CN115374556B - 一种考虑销轴滑移和刚度修正的贝雷架挠度计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种考虑销轴滑移和刚度修正的贝雷架挠度计算方法，以试验为出发点，结合理论计算和数值分析，计算得到贝雷架因荷载作用产生的弹性变形和因销轴滑移产生的非弹性变形，同时考虑到贝雷架架体在长期周转使用过程中的材料损耗、单销与销孔间隙值变化、刚度下降等特点，实现了贝雷支撑架挠度的准确预测，解决了现有桥梁施工中贝雷架变形控制效果差的问题，提高了桥梁施工过程中线型调整和误差控制的及时性和准确性，保证了施工质量和施工效率。
Description
技术领域
本发明属于桥梁工程技术领域，尤其涉及一种考虑销轴滑移和刚度修正的贝雷架挠度计算方法。
背景技术
贝雷架是形成一定单元的钢架，可以用它拼接组装成很多构件、设备，它具有结构简单、运输方便、架设快速、分解容易的特点，同时具备承载能力大、结构刚性强、疲劳寿命长等优点。贝雷架能根据实际需要的不同跨径组成各种类型和各种用途的临时桥、应急桥和固定桥，具有构件少、重量轻、成本低的特点，目前已经广泛应用于国防战备、救灾抢险、铁路桥梁施工、市政桥梁施工、其他具有大跨度施工需求的机场及地铁等项目中，作为上部结构施工的支撑结构体系，其根据荷载和跨度情况，可拼装成1层、2层或多层。
当贝雷架作为施工支撑架使用时，挠度是衡量其性能的关键指标，挠度产生途径源自两方面，一方面是因贝雷架单销与销孔间存在间隙而产生非弹性变形，另一方面是因荷载作用而产生弹性变形。在实际工程中，由于贝雷架经过较长时间的周转和使用后，杆件往往存在锈蚀、变形和损耗问题，传统的贝雷架挠度预测方法中，在计算贝雷架弹性挠度时并未考虑到这一点，即并未对有限元模型刚度进行修正，导致弹性挠度的计算值与实际值误差较大；同时，在生产阶段由于精度控制不足还会出现销孔和销轴间隙过大的问题，而传统的贝雷架挠度预测方法中，计算销轴滑移导致的非弹性挠度值时也只是简单地取经验值，进而导致非弹性挠度计算值与实际值误差较大，最终导致贝雷架总挠度值的预测准确性得不到保证，即导致桥梁施工中贝雷支撑架变形预测和控制效果差，进而影响后续桥梁施工过程中线型调整和误差控制的及时性和准确性。
因此，亟需加强对贝雷支撑架真实挠度计算方法的研究，进而对贝雷架变形问题采取控制措施。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种考虑销轴滑移和刚度修正的贝雷架挠度计算方法，克服了现有技术较难准确预测周转使用多次的贝雷架挠度的缺陷，基于现场试验、理论分析和数值模拟，解决了现有桥梁施工中贝雷支撑架变形预测和控制效果差的问题，提高了桥梁施工过程中线型调整和误差控制的及时性和准确性，有助于保证施工质量和施工效率。
本发明通过以下技术手段实现上述技术目的。
一种考虑销轴滑移和刚度修正的贝雷架挠度计算方法，包括如下步骤：
步骤1：结合现场施工场地选取多片贝雷架进行组合，搭建简支梁结构，进行多工况下的预压试验，并利用全站仪测量挠度，计算获得由于施加外荷载而产生的弹性挠度测量值fp；
步骤2：根据步骤1搭建的简支梁结构，建立贝雷架预压试验的有限元模型，进行预压试验工况模拟，计算获得由于施加外载荷而产生的弹性挠度模拟值
步骤3：基于fp和采用迭代法对有限元模型的刚度进行修正；
步骤4：基于修正后的有限元模型，反算贝雷架销孔和销轴间隙值；
步骤5：基于修正后的有限元模型以及销孔和销轴间隙值，计算实际工程中贝雷架的总挠度值。
进一步地，所述步骤3的具体过程如下：
选取弹性模量作为有限元模型刚度修正的代表参数，首先确定允许误差ε，并将贝雷架出厂参数中的材料弹性模量E0作为初始值输入有限元模型中，并将通过有限元模型计算得到的与步骤1中的fp进行比较，获得挠度差值百分比/>
挠度差值百分比大于ε时，则以为修正系数对弹性模量进行折减，然后采用折减后的弹性模量值更新有限元模型并重新计算，得到新的/>将新的/>继续与步骤1中的fp进行比较，获得新的挠度差值百分比，将新的挠度差值百分比继续与ε进行比较，反复迭代折减，直至/>与fp之间的误差满足允许误差要求，迭代结束，此时修正得到的弹性模量即为最终弹性模量，将最终弹性模量赋予有限元模型以完成对有限元模型刚度的修正；挠度差值百分比小于等于ε时，则迭代直接结束。
进一步地，所述步骤1中，预压试验包括如下三种工况下的试验：工况一：混凝土试块未放置在简支梁上，工况二：在简支梁上施加混凝土试块，工况三：将混凝土试块从简支梁上全部撤除。
进一步地，所述步骤4的具体过程为：
基于修正后的有限元模型，仅施加贝雷架自重荷载，计算获得贝雷架自重导致的弹性挠度值fg；
工况三下贝雷架的弹性挠度测量值是已知的，记为fk，fk＝fg+fΔ，据此计算出fΔ值，其中，fΔ表示销孔和销轴间隙未完全闭合导致的非弹性挠度值；
再根据fΔ的值计算获取销孔和销轴间隙Δ。
进一步地，所述销孔和销轴间隙Δ的计算方法如下：
当贝雷架节数n为偶数时：
单层拼装情况下：
双层拼装情况下：
当贝雷架节数n为奇数时：
单层拼装情况下：
双层拼装情况下：
进一步地，所述步骤5的具体过程为：
根据施工现场贝雷架搭设情况建立修正后的贝雷架有限元模型，并进行全工况模拟，计算得到在上部箱梁荷载和贝雷架自重作用下的弹性挠度值之和；
根据施工现场贝雷架层数、节数以及步骤4计算得到的销孔和销轴间隙，计算获得施工现场贝雷架的非弹性挠度值；
将弹性挠度值之和与非弹性挠度值相加，得到施工现场贝雷架总挠度值。
进一步地，所述步骤2中，建立贝雷架预压试验的有限元模型时，贝雷架上下弦杆、竖杆及斜杆杆件全部采用梁单元进行模拟，相邻贝雷架拼装到一起时，采用释放连接点处转动自由度的方法模拟销轴的铰接连接方式，采用施加在节点上的集中荷载模拟外载荷的施加，采用节点约束的形式模拟简支梁结构中的支座。
本发明具有如下有益效果：
本发明以试验为出发点，结合理论计算和数值分析，同时考虑了贝雷架架体在长期周转使用过程中的材料损耗、销和轴间隙值变化、刚度下降等特点，设计了一种考虑销轴滑移和刚度修正的贝雷架挠度计算方法，能够较为精准地计算得到贝雷架因荷载作用产生的弹性挠度和因销轴滑移产生的非弹性挠度，实现了贝雷支撑架挠度的准确预测，解决了现有桥梁施工中贝雷架变形控制效果差的问题，提高了桥梁施工过程中线型调整和误差控制的及时性和准确性，保证了施工质量和施工效率。
附图说明
图1为步骤1中的简支梁结构正面示意图；
图2为步骤1中的简支梁结构顶面示意图；
图3为步骤2中的贝雷架预压试验的有限元模型示意图；
图4为本发明所述考虑销轴滑移和刚度修正的贝雷架挠度计算方法流程图；
图5为步骤3中采用迭代法对有限元模型的刚度进行修正的流程图；
图6为跨中吊装区域的双层支撑贝雷架有限元模型示意图。
图中：1-贝雷架；2-混凝土试块；3-支座。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
本实施例以钢箱梁桥施工过程为例进行方案说明，钢箱梁桥的主梁采用分离式钢箱结构，左右钢箱间通过混凝土桥面板及钢横隔板连接，全桥主梁共7种类型，56个梁段，首先利用浮吊吊装叠合梁，先两侧边跨利用爬行器夹紧装置对称滑移，再进行跨中分段吊装就位；托架主要由钢管桩、工字钢、贝雷桁架组成，其中，跨中吊装区域的双层贝雷架1因为通航的需求跨度达到42m，容易产生较大的挠度变形，因此需要在施工前对挠度变形值进行准确的计算预测，从而加快钢箱梁的线型调整和变形控制过程，同时保证施工质量。
本发明所述的考虑销轴滑移和刚度修正的贝雷架挠度计算方法如图4所示，具体包括如下步骤：
步骤1：进行贝雷架1预压试验；
结合现场施工场地选取5片贝雷架1组合到一起，并架设在工字钢支座3上，形成如图1、2所示的简支梁结构，其中，支座3间跨度为18m，每片贝雷架1由8个拼装单元组成，拼装单元长度d＝3m，拼装单元高度h＝1.5m，整个贝雷架1组合而成的架体自重9t；
采用全站仪观测不同工况下贝雷架1下弦杆中点处的挠度值变化情况；其中，工况一是混凝土试块2未放置时贝雷架1在自身重力作用下的下挠状态，此时贝雷架1的销孔和销轴间隙尚未完全闭合，非弹性变形尚不充分；工况二是施加32t混凝土试块2后贝雷架1在外荷载作用下继续下挠达到的稳定状态，该工况下的外荷载是经过计算确定的，从而保证贝雷架1的销孔和销轴间隙完全闭合但又不会使贝雷架1发生塑性变形；工况三是将外荷载全部撤除后，贝雷架1恢复部分弹性变形后所达到的稳定状态，此时可以认为此工况下销孔和销轴间隙仍然处于闭合状态，因为在不施加其他扰动的情况下，非弹性变形在外荷载撤去后无法自行恢复；
本实施例中的测量结果为：工况一下贝雷架1在自重作用下的挠度测量值为15.54mm；工况二下的弹性挠度测量值为38.46mm，工况三下的弹性挠度测量值为20.03mm；因此，通过逆向考察，可以认为由于施加外荷载而产生的弹性挠度测量值为：38.46-20.03＝18.43mm。
步骤2：根据步骤1搭建的简支梁结构，采用Midas软件建立如图3所示的贝雷架1预压试验的有限元模型，将混凝土试块2转化为等效荷载施加在架体的对应节点位置，对步骤1中三种工况下的预压试验进行全过程模拟，计算获得由于施加外载荷而产生的弹性挠度模拟值为16.38mm；
在建模的过程中，贝雷架1上下弦杆、竖杆及斜杆等杆件全部采用梁单元进行模拟，相邻贝雷架1拼装到一起时，采用释放连接点处转动自由度的方法模拟销轴的铰接连接方式，采用施加在节点上的集中荷载模拟混凝土块的施加，采用节点约束的形式模拟支座3。
步骤3：基于步骤1的试验结果和步骤2的模拟结果可知，由于施加外荷载而产生的弹性挠度测量值和弹性挠度模拟值之间有一定的差异，同时，贝雷架1在长期的周转使用过程中会不可避免地发生损耗变形和锈蚀，这会进一步加剧模拟结果和实际情况间的差异性，因此需要对有限元模型进行修正；
由于在工况二和工况三中可以认为销孔和销轴间隙均处于完全的闭合状态，因此可以认为从工况二到工况三发生的变形完全是由施加外荷载而产生的弹性变形，这一过程中的跨中挠度变化量即为由于施加外荷载而产生的弹性挠度测量值，记为fp，通过步骤1可知，fp为18.43mm；
在步骤2建立的有限元模型中施加同样的外荷载得到的由于施加外载荷而产生的弹性挠度模拟值记为(此处仅有外荷载，没有贝雷架1自身重力的影响)，基于fp和/>采用如图5所示的迭代法对有限元模型的刚度进行修正：
影响结构刚度的因素有诸如材料的本构关系、弹性模量、构件截面几何参数等，而对这些因素进行一一考虑是不现实的，因此本发明的模型修正是为提高性能评价精度的实用修正，选取弹性模量作为模型修正的代表参数，其包含了所有其他因素的影响；
首先确定允许误差ε，并将贝雷架1出厂参数中的材料弹性模量E0作为初始值输入有限元模型中，将由此计算得到的与测量得到的fp进行比较，获得挠度差值百分比
若挠度差值百分比大于ε，则以为修正系数对弹性模量进行折减，然后采用折减后的弹性模量值更新有限元模型并重新计算，得到新的/>将新的/>继续与fp进行比较，如此反复迭代比较，直至/>与fp之间的误差满足允许误差要求，迭代结束，此时修正得到的弹性模量即为最终弹性模量，将最终弹性模量赋予有限元模型后即完成对有限元模型刚度的修正；若挠度差值百分比小于等于ε，则迭代直接结束；
图4中，k表示折减次数，且k为正整数，Ek表示第k-1次折减后的弹性模量，Ek+1表示第k次折减后的弹性模量；
本实施例中，贝雷架1出厂参数中的材料弹性模量E0为2.06e5MPa，允许误差ε＝5％，经过两次迭代后获得最终弹性模量，最终弹性模量为1.87e5MPa。
步骤4：反算销孔和销轴间隙；
首先确定工况三下的弹性挠度测量值fk来自两个方面：fk＝fg+fΔ，其中，fg表示贝雷架1自重导致的弹性挠度值，fΔ表示销孔和销轴间隙未完全闭合导致的非弹性挠度值；
通过步骤1可知测量得到的fk的值为20.03mm，然后基于修正后的有限元模型，在仅施加贝雷架1自重荷载条件下计算得到fg的值为2.12mm，则可以反算出fΔ的值为17.91mm；
再根据fΔ的值计算获取销孔和销轴间隙Δ：
当贝雷架1节数n为偶数时：
单层拼装情况下：
双层拼装情况下：
当贝雷架1节数n为奇数时：
单层拼装情况下：
双层拼装情况下：
本实施例中，贝雷架1的节数n＝6，且为双层拼装，则销孔和销轴间隙值Δ＝2.0mm。
步骤5：基于步骤3得到的修正后的有限元模型以及步骤4得到的销孔和销轴间隙值，计算实际工程中贝雷架1的总挠度值：
现场跨中吊装区域双层支撑贝雷架1通航区的跨度较大，可以近似地当做简支梁来计算而不会引起很大的误差；根据现场贝雷架1搭设情况，建立如图6所示的修正后的跨中吊装区域双层支撑贝雷架1有限元模型，并进行全工况模拟，计算得到在上部箱梁荷载和贝雷架1自重的作用下的贝雷架1弹性挠度值之和为36.52mm；
由于本实施例中的施工现场双层贝雷架1节数为14，且根据步骤4可知贝雷架1销孔和销轴间隙值为2.0mm，则施工现场双层贝雷架1的非弹性挠度值为98mm；
则施工现场贝雷架1总挠度值为：36.52mm+98mm＝134.52mm。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种考虑销轴滑移和刚度修正的贝雷架挠度计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：结合现场施工场地选取多片贝雷架(1)组合搭建简支梁结构，进行多工况下的预压试验，并利用全站仪测量挠度，计算获得由于施加外荷载而产生的弹性挠度测量值fp；
步骤2：根据步骤1搭建的简支梁结构，建立贝雷架(1)预压试验的有限元模型，进行预压试验工况模拟，计算获得由于施加外载荷而产生的弹性挠度模拟值
步骤3：基于fp和采用迭代法对有限元模型的刚度进行修正；
步骤4：基于修正后的有限元模型，反算贝雷架(1)销孔和销轴间隙值；
步骤5：基于修正后的有限元模型以及销孔和销轴间隙值，计算实际工程中贝雷架(1)的总挠度值；
所述步骤3的具体过程如下：
选取弹性模量作为有限元模型刚度修正的代表参数，首先确定允许误差ε，并将贝雷架(1)出厂参数中的材料弹性模量E0作为初始值输入有限元模型中，并将通过有限元模型计算得到的与步骤1中的fp进行比较，获得挠度差值百分比/>
挠度差值百分比大于ε时，则以为修正系数对弹性模量进行折减，然后采用折减后的弹性模量值更新有限元模型并重新计算，得到新的/>将新的/>继续与步骤1中的fp进行比较，获得新的挠度差值百分比，将新的挠度差值百分比继续与ε进行比较，反复迭代折减，直至/>与fp之间的误差满足允许误差要求，迭代结束，此时修正得到的弹性模量即为最终弹性模量，将最终弹性模量赋予有限元模型以完成对有限元模型刚度的修正；挠度差值百分比小于等于ε时，则迭代直接结束；
所述步骤1中，预压试验包括如下三种工况下的试验：工况一：混凝土试块(2)未放置在简支梁上，工况二：在简支梁上施加混凝土试块(2)，工况三：将混凝土试块(2)从简支梁上全部撤除；
所述步骤4的具体过程为：
基于修正后的有限元模型，仅施加贝雷架(1)自重荷载，计算获得贝雷架(1)自重导致的弹性挠度值fg；
工况三下贝雷架(1)的弹性挠度测量值是已知的，记为fk，fk＝fg+fΔ，据此计算出fΔ值，其中，fΔ表示销孔和销轴间隙未完全闭合导致的非弹性挠度值；
再根据fΔ的值计算获取销孔和销轴间隙Δ；
所述销孔和销轴间隙Δ的计算方法如下：
当贝雷架(1)节数n为偶数时：
单层拼装情况下：
双层拼装情况下：
当贝雷架(1)节数n为奇数时：
单层拼装情况下：
双层拼装情况下：
2.根据权利要求1所述的考虑销轴滑移和刚度修正的贝雷架挠度计算方法，其特征在于，所述步骤5的具体过程为：
根据施工现场贝雷架(1)搭设情况建立修正后的贝雷架(1)有限元模型，并进行全工况模拟，计算得到在上部箱梁荷载和贝雷架(1)自重作用下的弹性挠度值之和；
根据施工现场贝雷架(1)层数、节数以及步骤4计算得到的销孔和销轴间隙，计算获得施工现场贝雷架(1)的非弹性挠度值；
将弹性挠度值之和与非弹性挠度值相加，得到施工现场贝雷架(1)总挠度值。
3.根据权利要求1所述的考虑销轴滑移和刚度修正的贝雷架挠度计算方法，其特征在于，所述步骤2中，建立贝雷架(1)预压试验的有限元模型时，贝雷架(1)上下弦杆、竖杆及斜杆杆件全部采用梁单元进行模拟，相邻贝雷架(1)拼装到一起时，采用释放连接点处转动自由度的方法模拟销轴的铰接连接方式，采用施加在节点上的集中荷载模拟外载荷的施加，采用节点约束的形式模拟简支梁结构中的支座(3)。
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- 2022-08-08 CN CN202210943485.2A patent/CN115374556B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115374556A (zh) | 2022-11-22 |
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