[发明专利]基于多尺度有限元建模的桥梁缆索体系劣化性能分析方法

说明书

技术领域

本发明属于桥梁结构有限元数值建模领域，以及桥梁结构劣化分析评估领域，具体涉及一种基于多尺度有限元建模的桥梁缆索体系劣化性能分析方法。

背景技术

桥梁结构构件众多，连接关系复杂，局部危险部位的腐蚀疲劳损伤须借助于数值模拟方法解决。现行的有限元计算中，数值模型精度不高，容易给局部应力应变的计算带来误差。所以，需要建立一个高精度的多尺度有限元数值计算模型，用于准确评估桥梁服役状态。

另一方面，缆索系统作为大跨悬索桥和斜拉桥的主体结构，其耐久性能直接决定了整个桥梁的安全寿命，因此研究缆索系统耐久性具有重大意义。对环境腐蚀和疲劳荷载单独作用下的缆索用高强平行钢丝或钢绞线的疲劳理论、劣化机理及耐久性评估已有较多研究成果，但两者交互耦合作用所导致的缆索体系的性能的劣化评估仍是亟待解决的问题。

因此，需要建立一种运用多尺度建模来进行桥梁拉索的疲劳腐蚀耦合的劣化性能分析的方法。

发明内容

发明目的：本发明提供一种可用于桥梁缆索体系受交变荷载和环境腐蚀的共同作用下的劣化分析，且能同时反映结构的整体特性、局部特性和细部缺陷特性，节约大量时间和金钱的基于多尺度有限元建模的桥梁缆索体系劣化性能分析方法。

技术方案：本发明的基于多尺度有限元建模的桥梁缆索体系劣化性能分析方法，包括以下步骤：

步骤1、建立桥梁结构整体有限元模型，采用单元特征长度为10⁰m的网格划分整体模型，在慢车道上施加车辆移动荷载，计算所有节点的应力时程，即在上桥到下桥的整个过程中车辆移动荷载引起的节点应力变化状态；

步骤2、基于步骤1建立的桥梁结构整体有限元模型确定用于疲劳劣化分析的桥梁的有效加载区域；

步骤3、根据步骤2确定的有效加载区域，采用子模型技术建立包含局部缆索和U形肋的正交异性桥面板的局部精细子模型，并采用单元特征长度为10^-3m的网格划分子模型；

步骤4、在子模型上建立点蚀损伤模型和微裂纹模型；

步骤5、基于子模型技术将整体模型和子模型进行跨尺度衔接，最终形成包含微细观损伤的多尺度有限元模型；

步骤6、对所述步骤5中建立的多尺度有限元模型进行有限元计算，得到结构在受交变荷载和环境腐蚀的共同作用下的动力响应以及构件关键部位的应力分布，从而进行该桥梁缆索体系的腐蚀疲劳耦合的劣化分析。

进一步的，本发明方法中，所述步骤2的具体流程为：

1)确定整体模型中的受力关键区域，具体为：根据所述步骤1中划分的整体模型的时程图上最大应力与最小应力的差值，即应力幅的大小，将分析的桥梁结构划分为受力关键区域与非关键区域；

2)根据所述步骤1)选取的受力关键区域上的节点的应力时程来确定受力关键区域的纵向长度，即选取车辆荷载作用于桥面上引起受力关键区的应力时程发生显著变化的长度，将确定了纵向长度的受力关键区域作为桥梁的有效加载区域。

进一步的，本发明方法中，所述的步骤2)的具体内容为：

i)根据所述步骤1划分整体模型并计算得到的应力时程，确定受力关键段正中位置节点的应力影响线，在所述应力影响线中，车辆荷载用一个节点力来表示，车辆荷载的移动总步数为该节点力从桥端节点移动至桥尾节点所经过的所有节点的总和，即加载步来表示；

ii)根据所述步骤i)中确定的应力影响线，选取车辆荷载作用于桥面上引起受力关键区中心节点的应力时程发生显著变化的区域，即选取应力幅值的大小为整体应力幅的90％或以上的区域，作为用于疲劳劣化分析的桥梁的有效加载区域，并记该区域的加载步为n；

iii)将所述步骤ii)中的加载步n换算成区域的长度，该长度就是受力关键区的纵向长度，将确定了纵向长度的受力关键区域作为桥梁的有效加载区域；

进一步的，本发明方法中，所述步骤4中采用节点偏置技术和壁厚变化技术建立点蚀损伤模型。

进一步的，本发明方法中，所述步骤4中采用节点松绑技术建立微裂纹模型。

进一步的，本发明方法中，所述步骤5的具体流程为：

a)在所述子模型内输入位移约束条件，具体为：根据整体模型及计算结果文件，利用插值法计算子模型切割边界节点的位移，再将这些数值用单元形状功能插值到切割边界上；

b)在所述子模型内输入力的加载条件，具体为：在子模型上施加整体模型中的移动车载，并将整体模型中拉索对桥面箱梁的索力等效施加在建立的子模型的对应段上，即得到包含微细观损伤的多尺度有限元模型。