CN114818094B - 一种铁路桥墩数字孪生温度效应仿真计算方法 - Google Patents

一种铁路桥墩数字孪生温度效应仿真计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铁路桥墩数字孪生温度效应仿真计算方法，包括以下步骤：输入桥墩物理模型外轮廓尺寸；划分单元并数字化所需几何参数；输入作用温度；计算等截面桥墩的等效温度荷载；计算变截面桥墩的等效温度荷载；计算温度效应。本发明针对铁路等截面及变截面桥墩的温度效应计算建立数字孪生仿真模型问题，通过考虑桥墩截面几何尺寸的自定义温度场输入格式，将温度场数字孪生模型数值化；然后通过引入初轴力、初弯矩的概念，基于单元力学平衡关系，计算出变截面桥墩对应的最终的温度效应等效节点力。本发明结合常规的等截面温度效应等效节点力，共同构建了桥墩实体模型与数据驱动孪生模型之间温度效应仿真计算的准确映射关系。

Description

一种铁路桥墩数字孪生温度效应仿真计算方法
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温度效应仿真计算方法。
背景技术
全国高铁营运里程到2021年底已达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。桥梁结构在高铁线路中占比可达70％。
目前在墩台设计中，在处理温度作用效应时，如计算温度引起的墩顶位移时，采用基于实测的经验公式法或线性化温度场处理，对于在复杂的桥墩截面上作用非线性温度场计算问题，只能依赖于有限元建模处理。
对于常规的桥墩结构，温度应力一般不控制设计，但温度引起的墩顶位移会对高墩、空心墩的结构尺寸产生较大影响，铁路设计手册给出了基于实验的温度墩顶位移经验计算公式，但计算误差较大。
因此，有必要在构建铁路桥墩数字孪生仿真计算模型过程中，研究出一套计算精度高、使用方便、通用性好的温度效应仿真计算方法，用以解决准确模拟桥墩实体模型与数据驱动孪生模型之间温度效应仿真计算的准确映射关系。
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温度效应仿真计算方法。
本发明的技术方案是：一种铁路桥墩数字孪生温度效应仿真计算方法，包括以下步骤：
A.获取桥墩物理模型外轮廓尺寸；
B.根据桥墩物理模型外轮廓尺寸，划分单元并数字化几何参数；
C.获取作用温度；
D.根据划分的单元和获取的作用温度，计算等截面桥墩的等效温度荷载；
E.根据划分的单元和获取的作用温度，计算变截面桥墩的等效温度荷载；
F.根据等截面桥墩的等效温度荷载、变截面桥墩的等效温度荷载，计算温度效应。
更进一步的，步骤A中输入的桥墩物理模型外轮廓尺寸根据铁路桥墩实体物理模型得到，外轮廓尺寸包括铁路桥墩的墩高、桥墩墩底的轮廓尺寸、墩顶的轮廓尺寸、墩顶到墩底变化规律。
更进一步的，步骤B划分单元并数字化所需几何参数，具体过程如下：
首先，沿桥墩高度方向划分单元；
然后，计算出单元两端截面轮廓尺寸及单元高度。
更进一步的，步骤C输入作用温度过程中，采用一套预定义的作用温度输入规则，对作用于每一个单元的温度进行数字化表征。
更进一步的，步骤D计算等截面桥墩的等效温度荷载，具体过程如下：
对等截面桥墩，将温度效应等效为沿着桥墩方向的纵向轴力N；绕y轴和z轴的弯矩My、Mz。
更进一步的，步骤E计算变截面桥墩的等效温度荷载，具体过程如下：
引入初轴力、初弯矩，基于单元力学平衡关系，计算出最终的变截面桥墩等效节点力。
更进一步的，步骤F计算温度效应，具体过程如下：
将等截面桥墩和变截面桥墩计算得到的等效温度荷载节点力，分别作为外力作用于铁路桥墩数字孪生仿真模型上，计算得到对应的温度效应。
更进一步的，步骤C中输入作用于每一个单元的温度场，以表征桥墩孪生模型中作用的温度场模型，预定义的作用温度输入规则结合温度场分布和桥墩单元具体尺寸。
更进一步的，步骤E计算变截面桥墩的等效温度荷载，具体过程如下：
首先，计算初轴力和初弯矩；
然后，在一个变截面桥墩单元内，初弯矩沿着单元长度方向连续变化，可等效为在单元长度范围内作用有等效分布荷载；
再后，由于温度荷载为内力荷载，构件内部应满足自平衡，从而可得到相应的集中剪力；
最后，叠加初始轴力、初始弯矩、均布力、集中剪力的等效固端力后，即可得到变截面空间梁单元对应的最终温度等效荷载。
本发明的有益效果如下：
本发明针对铁路等截面及变截面桥墩的温度效应计算建立数字孪生仿真模型问题，通过考虑桥墩截面几何尺寸的自定义温度场输入格式，将温度场数字孪生模型数值化；然后通过引入初轴力、初弯矩的概念，基于单元力学平衡关系，计算出变截面桥墩对应的最终的温度效应等效节点力。
本发明结合常规的等截面温度效应等效节点力，共同构建了桥墩实体模型与数据驱动孪生模型之间温度效应仿真计算的准确映射关系。
附图说明
图1为本发明的步骤流程示意图；
图2为本发明中桥墩模型及单元划分示意图；
图3为本发明中桥墩单元作用温度效应的示意图；
图4为本发明中中国公路与铁路规范温度场示意图；
图5为本发明中墩顶位移Abaqus仿真云图(4m)；
图6为本发明中墩顶位移Abaqus仿真云图(11m)；
图7为本发明中墩顶位移Abaqus仿真云图(20m)；
图8为本发明中墩顶位移Abaqus仿真云图(35m)；
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1～8所示，一种铁路桥墩数字孪生温度效应仿真计算方法，包括以下步骤：
A.获取桥墩物理模型外轮廓尺寸；
B.根据桥墩物理模型外轮廓尺寸，划分单元并数字化几何参数；
C.获取作用温度；
D.根据划分的单元和获取的作用温度，计算等截面桥墩的等效温度荷载；
E.根据划分的单元和获取的作用温度，计算变截面桥墩的等效温度荷载；
F.根据等截面桥墩的等效温度荷载、变截面桥墩的等效温度荷载，计算温度效应。
步骤A中输入的桥墩物理模型外轮廓尺寸根据铁路桥墩实体物理模型得到，外轮廓尺寸包括铁路桥墩的墩高、桥墩墩底的轮廓尺寸、墩顶的轮廓尺寸、墩顶到墩底变化规律。
步骤B划分单元并数字化所需几何参数，具体过程如下：
需要沿桥墩高度方向划分单元，然后根据每一个单元具体位置，计算出每一个实体桥墩单元的单元长度、单元两端的截面几何形状、截面特性等内容，得到数字化的桥墩孪生映射模型。
步骤C输入作用温度过程中，采用一套预定义的作用温度输入规则，对作用于每一个单元的温度进行数字化表征。
步骤D计算等截面桥墩的等效温度荷载，具体过程如下：
对等截面桥墩，将温度效应等效为沿着桥墩方向的纵向轴力N；绕y轴和z轴的弯矩My、Mz。
步骤E计算变截面桥墩的等效温度荷载，具体过程如下：
引入初轴力、初弯矩，基于单元力学平衡关系，计算出最终的变截面桥墩等效节点力。
步骤F计算温度效应，具体过程如下：
将等截面桥墩和变截面桥墩计算得到的等效温度荷载节点力，分别作为外力作用于铁路桥墩数字孪生仿真模型上，计算得到对应的温度效应。
步骤E计算变截面桥墩的等效温度荷载，具体过程如下：
首先，计算初轴力和初弯矩；
然后，在一个变截面桥墩单元内，初弯矩沿着单元长度方向连续变化，可等效为在单元长度范围内作用有等效分布荷载；
再后，由于温度荷载为内力荷载，构件内部应满足自平衡，从而可得到相应的集中剪力；
最后，叠加初始轴力、初始弯矩、均布力、集中剪力的等效固端力后，即可得到变截面空间梁单元对应的最终温度等效荷载。
步骤C中输入作用于每一个单元的温度场，以表征桥墩孪生模型中作用的温度场模型，预定义的作用温度输入规则结合温度场分布和桥墩单元具体尺寸。
具体的，预定义的作用温度输入规则结合温度场分布和桥墩单元的具体尺寸，分别输入(B，H1，H2，T1，T2)这五个参数来表示温度作用的计算参数。B表示沿着x轴考虑温度变化的等效宽度，如温度分布不为矩形，则需按照温度分布面积等效原则进行换算；H1、H2表示定义的温度荷载位置到参考坐标的距离；T1、T2表示H1、H2位置处对应的温度。
其中，作用于每一个单元的温度场，如图4。
步骤D计算等截面桥墩的等效温度荷载，具体过程如下：
对于等截面梁单元，可按下列公式计算出等效荷载的各分量：
Figure GDA0003803081630000071
其中，N为沿着桥墩方向的纵向轴力；My、Mz为绕y轴和z轴的弯矩；Ty、Tz为局部坐标方向y、z的非线性温度分布；T取Ty、Tz两者较大值，具体根据用户输入的各计算方向的T1、T2值进行取值计算；yc、zc为输入截面的形心位置坐标；E为弹性模量；α为混凝土的线膨胀系数，A为桥墩单元的横截面面积，z为桥墩单元的横截面坐标主轴1，y为桥墩单元的横截面坐标主轴2，B为沿着x轴考虑温度变化的等效宽度。
此时对应的单元节点力矩阵{Pi，Pj}T为
Figure GDA0003803081630000072
其中，P为作用于桥墩单元的节点轴力及弯矩，下标i，j为桥墩单元两个端点的标号。
步骤E中对于变截面梁单元，为了计算出等效分布荷载和等效节点剪力，引入初轴力、初弯矩的概念，然后基于单元力学平衡关系，计算出最终的等效节点力，具体过程如下：
首先、计算初轴力和初弯矩，计算公式如下
初轴力：
Figure GDA0003803081630000081
初弯矩：
Figure GDA0003803081630000082
其中，N，M分别代表轴力和弯矩；上标0代表各变量的初始值；下标y、z分别代表两个方向的弯矩；Ai、Aj为单元两端的截面积，下标i，j为桥墩单元两个端点的标号，
Figure GDA0003803081630000083
为作用于桥墩单元i端的z方向的初弯矩，
Figure GDA0003803081630000084
为作用于桥墩单元j端的z方向的初弯矩,
Figure GDA0003803081630000085
为作用于桥墩单元i端的y方向的初弯矩，
Figure GDA0003803081630000086
为作用于桥墩单元j端的y方向的初弯矩。
在一个变截面桥墩单元内，初弯矩沿着单元长度方向连续变化，此时可等效为在单元长度范围内作用有等效分布荷载qy(x)、qz(x)，计算公式可写为
Figure GDA0003803081630000087
其中，qy(x)、qz(x)分别表示桥墩单元ij的y、z两个方向的分布荷载；
Figure GDA0003803081630000088
表示单元中点处两个方向的初弯矩，可根据单元中点的截面特性代入公式(4)计算得到，L为桥墩单元的轴向长度。
由于温度荷载为内力荷载，构件内部应满足自平衡，从而可得到相应的集中剪力，计算公式如下
Figure GDA0003803081630000091
其中，
Figure GDA0003803081630000092
表示单元的两端i、j在y方向的集中剪力；
Figure GDA0003803081630000093
表示单元的两端i、j在z方向的集中剪力。
因此，等效固端力只需对公式(6)相关变量求负号，即可得到。
Figure GDA0003803081630000094
其中，
Figure GDA0003803081630000095
表示单元的两端i、j在y方向的等效剪切固端力；
Figure GDA0003803081630000096
表示单元的两端i、j在z方向的等效剪切固端力。
叠加初始轴力、初始弯矩、均布力、集中剪力的等效固端力后，即可得到变截面空间梁单元对应的最终温度等效荷载，表达式为
Figure GDA0003803081630000097
至此，即可求得温度效应对应的变截面单元的等效节点力。
进一步的，步骤F中将步骤D和步骤E计算得到的等截面及变截面桥墩等效温度荷载节点力，作为有限元平衡方程的载荷列阵，作用于铁路桥墩数字孪生仿真模型上，计算得到对应的温度效应。
实施例一
利用本发明对一个圆形等截面空心墩进行墩顶位移的验证。
桥墩横截面的外径为3m，壁厚0.5m，墩身混凝土材料为C30混凝土，墩底固结。分别计算4m、11m、20m、35m四种墩高，如图5-8的墩顶位移。温度场采用《铁路桥涵混凝土结构设计规范》(TB 10092-2017)附录B中的温度场，如图4，温度曲线公式T(y)＝T0e-αy，T0为温差，15℃；α为温差分布系数，5；T(y)为截面计算点y处的温差值。
采用Abaqus进行对比验证，模拟单元为c3d20R单元，网格划分精度0.1-0.2m，并采用了预定义的温度场函数模拟了指数温度场。桥墩通用设计仿真系统则采用本文所述的温度等效荷载来处理。Abaqus的仿真云图如附图5-8所示，单位m。
在Abaqus模型中，提取墩顶截面四周八个位置的温度作用方向的位移值求平均，并提取数字孪生温度效应仿真计算方法所计算的对应的墩顶位移值汇总入表1中。
从对比表中可以看出，最大误差为1.6％，且随着墩高的增加，误差在逐步减小，墩高超过20m时，误差已经在1％以内了，该算例验证了本发明所述数字孪生温度效应仿真计算方法的准确性。
表1圆形空心墩各墩高墩顶位移对比汇总表
Figure GDA0003803081630000101
本发明针对铁路等截面及变截面桥墩的温度效应计算建立数字孪生仿真模型问题，通过考虑桥墩截面几何尺寸的自定义温度场输入格式，将温度场数字孪生模型数值化；然后通过引入初轴力、初弯矩的概念，基于单元力学平衡关系，计算出变截面桥墩对应的最终的温度效应等效节点力。
本发明结合常规的等截面温度效应等效节点力，共同构建了桥墩实体模型与数据驱动孪生模型之间温度效应仿真计算的准确映射关系。

Claims (5)

1.一种铁路桥墩数字孪生温度效应仿真计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
(A)获取桥墩物理模型外轮廓尺寸；
(B)根据桥墩物理模型外轮廓尺寸，划分单元并数字化几何参数；
(C)获取作用温度；
(D)根据划分的单元和获取的作用温度，计算等截面桥墩的等效温度荷载；
(E)根据划分的单元和获取的作用温度，计算变截面桥墩的等效温度荷载；
(F)根据等截面桥墩的等效温度荷载、变截面桥墩的等效温度荷载，计算温度效应；
步骤(B)划分单元并数字化所需几何参数，具体过程如下：
首先，沿桥墩高度方向划分单元；
然后，计算出单元两端截面轮廓尺寸及单元高度；
步骤(D)根据划分的单元和获取的作用温度，计算等截面桥墩的等效温度荷载，具体过程如下：
对等截面桥墩，将温度效应等效为沿着桥墩方向的纵向轴力N；绕y轴和z轴的弯矩My、Mz，计算出等截面桥墩的等效温度荷载；
步骤(E)根据划分的单元和获取的作用温度，计算变截面桥墩的等效温度荷载，具体过程如下：
引入初轴力、初弯矩，基于单元力学平衡关系，计算出最终的变截面桥墩等效节点力；
步骤(F)根据等截面桥墩的等效温度荷载、变截面桥墩的等效温度荷载，计算温度效应，具体过程如下：
将等截面桥墩和变截面桥墩计算得到的等效温度荷载节点力，分别作为外力作用于铁路桥墩数字孪生仿真模型上，计算得到对应的温度效应。
2.根据权利要求1所述的一种铁路桥墩数字孪生温度效应仿真计算方法，其特征在于：步骤(A)中获取的桥墩物理模型外轮廓尺寸根据铁路桥墩实体物理模型得到，外轮廓尺寸包括铁路桥墩的墩高、桥墩墩底的轮廓尺寸、墩顶的轮廓尺寸、墩顶到墩底变化规律。
3.根据权利要求1所述的一种铁路桥墩数字孪生温度效应仿真计算方法，其特征在于：步骤(C)获取作用温度过程中，采用一套预定义的作用温度输入规则，对作用于每一个单元的温度进行数字化表征。
4.根据权利要求3所述的一种铁路桥墩数字孪生温度效应仿真计算方法，其特征在于：步骤(C)中获取作用于每一个单元的温度场，以表征桥墩孪生模型中作用的温度场模型，预定义的作用温度输入规则结合温度场分布和桥墩单元具体尺寸。
5.根据权利要求1所述的一种铁路桥墩数字孪生温度效应仿真计算方法，其特征在于：步骤(E)根据划分的单元和获取的作用温度，计算变截面桥墩的等效温度荷载，具体过程如下：
首先，计算初轴力和初弯矩；
然后，在一个变截面桥墩单元内，初弯矩沿着单元长度方向连续变化，可等效为在单元长度范围内作用有等效分布荷载；
再后，由于温度荷载为内力荷载，构件内部应满足自平衡，从而可得到相应的集中剪力；
最后，叠加初始轴力、初始弯矩、均布力、集中剪力的等效固端力后，即可得到变截面空间梁单元对应的最终温度等效荷载。
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