基于截面不均勻收縮效應(yīng)的主梁撓曲變形預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于截面不均勻收縮 效應(yīng)的主梁撓曲變形預(yù)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋存在的變形過大問題，越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的 關(guān)注。研究人員主要通過有限元方法去預(yù)測分析連續(xù)剛構(gòu)橋長期下?lián)现导捌浒l(fā)展趨勢，但 發(fā)現(xiàn)預(yù)測得出的理論值與實際觀測值有很大差別，很多橋梁不僅累計下?lián)现颠h大于理論計 算結(jié)果，并且建成若干年后橋梁的下?lián)显鲩L同樣較快，沒有出現(xiàn)收斂跡象，因而現(xiàn)有的預(yù)測 分析方法存在預(yù)測精度低、誤差大等問題，不能滿足實際需求。針對該問題，國內(nèi)外學(xué)者做 了大量研究工作，也取得了不少進展，主要集中在收縮及徐變模型修正、預(yù)應(yīng)力長期有效性 以及箱梁截面開裂等因素的影響方面；能肯定的是，通過這些研究分析，已經(jīng)提高了預(yù)測的 精確度，但是改進后預(yù)測分析方法得出的預(yù)測值（也稱理論值）與實際觀測值仍然存在一 定的差距。
[0003] 混凝土的收縮、徐變是混凝土材料本身固有的時變特性，它是引起結(jié)構(gòu)長期變形 的重要因素之一，同時也會引起結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布。構(gòu)件的理論厚度反映了混凝土構(gòu)件的 干燥收縮速度，是影響混凝土構(gòu)件收縮的重要參數(shù)。對于連續(xù)剛構(gòu)橋而言，其主梁的箱型截 面各部位厚度差異顯著，頂板、底板及腹板的混凝土收縮變形不同步，已有學(xué)者對此進行驗 算，證實考慮箱梁截面非均勻收縮（也稱截面不均勻收縮）因素后，得出的跨中下?lián)侠塾?值，較常規(guī)預(yù)測分析方法得出的預(yù)測值大，說明箱梁截面不均勻收縮效應(yīng)是引起連續(xù)剛構(gòu) 橋后期超限下?lián)系闹匾蛑弧?br>[0004] 目前普遍采用的收縮徐變預(yù)測模型，包括ACI模型（ACI 209R-82規(guī)范中推薦的模 型）、CEB-FIP(1990)模型、B3模型、GL2000模型等，上述模型均以體積表面積比或表面積 周長比來計算構(gòu)件的理論厚度，實際計算中，一般將箱梁各部位的有效厚度進行平均，難以 考慮箱梁截面的不均勻收縮影響。并且，目前尚無一個能準確、可靠預(yù)測箱梁截面不均勻收 縮效應(yīng)的方法，在有限元預(yù)測分析中也無明確的實現(xiàn)方式。
[0005] 綜上，為提高橋梁主梁下?lián)现档念A(yù)測精度，準確掌握橋梁主梁的變形情況，需設(shè)計 一種方法步驟簡單、設(shè)計合理且使用效果好的基于截面不均勻收縮效應(yīng)的主梁撓曲變形預(yù) 測方法，其采用有限元方法并結(jié)合截面不均勻收縮影響因素對主梁撓曲變形數(shù)據(jù)進行預(yù) 測，預(yù)測精度高且實現(xiàn)方便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于截面 不均勻收縮效應(yīng)的主梁撓曲變形預(yù)測方法，其方法步驟簡單、設(shè)計合理且使用效果好，采用 有限元分析方法并結(jié)合截面不均勻收縮影響因素對主梁撓曲變形數(shù)據(jù)進行預(yù)測，預(yù)測精度 高且實現(xiàn)方便。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于截面不均勻收縮效應(yīng) 的主梁撓曲變形預(yù)測方法，其特征在于該方法包括以下步驟：
[0008] 步驟一、橋梁有限元模型建立：通過數(shù)據(jù)處理設(shè)備且采用有限元分析軟件，建立待 分析主梁的空間結(jié)構(gòu)仿真模型；
[0009] 所述待分析主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁且其為變截面梁，所述待分析主梁沿縱橋向 方向由前至后劃分為N個梁單元；其中，N為正整數(shù)且N彡10 ;
[0010] 步驟二、截面不均勻收縮效應(yīng)等效轉(zhuǎn)換：對t時刻待分析主梁中各梁單元的截面 不均勻收縮效應(yīng)分別進行等效轉(zhuǎn)換，獲得各梁單元對應(yīng)的等效梯度溫度；其中，t時刻為收 縮應(yīng)變計算時刻的混凝土齡期且其單位為d ;所有梁單元的截面不均勻收縮效應(yīng)的等效轉(zhuǎn) 換方法均相同；
[0011] t時刻待分析主梁中各梁單元因截面不均勻收縮引起的撓曲變形量，與該梁單元 在等效梯度溫度荷載作用下的撓曲變形量相同；t時刻待分析主梁中各梁單元因截面不均 勻收縮引起的撓曲變形量，為從t。時刻至t時刻該梁單元因截面不均勻收縮引起的撓曲變 形量；其中，t。時刻為待分析主梁所處橋梁結(jié)構(gòu)開始受收縮影響時刻的混凝土齡期且其單 位為d ;
[0012] 對待分析主梁中第i個梁單元的截面不均勻收縮效應(yīng)進行等效轉(zhuǎn)換時，過程如 下：
[0013] 步驟201、待分析截面選?。涸诘趇個梁單元上選取的一個橫斷面作為待分析截 面，所述待分析截面為第i個梁單元的等效梯度溫度荷載加載截面；其中，i為正整數(shù)且i =1、2、...、N ;
[0014] 步驟202、頂板收縮應(yīng)變與底板收縮應(yīng)變計算：根據(jù)第i個梁單元待分析截面上頂 板和底板的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并利用混凝土收縮徐變預(yù)測模型，對從t。時刻至t時刻第i個梁單 元待分析截面上的頂板收縮應(yīng)變ε tl和底板收縮應(yīng)變ε dl分別進行計算；
[0015] 步驟203、等效梯度溫度計算：根據(jù)步驟202中計算得出的etl和ε dl，并按照公 式ATi= Δ ε i/α (I)，計算得出第i個梁單元的等效梯度溫度A Ti;
[0016] 式⑴中，Δ ε ;= ε ti- ε di，Δ ε ;為從t。時刻至t時刻第i個梁單元待分析截 面上的頂?shù)装迨湛s應(yīng)變差，a為待分析主梁所用混凝土的線膨脹系數(shù)；
[0017] t時刻第i個梁單元因截面不均勻收縮引起的撓曲變形量，與該梁單元在△1'1這 一梯度溫度荷載作用下的撓曲變形量相同；
[0018] 步驟204、多次重復(fù)步驟201至步驟203,直至計算得出待分析主梁中N個梁單元 的等效梯度溫度；
[0019] 待分析主梁中N個梁單元的等效梯度溫度，組成待分析主梁的等效梯度溫度荷載 信息；
[0020] 步驟三、模型梯度溫度荷載加載：根據(jù)步驟二中得出的待分析主梁的等效梯度溫 度荷載信息，通過步驟一中所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備且采用所述有限元分析軟件，對待分析主梁 的空間結(jié)構(gòu)仿真模型進行梯度溫度荷載加載；
[0021] 實際進行梯度溫度荷載加載時，在待分析主梁的N個梁單元分別加載一個梯度溫 度荷載；其中，待分析主梁的第i個梁單元加載的梯度溫度荷載為AT1且其加載截面為第 i個梁單元的等效梯度溫度荷載加載截面；
[0022] 步驟四、基于截面不均勻收縮的主梁撓曲變形數(shù)據(jù)獲?。翰襟E三中模型梯度溫度 荷載加載后，通過步驟一中所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備且采用所述有限元分析軟件，對梯度溫度荷 載加載后待分析主梁的空間結(jié)構(gòu)仿真模型進行求解，得出待分析主梁在梯度溫度荷載作用 下的撓曲變形數(shù)據(jù)；所得出的待分析主梁在梯度溫度荷載作用下的撓曲變形數(shù)據(jù)為基于截 面不均勻收縮的主梁撓曲變形數(shù)據(jù)。
[0023] 上述基于截面不均勻收縮效應(yīng)的主梁撓曲變形預(yù)測方法，其特征是：步驟一中進 行橋梁有限元模型建立時，通過所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備且采用有限元分析軟件，建立待分析主 梁所處橋梁的空間結(jié)構(gòu)仿真模型；
[0024] 所述橋梁包括待分析主梁和多個對待分析主梁進行支撐的橋墩，多個所述橋墩均 位于待分析主梁下方；所述橋梁的空間結(jié)構(gòu)仿真模型由待分析主梁的空間結(jié)構(gòu)仿真模型和 多個所述橋墩的空間結(jié)構(gòu)仿真模型組成。
[0025] 上述基于截面不均勻收縮效應(yīng)的主梁撓曲變形預(yù)測方法，其特征是：步驟一中所 述有限元分析軟件為橋梁工程軟件Midas。
[0026] 上述基于截面不均勻收縮效應(yīng)的主梁撓曲變形預(yù)測方法，其特征是：步驟四中對 梯度溫度荷載加載后待分析主梁的空間結(jié)構(gòu)仿真模型進行求解時，得出待分析主梁在梯度 溫度荷載作用下的位移分布和應(yīng)力分布；
[0027] 其中，待分析主梁在梯度溫度荷載作用下的位移分布包括梯度溫度荷載作用下待 分析主梁上各位置處的豎向位移數(shù)據(jù)且其為待分析主梁在梯度溫度荷載作用下的撓曲變 形數(shù)據(jù)；待分析主梁在梯度溫度荷載作用下的應(yīng)力分布包括梯度溫度荷載作用下待分析主 梁上各位置處的應(yīng)力數(shù)據(jù)。
[0028] 上述基于截面不均勻收縮效應(yīng)的主梁撓曲變形預(yù)測方法，其特征是：步驟201中 所述待分析截面為第i個梁單元的前端面、后斷面或中部橫斷面。
[0029] 上述基于截面不均勻收縮效應(yīng)的主梁撓曲變形預(yù)測方法，其特征是：步驟202中 第i個梁單元的待分析截面的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括第i個梁單元待分析截面上的頂板厚度htl和 底板厚度hdi，其中hti辛h di;步驟201中待分析截面選取后，還需對第i個梁單元待分析截 面上的頂板厚度htl和底板厚度h dl分別進行測量；
[0030] 步驟202中對頂板收縮應(yīng)變ε tl和底板收縮應(yīng)變ε dl進行計算時，按照《公路鋼 筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)程》JTG D62-2004的附錄F中FL I. 1節(jié)公開的混凝 土收縮應(yīng)變計算方法進行計算。
[0031] 上述基于截面不均勻收縮效應(yīng)的主梁撓曲變形預(yù)測方法，其特征是：步驟202中 對頂板收縮應(yīng)變eti和底板收縮應(yīng)變ε di進行計算時，按照公式ε ti= ε ^(t，t。）=εcs〇 [ β stl (t_ts) - β stl (t0_ts) ] (2)和 ε di = ε csd (t，t0) = ε cs0 [ β sdi (t_ts) - β sdl (t0_ts)] (3)進行計算，公式（2)和（3)中，。為待分析主梁所用混凝土的名義收縮系數(shù)，ts為待 分析主梁所用混凝土開始收縮時的混凝土齡期且其單位為d ;
[0032] Psti (t-ts) = [(t-ts)/t1]°'5/[350(hti/h0) 2+(t-ts)/t1]°·5,
[0033] Psti(t〇-ts) = [(t0-ts)/t1]〇'5/[350(h ti/h0)2+(t0-ts)/t1]°· 5,
[0034] Psdi(t-ts) = [(t-ts)/ti]〇'5/[350(hdi/h0) 2+(t-ts)/t1]°·5,
[0035] β sdi(t0_ts) = =ld〇
[0036] 上述基于截面不均勻收縮效應(yīng)的主梁撓曲變形預(yù)測方法，其特征是：步驟二中進 行截面不均勻收縮效應(yīng)等效轉(zhuǎn)換之前，先采用步驟一中所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備且調(diào)用CAD軟 件，繪制出待分析主梁的縱橋向結(jié)構(gòu)示意圖；對第i個梁單元待分析截面上的頂板厚度htl和底板厚度hdl進行測量時，利用所繪制的待分析主梁的縱橋向結(jié)構(gòu)示意圖進行測量。
[0037] 上述基于截面不均勻收縮效應(yīng)的主梁撓曲變形預(yù)測方法，其特征是：步驟二中進 行截面不均勻收縮效應(yīng)等效轉(zhuǎn)換之前，先沿縱橋向方向由前至后對N個所述梁單元分別進 行編號；N個所述梁單元的編號分別為1、2、-·、Ν;
[0038] 步驟二中進行截面不均勻收縮效應(yīng)等效轉(zhuǎn)換之前，還需采用步驟一中所述數(shù)據(jù)處 理設(shè)備建立一個空白的excel表格；所述excel表格中包括一列用于存儲N個所述梁單元 的編號的單元格、一列用于存儲N個所述梁單元待分析截面上的頂板厚度htl的單元格、一 列用于存儲N個所述梁單元待分析截面上的底板厚度hdl的單元格、一列用于存儲N個所述 梁單元待分析截面上的頂板收縮應(yīng)變ε tl的單元格、一列用