下：
首先，对每个截面进行网格划分；
然后，利用泊松方程的有限元计算方法，计算出每一个截面的几何特性值。
6.根据权利要求1所述的一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法，其特征在于：步骤(E)计算每一个桥墩单元的单元刚度矩阵，具体过程如下：
利用基于力的平衡方程、余能原理及卡氏第二定理推导得到的变截面刚度矩阵并求解桥墩单元的刚度矩阵。
7.根据权利要求1所述的一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法，其特征在于：步骤(F)计算每一个桥墩单元的等效节点荷载，具体过程如下：
利用结构力学中转角位移方程和矩阵位移法中相关工况对应的固端弯矩、固端剪力具体表达式进行等效节点荷载计算。
8.根据权利要求1所述的一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法，其特征在于：步骤(G)组成桥墩整体刚度矩阵及整体载荷列阵，具体过程如下：
将步骤(E)得到的每一个桥墩单元对应的刚度矩阵，根据其在整体坐标系中对应的坐标位置及其在整体坐标系中的具体行号及列号叠加到整体刚度矩阵对应位置，集成整体刚度矩阵；
将步骤(F)得到的每一个桥墩单元对应的等效节点荷载，根据其在整体坐标系中对应的坐标位置及其在整体坐标系中的具体行列号叠加到整体载荷列阵对应位置，集成整体载荷列阵； 最终形成了仿真计算所需要的整体刚度矩阵和整体载荷列阵孪生信息。
9.根据权利要求4所述的一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法，其特征在于：步骤(C)中预定义的任意截面输入规则，包括按逆时针方向输入的各边，各边之间设置有各边间隔号。
10.根据权利要求9所述的一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法，其特征在于：步骤(C)中各边中包括各边信息，每条边的信息包含5个参量，参量之间设置有各参量间隔号。
CN202210511550.4A 2022-05-12 2022-05-12 一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法 Active CN114638046B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210511550.4A CN114638046B (zh) 2022-05-12 2022-05-12 一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210511550.4A CN114638046B (zh) 2022-05-12 2022-05-12 一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114638046A CN114638046A (zh) 2022-06-17
CN114638046B true CN114638046B (zh) 2022-08-09

Family

ID=81953331

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210511550.4A Active CN114638046B (zh) 2022-05-12 2022-05-12 一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114638046B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114818094B (zh) * 2022-06-28 2022-09-23 中国铁路设计集团有限公司 一种铁路桥墩数字孪生温度效应仿真计算方法
CN115292972B (zh) * 2022-10-09 2023-01-24 中国铁路设计集团有限公司 地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法
CN115357993B (zh) * 2022-10-20 2023-01-31 中国铁路设计集团有限公司 一种铁路桥梁单箱单室截面有效宽度数字孪生计算方法
CN116108722B (zh) * 2023-02-28 2024-05-07 南京理工大学 基于数字孪生的大型结构件面形调控方法
CN117951771A (zh) * 2023-11-29 2024-04-30 中铁五局集团电务工程有限责任公司 面向最优受力的连续钢箱梁桥施工支架位置快速确定方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102521514A (zh) * 2011-12-16 2012-06-27 天津大学 深水桥墩考虑水—墩耦合效应的地震响应评估方法
CN107423456A (zh) * 2014-08-26 2017-12-01 江苏省电力公司南通供电公司 一种输电铁塔杆件应力计算方法
CN105136592A (zh) * 2015-05-14 2015-12-09 华北水利水电大学 一种判断桥墩抗震性能的方法
CN107330190B (zh) * 2017-06-30 2019-07-05 中铁二院工程集团有限责任公司 高墩大跨混凝土连续刚构桥的纵向刚度控制方法及桥梁
CN108595852B (zh) * 2018-04-28 2020-04-28 北京交通大学 一种重载铁路桥梁桥墩桥台纵向力分析优化方法
CN110032829B (zh) * 2019-05-17 2020-11-10 成都理工大学 钢-混凝土组合梁的应力计算方法
CN111814225B (zh) * 2020-06-04 2022-12-23 中国铁路设计集团有限公司 一种基于广义柔度矩阵的外荷载墩顶位移计算方法
CN112502029B (zh) * 2020-07-13 2022-05-13 中国铁路设计集团有限公司 一种基于墩身任意截面的铁路简支梁桥墩地震力计算方法
CN113536527B (zh) * 2021-05-10 2022-12-23 中国铁路设计集团有限公司 一种考虑多线行车活载对桥墩截面外力影响的算法
CN114417662A (zh) * 2021-12-31 2022-04-29 广州地铁设计研究院股份有限公司 一种单薄壁连续刚构桥墩碰撞仿真方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114638046A (zh) 2022-06-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN114638046B (zh) 一种铁路桥墩数字孪生变截面仿真计算方法
Zhu et al. Coupled dynamic analysis of the vehicle-bridge-wind-wave system
CN106894328B (zh) 一种π形结合梁剪力滞的处理方法
Kong et al. New strategy of substructure method to model long-span hybrid cable-stayed bridges under vehicle-induced vibration
CN103838913B (zh) 曲线箱梁弯桥的有限单元法
Kaveh et al. Optimum design of three-dimensional steel frames with prismatic and non-prismatic elements
Zhao et al. Transverse dynamic mechanical behavior of hangers in the rigid tied-arch bridge under train loads
CN111783201A (zh) 一种三跨自锚式悬索桥动力特性的快速分析方法
CN101894187A (zh) 基于ei和mac混合算法的桥梁传感器布置方法
CN111783199A (zh) 一种多段式索缆结构动力特性的精细化快速求解方法
Ma et al. Case study of three-dimensional aeroelastic effect on critical flutter wind speed of long-span bridges
Chaudhuri et al. Dynamic analysis of horizontally curved I-girder bridges
Naderian et al. Integrated finite strip analysis for long-span cable-stayed bridges
Siddiqi et al. Analysis of eccentrically stiffened plates with mixed boundary conditions using differential quadrature method
Cheng et al. Comparison of numerical techniques for 3D flutter analysis of cable-stayed bridges
CN114818094A (zh) 一种铁路桥墩数字孪生温度效应仿真计算方法
CN110110387B (zh) 一种索结构有限元找形分析方法
CN113779692A (zh) 刚-弹性车辆轨道耦合多软件联动仿真系统及方法
Prokić et al. Dynamic analysis of thin-walled closed-section beams
Soares da Silva et al. Advances in Methodology for Fatigue Assessment of Composite Steel–Concrete Highway Bridges Based on the Vehicle–Bridge Dynamic Interaction and Pavement Deterioration Model
Jiang et al. Improved Shape‐Finding Method and Parametric Study for Designing Asymmetric Suspension Bridges in Mountainous Terrain
CN116805096B (zh) 一种大宽跨比飞机荷载桥梁荷载最不利分布计算方法
Shao et al. A meshless computational framework for a modified dynamic system of vehicle coupled with plate structure
CN115659462A (zh) 一种铁路桥墩数字孪生非节点外荷载等效力计算方法
Aswal et al. Static response of a multi-span suspension bridge subjected to highway vehicle loading

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant