[发明专利]一种预应力混凝土连续刚构桥温度作用有限元分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种预应力分析方法，具体是一种预应力混凝土连续刚构桥温度作用有限元分析方法，通过求解有限元方程得到每个节点上的广义节点位移，在每个单元上使用广义节点位移插值求得位移、应力、应变等物理量。

背景技术

近年来交通运输业发展迅速,混凝土的强度越来越高,采用悬臂逐段现浇施工方法修建的预应力混凝土连续刚构桥梁的跨径越来越大,桥墩附近箱梁节段浇筑的体积也越来越大,由于混凝土材料导热性能差,在各种温度变化作用下,预应力混凝土桥梁结构内部会产生相当大的应力、变形、甚至出现温度裂缝,混凝土水化热引起的温度效应非常显著。

现有的设计实践中，由于结构分析的复杂性，现有的计算冗长，虽然设计者主观上希望结构设计尽可能优化，但一方面缺乏有效的计算方法，另一方面，缺乏系统的方法指导桥梁结构设计和改进结构设计，使得结构的设计优化主要依靠累计的工程经验，使得现有的设计过程带有较大的主观性，且工作量大，设计周期长，因而，迫切希望对现有的设计计算方法进行改进优化，在降低计算量的前提下，按照桥梁结构实际施工加载顺序来进行结构变形和受力分析，有效计算箱梁温度自应力和预应力混凝土超静定结构中的温度次内力及其次应力。

发明内容

针对现有技术的缺点和不足，本发明旨在提供一种预应力混凝土连续刚构桥温度作用有限元分析方法，采用正装计算法按照桥梁结构实际施工加载顺序来进行结构变形和受力分析，可有效计算不同温度梯度模型下施工及成桥阶段应力和形变分布，有效解决箱梁温度自应力和预应力混凝土超静定结构中的温度次内力及其次应力计算，为预应力混凝土连续刚构桥的设计及优化提供重要的参考依据。

为实现上述目标，本发明采用正装计算法按照桥梁结构实际施工加载顺序来进行结构变形和受力分析，它能较好地模拟桥梁结构的实际施工过程，能得到桥梁结构在各个施工阶段的位移和受力状态，这不仅可用来指导桥梁设计和施工，而且为桥梁施工控制提供依据。同时，正装计算法能较好地考虑一些与桥梁结构形成历程有关的因素，比如结构的非线性问题、预应力损失问题以及混凝土收缩徐变问题等。正装计算法能根据实际的配筋情况和施工方案设计逐步逐阶段地进行计算，能得到各施工阶段的内力和变形值，最终能得到成桥结构的受力状态。这种计算方法的特点是：随着施工阶段的推进，结构形式、边界约束、荷载形式在不断地改变，前期结构会发生收缩、徐变等，其几何位置也在改变，因而，前一阶段结构状态是本次施工阶段结构分析的基础。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：一种预应力混凝土连续刚构桥温度作用有限元分析方法，所述预应力混凝土连续刚构桥包括主梁、纵梁、跨梁和桥墩，所述主梁为预应力混凝土连续刚构结构，所述桥墩与主梁刚性连接，所述有限元分析方法具体包括如下步骤，

SS1.定义有限元模型的长度单位、力的单位和温度单位；

SS2.定义纵梁和桥墩的梁单元类型；

SS3.建立有限元计算物理模型，对全桥进行单元划分，设定边界约束；

SS4.定义混凝土和预应力钢材的材料参数，包括弹性模量、容重、线膨胀系数、剪切模量、泊松比、预应力管道偏差系数、预应力钢筋与管道的摩阻系数、预应力钢筋松弛率、锚具变形及钢束回缩值；

SS5.设置边界条件：设定温度梯度模型及加载，加载包括恒载、预应力荷载、徐变和干缩、挂篮荷载、温度荷载；

SS6.建立偏微分控制方程组并对其进行离散化，得到代数方程组并利用步骤SS5设定的边界条件对所述代数方程组进行封闭，用以计算应力和位移；

SS7.对计算域内的所述代数方程组反复进行迭代计算，直到满足所设定的迭代精度为止，得到应力和位移分布。

进一步地，本发明的预应力混凝土连续刚构桥温度作用有限元分析方法，还包括步骤SS8，对计算结果进行后处理，绘制出相关曲线。

进一步地，步骤SS1中，定义有限元模型的长度单位为m、力的单位为牛(N)和温度单位为摄氏度(℃)。

进一步地，步骤SS3中，包括以下三个子步骤：

a.建立有限元计算物理模型：纵梁和桥墩均采用空间梁单元模拟，整体坐标系以X向为桥纵向，Y向为桥横向，Z向为竖向；

b.对全桥进行单元划分：全桥共划分为m+n个单元，其中主梁划分为m个单元，桥墩划分为n个单元，其中，m、n为自然数；

c.设定边界约束：主梁与桥墩的约束关系通过刚性连接模拟；两边跨梁端只有Y-Z平面内的角位移和水平线位移2个自由度，其余4个方向均被约束；不考虑桩土作用，将墩底直接固结。

进一步地，步骤SS4具体为：