[发明专利]一种面向荷载试验的桥梁多尺度有限元模拟方法

说明书

本发明提供了一种面向荷载试验的桥梁多尺度有限元模拟方法，其特征在于该方法包括以下步骤：第一步：结合设计竣工图纸建立全桥杆系单元模型，计算全桥结构的内力包络图，得出最不利受力的控制截面；第二步：将所述控制截面用板壳或实体单元模拟得到板壳或实体单元模型，同时删除所述控制截面的杆系单元模型；第三步：耦合为一体组成多尺度有限元模型，并验证其正确性；第四步：在验证后的所述多尺度有限元模型上进行荷载试验模拟。验证后的多尺度有限元模型由于模拟出了整体和局部受力情况，加快了计算速度和提高精度。

技术领域

本发明涉及桥梁模拟，具体涉及一种面向荷载试验的桥梁多尺度有限元模拟方法。

背景技术

经过改革开放30多年的发展，我国桥梁建设取得了举世瞩目的成就。截至2015年底，我国公路桥梁总数已达77.92万座，4592.77万延米。我国已建成的梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥这四类桥梁的跨径均居世界同类桥梁前列。然而，经过30多年的大规模基础设施建设，当前步入维修期的桥梁数量日益增多。据不完全统计，目前仅公路桥梁中危桥数量高达7.96万座，约占公路桥梁总数的10.5％，直接影响人民的正常安全出行。面向寿命期内桥梁养护的科学决策，需要桥梁技术人员对桥梁结构的技术状况和承载能力进行科学准确地评定。荷载试验是评定桥梁结构承载能力最直接、有效的鉴定方法，其核心思想是将桥梁结构关键参数的现场加载所获得的实测值与有限元模型计算的理论值进行比较，并对桥梁结构的承载能力进行评定。但是传统的杆系单元有限元模型有诸多弊端，如各测点实测值无法直接与理论值比较，不能够反映结构的局部刚度变化和质量分布等。

同时，桥梁荷载试验不仅承担着评定结构承载能力的作用而且为科研提供实测数据，如桥梁结构的剪力滞效应、偏载效应等。一般地，对于桥梁结构的局部分析是根据圣维南原理，采用子模型的方法，即首先进行整体分析，然后再对局部部位进行“二次分析”的方法。子模型方法需要对结构建立整体简化的有限元模型与局部精细化的有限元模型，并利用整体简化的有限元模型对结构进行整体分析，然后将整体分析得出的相应于局部精细有限元模型边界处的结果以边界约束和边界条件的方式施加到局部模型上，最后对局部精细有限元模型进行再分析。但是，该方法的弊端是局部精细化模型的边界条件析取与添加较为困难，因为从整体到局部，施加在局部模型上的边界条件的选取是很复杂的，边界条件选取不当直接会导致局部分析的结果相距甚远，同时子模型方法仍然是在单一尺度上模拟的，只不过整体简化模型和局部精细模型是分开的。

发明/实用新型内容

本发明要解决的问题是针对现有技术中所存在的上述不足而提供一种面向荷载试验的桥梁多尺度有限元模拟方法可以很好地模拟桥梁的整体和局部受力情况，

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种面向荷载试验的桥梁多尺度有限元模拟方法，包括以下步骤：

第一步：结合设计竣工图纸建立全桥杆系单元模型即单梁模型，通过施加设计荷载等级，计算全桥结构的内力包络图，得出最不利受力的截面，即为控制截面；

第二步：将控制截面用板壳或实体单元模拟得到板壳或实体单元模型，同时删除控制截面的杆系单元模型；

第三步：将已经删除了控制截面杆系单元模型的单梁模型和板壳或实体单元模型耦合为一体组成多尺度有限元模型；耦合方法有约束方程法；

第四步：在多尺度有限元模型上进行荷载试验模拟，基于桥梁模态分析的运动微分方程组进行求解并得到固有频率，选取结构前几阶自振频率和振型，

运动微分方程组采用：

系统的特征行列式：|[K]-ω²[M]|＝0；

其中：

{δ}为节点位移向量；

ω为自振频率；

[M]为总质量矩阵；