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        有限元輔助設(shè)計優(yōu)化模型試驗

        2016-11-16 05:40:00金劍
        城市道橋與防洪 2016年4期
        關(guān)鍵詞:優(yōu)度模型試驗主梁

        金劍

        (中鐵二院華東勘察設(shè)計有限責任公司,浙江 杭州310000)

        有限元輔助設(shè)計優(yōu)化模型試驗

        金劍

        (中鐵二院華東勘察設(shè)計有限責任公司,浙江 杭州310000)

        鋼結(jié)構(gòu)橋梁復(fù)雜關(guān)鍵節(jié)點的應(yīng)力一直都是設(shè)計者們關(guān)心的問題,以西大盈港橋為工程背景,在常用的應(yīng)力云圖定性比較分析的基礎(chǔ)上,引入統(tǒng)計學(xué)中曲線擬合優(yōu)度檢驗的方法,利用ANSYS有限元軟件對實驗?zāi)P偷某叽绱笮『瓦吔鐥l件等進行分析設(shè)計,找出影響模型試驗精度的主要因素,綜合考慮試驗經(jīng)費、試驗器材以及應(yīng)力真實程度等各方面因素,為優(yōu)化模型試驗方案提供依據(jù)。

        梁拱節(jié)點;模型試驗;有限元;邊界條件

        0 引 言

        斜跨拱橋作為一種新型拱橋,較一般類型拱橋在結(jié)構(gòu)構(gòu)造和受力上更為復(fù)雜,具有其獨特的一面,很多問題還有待解決[1]。比如其受力的關(guān)鍵節(jié)點:拱梁節(jié)點和拱腳部位等,連接是否安全可靠,傳力是否明確,受力是否合理,能否進一步優(yōu)化改善等等,如何在資源有限的條件下盡最大可能的研究這些問題,為設(shè)計提供可靠的依據(jù)是工程師面臨的最大問題。

        在有限元計算的基礎(chǔ)上通過模型試驗加以驗證是目前設(shè)計工作中常用的方法,但是模型尺寸、邊界條件以及試驗器材等都將影響模型試驗的精度,在有限的試驗經(jīng)費條件下,如何優(yōu)化設(shè)計模型試驗?本文以此為出發(fā)點,以西大盈港橋為工程背景,在常用的應(yīng)力云圖定性比較分析的基礎(chǔ)上,引入統(tǒng)計學(xué)中曲線擬合優(yōu)度檢驗的方法,利用ANSYS有限元軟件對實驗?zāi)P偷某叽绱笮『瓦吔鐥l件等進行分析設(shè)計,找出影響模型試驗精度的主要因素,綜合考慮試驗經(jīng)費、試驗器材以及應(yīng)力真實程度等各方面因素,為優(yōu)化模型試驗方案提供依據(jù)。

        1 工程背景

        西大盈港橋為上海青浦新城區(qū)城中西路延伸段(在青浦新城總體規(guī)劃中又稱——中央林蔭大道)的一個重要節(jié)點。該橋跨徑布置為9.18 m+ 45.9 m+76.5 m+58.14 m+12.24 m=201.96 m,拱肋采用圓形截面鋼管;主梁橋面寬26 m,采用扁平鋼箱梁;下部結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)。主橋按公路-I級和城-A級雙控設(shè)計,單幅結(jié)構(gòu)活載按單向近期三車道、遠期四車道取值,并設(shè)非機動車道與人行道。拱肋與主梁間采用固結(jié)的形式,拱肋大部分的縱向水平力由鋼箱梁平衡,橫向水平由鋼箱梁和拱腳系桿張拉達到平衡。拱腳和梁端處均設(shè)置支座,全橋共設(shè)置固定支座1個、單向活動支座1個、雙向活動支座10個[2]。兩側(cè)引橋直接架設(shè)在端橫梁的牛腿處,以平衡活載引起的部分上拔力。橋梁的立面和平面見圖1、圖2,效果圖見圖3。

        圖1 西大盈港橋立面圖(單位:mm)

        圖2 西大盈港橋平面圖(單位:mm)

        圖3 西大盈港橋效果圖

        主梁采用正交異性板流線型扁平鋼箱。梁寬26 m(不包括風嘴和吊耳),梁高1.8 m。斷面頂板厚12 mm(局部加厚至20 mm),車行道和非機動車道部分采用8 mm厚U型加勁,其余部分采用球頭扁鋼加勁;底板厚10 mm(局部加厚至18 mm),采用U型加勁和球頭扁鋼加勁;鋼箱梁外腹板厚12 mm(局部加厚至20 mm),內(nèi)部設(shè)置兩道內(nèi)腹板,間距為12.5 m,板厚為12 mm(局部加厚至20 mm)。箱梁橫隔板間距為3.06 m,除梁端支座處橫隔板板厚為20 mm外,其余一般橫隔板厚12 mm,構(gòu)造示意見圖4。

        圖4 鋼箱梁標準斷面圖

        全橋拱肋A~F的軸線均為二次拋物線,共歸為四類拱肋線形。第一類(A、B拱):矢高25.5 m、矢距49.309 m、矢跨比1/1.93;第二類(C、D拱):矢高30.5 m、矢距68.672 m、矢跨比1/2.25;第三類(E拱):矢高30.5 m、矢距68.850 m、矢跨比1/2.26;第四類(F拱):矢高35.5 m、矢距95.070 m、矢跨比1/2.68。

        2 模型尺寸選取

        從模型試驗盡可能真實模擬實橋受力的角度出發(fā),試驗?zāi)P痛笮〉脑O(shè)計應(yīng)盡可能與實橋一致,然而從青浦西大盈港橋的實際出發(fā),一方面試件的范圍過大可能導(dǎo)致材料的極度浪費;另一方面模型過大也會對試驗儀器設(shè)備、試驗場地等硬件試件提出很高的要求。因此模型試驗的模型大小必須在實驗精度(盡可能與實橋一致)的基礎(chǔ)上,綜合考慮試驗經(jīng)費、試驗器材、試驗可操作性等因素,尋找一個各方面都符合現(xiàn)有條件的平衡點。對于模型的邊界條件來說也存在著同樣的問題,實橋的有些邊界條件在試驗中必需付出很大的代價才能實現(xiàn),而且也會對試驗的設(shè)計、操作、測量以及安全等方面帶來諸多問題。

        為了更好地研究不同有限元模型之間的應(yīng)力分析結(jié)果的相似程度,本文在常用的應(yīng)力云圖定性比較分析的基礎(chǔ)上,引入統(tǒng)計學(xué)中曲線擬合優(yōu)度檢驗的方法,為不同模型應(yīng)力分布的相似性給出定量的評價。

        擬合優(yōu)度檢驗是對已制作好的預(yù)測模型進行檢驗,比較它們的預(yù)測結(jié)果與實際發(fā)生情況的吻合程度。通常是對數(shù)個預(yù)測模型同時進行檢驗,選其擬合優(yōu)度較好的進行試用。常用的擬合優(yōu)度檢驗方法有:剩余平方和檢驗、卡方檢驗和線性回歸檢驗等。剩余平方和檢驗是將預(yù)測的理論預(yù)測值與實際情況進行比較,求得它們的殘差平方和(SSE)、回歸平方和(SSR)、總平方和(SST)及擬合優(yōu)度判定系數(shù)(R2)的值,希望SSE與SST的比值愈小愈好,判定系數(shù)(R2)愈大愈好[3]。

        假設(shè)實際得到的一組數(shù)值為Yi,預(yù)測模型得到的數(shù)值為,則

        從式(1)~式(4)可以看出,R2的取值范圍是0~1之間,當R2=1時表示兩者完全吻合,根據(jù)經(jīng)驗R2值應(yīng)在0.9以上。

        將上述概念運用到本文,選取成橋狀態(tài)的荷載工況,利用ANSYS有限元軟件Shell181單元[4][5]建立了如下四個不同大小的模型:

        模型A:鋼箱梁共24個節(jié)段,長73.44 m,梁寬26 m,拱肋長7 m,主梁兩端固定,在拱肋兩端施加荷載。

        模型B:鋼箱梁共12個節(jié)段,長36.72 m,梁寬26 m,拱肋長7 m,主梁兩端固定,在拱肋兩端施加荷載。

        模型C:鋼箱梁共6個節(jié)段,長18.36 m,梁寬9 m,拱肋長7 m,主梁三面固定,在拱肋兩端施加荷載。

        模型D:鋼箱梁共2個節(jié)段,長7.12 m,梁寬3 m,拱肋長7 m,主梁三面固定,在拱肋兩端施加荷載。

        由于篇幅有限,在此只列出模型D的計算結(jié)果(見圖5)。

        選取99個主要受力板件的應(yīng)力關(guān)鍵點,將模型A計算結(jié)果作為實際情況,模型B、模型C和模型D作為預(yù)測模型,做擬合優(yōu)度剩余平方和檢驗,R2計算結(jié)果如下:模型B的R2值為0.99,與模型A極為相似,隨著模型范圍的減小,R2值逐漸減小,模型C的R2值為0.94,模型D的R2值最小,為0.86。計算結(jié)果基本符合圣維南原理,即模型越大,邊界約束的影響越小。

        雖然模型B和模型C的R2值都達到了0.90以上,但是模型的長度也達到18 m以上,寬度在9 m以上,而從焊接加工等工藝需要的角度出發(fā),縮尺模型只能做到1:2的模型比例,模型長度也將達到9 m以上,寬度為4.5 m以上,從試驗的角度考慮,這樣的模型尺寸仍然過大。

        圖5 成橋狀態(tài)拱梁外節(jié)點模型D局部應(yīng)力云圖

        為了減小邊界約束對實驗精度的影響,在模型D的基礎(chǔ)上,將拱肋上下兩端的荷載乘以一個荷載擴大系數(shù),可以得到R2值和荷載擴大系數(shù)的關(guān)系:隨著荷載放大系數(shù)從0.95開始逐漸增大,R2值也隨之線性增大,當荷載放大系數(shù)為1.20時,R2值超過0.90,達到了0.91。說明模型D與模型A的偏差有一大部分主要集中在應(yīng)力值大小上,可以通過增大荷載彌補,見表1。

        表1 模型尺寸大小選取主要計算結(jié)果

        因此,試驗最終采用了模型D的尺寸。同時通過分析建議在設(shè)計驗證拱梁外節(jié)點的安全系數(shù)的試驗工況時,對外荷載乘以1.2的荷載擴大系數(shù)。

        3 模型邊界條件[4,5]

        3.1位移邊界條件

        以ANSYS有限元模型D為基礎(chǔ),主要研究在成橋荷載工況下以下三種邊界約束情況:

        (1)約束A:主梁三面固定,也即模型D;

        (2)約束B:主梁兩端固定;

        (3)約束C:主梁遠離拱肋一面固定;

        (4)約束D:主梁底板除拱肋所在邊外三邊固定。

        同樣的,選取99個主要受力板件的應(yīng)力關(guān)鍵點,將模型A計算結(jié)果作為實際情況,約束A、約束B、約束C和約束D作為預(yù)測模型,做擬合優(yōu)度剩余平方和檢驗,R2計算結(jié)果如下:約束D的R2值最高,達到了0.90。約束A與約束B的R2值次之,但數(shù)值較為接近,分別為0.86與0.87,而約束C的R2值最低,只有0.76,見表2。

        表2 模型位移邊界選取主要計算結(jié)果

        因此在試驗位移邊界的設(shè)計上,優(yōu)先考慮約束D、約束A與約束B。從試驗本身安全的角度考慮,采取約束A的位移邊界條件:主梁三面固定。

        3.2力的邊界條件

        以模型D為基礎(chǔ),位移邊界條件采用約束A(主梁三面固定),在保證節(jié)點所傳遞的不平衡力不變的前提下,通過改變拱肋下端受力,取消拱肋上端受力,設(shè)計了以下荷載工況,以考察單端施加荷載對拱梁外節(jié)點的影響。具體荷載工況如下:(1)荷載1-1:取消拱肋上端軸力;(2)荷載1-2:取消拱肋上端Y向剪力;(3)荷載1-3:取消拱肋上端Z向剪力;(4)荷載1-4:取消拱肋上端扭矩;(5)荷載1-5:取消拱肋上端Y向彎矩;(6)荷載1-6:取消拱肋上端Z向彎矩;(7)荷載1-7:取消拱肋上端力

        同樣的,選取99個主要受力板件的應(yīng)力關(guān)鍵點,以模型D的計算結(jié)果作為實際情況,荷載1-1、荷載1-2、荷載1-3、荷載1-4、荷載1-5、荷載1-6、荷載1-7作為預(yù)測模型,做擬合優(yōu)度剩余平方和檢驗,R2值計算結(jié)果如下:在保證拱梁外節(jié)點傳遞不平衡力不變的基礎(chǔ)上,取消拱肋上端某一項荷載對拱梁外節(jié)點的受力影響很小,所有的荷載工況的R2值都達到了0.995以上,即使將拱肋上端力全部取消,R2值也有0.996。

        由此可以得到:拱梁外節(jié)點的受力狀況主要取決節(jié)點所傳遞的不平衡力,節(jié)點所受的平衡內(nèi)力對主要受力板件的應(yīng)力大小及分布的影響幾乎可以忽略不計,因此試驗完全可以采用單端加載的方式。

        為了進一步簡化試驗,在保證拱梁外節(jié)點不平衡軸力△Fx、不平衡Y向彎矩△My、不平衡Z向彎矩△Mz的前提下,設(shè)計了以下的荷載工況:(1)荷載2-1:取消拱肋上端力及下端Y向剪力;(2)荷載2-2:取消拱肋上端力及下端Z向剪力;(3)荷載2-3:取消拱肋上端力及下端扭矩;(4)荷載2-4:取消拱肋上端力及下端剪力和扭矩。

        同樣的,以模型D的計算結(jié)果作為實際情況,荷載2-1、荷載2-2、荷載2-3、荷載2-4作為預(yù)測模型,做擬合優(yōu)度剩余平方和檢驗,可以得到結(jié)論如下:在保證拱梁外節(jié)點不平衡軸力△Fx、不平衡Y向彎矩△My、不平衡Z向彎矩△Mz的前提下,取消拱肋下端某一項不平衡剪力或扭矩對拱梁外節(jié)點的受力影響很小,所有的荷載工況的R2值都達到了0.991以上,即使將拱肋下端的不平衡剪力和不平衡扭矩全部取消,R2值也有0.990。

        由此可以得到:拱梁外節(jié)點的受力狀況主要取決節(jié)點所傳遞的不平衡軸力△Fx、不平衡Y向彎矩△My、不平衡Z向彎矩△Mz,不平衡剪力和不平衡扭矩對主要受力板件的應(yīng)力大小及分布的影響較小,因此試驗采用拱肋下端加載的方式時,完全可以忽略這部分不平衡力,從而進一步簡化了加載方式和反力架的設(shè)計。

        4 結(jié) 論

        針對國內(nèi)外對斜跨拱橋這一新型橋梁節(jié)點研究不足的情況,本文以上海青浦西大盈港橋為工程背景,利用大型有限元程序ANSYS,對該橋的拱梁外節(jié)點進行分析和研究,得到的主要結(jié)論和建議如下:

        (1)在常用的應(yīng)力云圖定性比較分析的基礎(chǔ)上,引入統(tǒng)計學(xué)中曲線擬合優(yōu)度檢驗的方法,可以使原來只能定性判斷的計算結(jié)果,有了數(shù)理統(tǒng)計的精確性。

        (2)利用ANSYS有限元軟件可以對實驗?zāi)P偷某叽绱笮『瓦吔鐥l件進行分析充分設(shè)計分析,找出影響模型試驗精度的主要因素,忽略次要因素,為優(yōu)化模型試驗方案提供依據(jù),使模型試驗在有限試驗器材和試驗經(jīng)費的條件下,精確安全可靠。

        [1]秦譯豹,陳寶春,陳友杰.高性能鋼結(jié)構(gòu)橋梁[A].中國公路學(xué)會橋梁和結(jié)構(gòu)工程學(xué)會2002年全國橋梁學(xué)術(shù)會議論文集[C].北京:人民交通出版社,2002:781-786.

        [2]金劍.西大盈港橋拱梁外節(jié)點受力性能分析[D].上海:同濟大學(xué), 2010.

        [3]吳鑑洪,朱力行.時間序列中向量自回歸模型的擬合優(yōu)度檢驗[J].中國科學(xué)A輯:數(shù)學(xué),2009,39(7):801-816.

        [4]SAS IP,Inc.ANSYS APDL Programmer's Guide[Z].

        [5]SAS IP,Inc.Guide to ANSYS User Programmable Features[Z].

        U441

        B

        1009-7716(2016)04-0073-04

        10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.023

        2015-12-25

        金劍(1984-),男,浙江麗水人,工程師,從事橋梁設(shè)計工作。

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