某大跨桥梁结构一致多尺度有限元模拟

某大跨桥梁结构一致多尺度有限元模拟分析

□李晶

【摘要】大跨桥梁结构具有结构构件多、自由度数目大、连接条件复杂等特点。建立与实际桥梁结构几何构造完全一致的三维实体有限元模型操作繁复，且并无必要，这就需要建立既能准确、清晰地反映结构局部细节特性，同时又对结构整体响应没有影响的有限元模型。

【关键词】大跨桥梁结构；多尺度模拟；Ansys；有限元；耦合

【作者单位】李晶，广州番禺职业技术学院建筑工程系

结构行为一致多尺度模拟就是在同一个结构中同时使用多种尺度下的不同单元所建立的有限元模型，其中心思想是：对于结构中需要重点关注的局部构件或细节部位采用“小尺度”下的精细模型，而其余部分仍采用传统的高度简化的结构“大尺度”模型。使用多尺度模型可在结构建模和分析过程中充分考虑结构最不利部位的缺陷和其演化过程以及对结构整体响应的影响，同时实现结构整体和局部细节受力计算与应力分析。

一、大跨桥梁的一致多尺度模拟

大跨桥梁结构具有结构构件多、自由度数目大、连接条件复杂等特点。建立与实际桥梁结构几何构造完全一致的三维实体有限元模型操作繁复，且并无必要，这就需要建立既能准确、清晰地反映结构局部细节特性，同时又对结构整体响应没有影响的有限元模型。

大跨桥梁结构的有限元模拟应该是以具体的有限元分析为目标的结构行为一致多尺度模拟。针对不同的有限元分析目标，对相应的有限元分析模型也有着不同的技术要求，理应根据具体情况采取相应的有限元建模方法和策略。例如：基于桥梁设计的有限元分析只需要保证计算结果是趋于保守的就能达成设计目标，这种情况下建立高度简化的桥梁有限元模型即可满足要求。相对的，针对结构局部细节损伤或状态评估的有限元模拟，则需要建立更高精度的有限元模型，方能清晰、正确的反映出局部细节处的损伤演化等过程，否则，将会“失之毫厘、谬以千里”，从而无法实现结构损失分析和状态评估这一目标。

二、结构一致多尺度模拟的具体方法

结构一致多尺度模拟的指导思想是：针对结构中需要重点关注的关键细节部位采取小尺度建模，而对结构其他部分仍沿用传统宏观尺度结构模拟。根据大跨结构的构造特点，可以根据具体分析需要来确定所需“嵌入”的局部细节模型部位及数量。总的来说，结构行为一致多尺度模拟的关键即不同尺度的模型耦合。具体步骤总结如下：

步骤一：建立大跨结构的全尺度模型。在设计荷载或由结构健康监测系统记录的运营荷载作用下计算结构主要构件的内力，并根据计算结果确定结构关键构件和危险部位以作为结构的重点关注构件。

步骤二：建立重点关注构件的构件尺度模型。对构件进行名义应力分析，并由此确定构件中的关键焊连接细节部位，在此基础上，结合焊连接部位的细节构造以及局部几何、材料特性，建立局部细节模型。

步骤三：耦合以上三种尺度的模型。即应用某种方式将局部焊连接细节模型“嵌入”构件尺度模型或结构全尺度模型，由此可以在结构荷载的作用下，得出“热点”应力和局部损伤演化及其对构件名义应力乃至结构内力的影响。

三、某大跨桥梁结构的一致多尺度模拟

本文基于关键局部构件的受力特点分析，采用结构全尺度和局部构件尺度，对某大跨桥梁进行结构行为一致多尺度模拟。该大跨桥梁全桥孔跨布置为20+256+20+16= 312m，其中主跨为256m中承式钢管混凝土拱，边跨为2孔20m和1孔16m钢筋混凝土简支T梁，全桥桥面连续，在梁端与桥台接缝处设置伸缩缝。由于主拱拱肋采用钢管混凝土组合构件，具有钢管混凝土的优点，施工难度小，可靠性好。

（一）全桥“大尺度”模型的建立。本文采用大型通用有限元分析软件ANSYS针对某大跨桥梁结构建立空间有限元力学模型。模型建立主要包括：钢管混凝土拱肋模拟；横撑、立柱的模拟；吊杆的模拟；桥面系模拟；边界条件的处理；选取坐标系、定义各单元截面；建立全桥“大尺度”模型；局部“小尺度”模型的建立。

（二）选定局部分析部位。对于大跨度拱桥这种复杂结构，一些受力较为复杂的构件应在整体分析的基础上进行局部分析或细部分析。拱脚是整桥结构强度的关键部位之一，可能承受着自重、二期恒载、预应力和活载的作用，特别是施工阶段，拱桥结构体系和荷载状态的不断变化，结构的内力和变形也将随着不断的发生变化，尤其是拱脚在混凝土灌注时可能成为悬臂构件的固定端，受力复杂且量值很大，所以拱脚在各个状况下应力分布的有限元计算值和实验值的确定就极其重要。本文选取拱脚作为局部应力分析的关键部位并选用实体单元建立构件尺度下的“小尺度”模型。

（三）局部模型的“嵌入”。由于全桥大尺度模型中，拱脚被简化为拱肋端部的固端约束，这里首先解除拱肋端部的全部约束，并在新建的拱脚模型底部施加固定约束。将实体单

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建筑工程中的地质勘探技术探讨

□乜艳宋扬

【摘要】建筑地质勘察是查明建筑场地及附近物理地质现象以及对拟建建筑物的影响程度。在建筑工程进程中，只有经过详尽的地质勘察，才能保证建筑的安全和质量，使工程顺利进行。随着大型建设项目的不断兴建，需要对地形、地质的差异性进行地质勘探。本文通过分析建筑工程地质勘察特点，针对其勘察技术要点及勘察过程中应注意的问题进行探讨，以期在日后的工程实践中更好的掌握地质情况，从而设计出更加合理的施工方案。

【关键词】建筑工程；地质勘察；地基处理

【作者简介】乜艳（1981．3 ），女，河北衡水人；河北省地矿局第三水文工程地质大队助理工程师；研究方向：水文地质宋扬（1987．11 ），女，河北衡水人；河北省地矿局第三水文工程地质大队助理工程师；研究方向：水文地质

众所周知，建筑工程中的地质勘探一般包括很多方面，比如地形地貌、岩石的结构、岩石所处位置等等，这些因素的出现也无形中加大了建筑工作人员的岩土勘察力度，同时对地基的处理技术也要求更高。而原有的二维、静态的资料分析模式已经不能充分表达它们的变化规律，这就使得建筑工人更加难以理解其中的空间变化规律，给工程的建设带来了更多技术难题。随着经济的不断发展，计算机技术水平的逐步提高，也让我们有了解决岩土勘察和地基处理的技术，从原有的二维、静态的表达方式到现在的数字化、图形化动态分析模式。下面就针对城市建筑工程的岩土勘察与地基处理技术做一些探讨。

一、岩土勘察的技术难题

随着经济的发展，人们追求的提高以及社会发展的需要，很多大型建筑工程不断兴建，原有的传统勘察模式早已经不能适应现在社会的需求，所以要求更高的技术手段来解决这些难题。主要问题所在：

（一）地形地质。由于我国的地表结构差异比较大，比如岩土的风化程度、软弱程度、空洞、不明地下物等等，而不同的地区又有不同的地质结构。

（二）岩土参数。对于那些埋藏较深，地质比较复杂而且又难以取到原状的岩土来说很多信息都是不确定的，比如土质松软，结构类型等。

（三）技术人员素质。由于内部技术人员本身所具有的知识水平和认识程度等情况的不同，加之缺乏更深层次的技

元SOLID45模拟的小尺度拱脚模型“嵌入”全桥大尺度模型中，即，需要实现体－梁耦合。考虑所需耦合部位的具体情况，由于参与耦合的节点数据较少，基于ANSYS多点约束方法，具体采用耦合加约束方程法实现这两种不同尺度不同类型单元间的连接。将BEAM44模拟的组成拱肋的四根弦管与SOLID45模拟的拱脚进行耦合。针对所需耦合的节点逐一建立约束方程，实现拱脚模型的“嵌入”。

四、结语

通过对比青干河大桥多尺度有限元模型和单一尺度有限元模型的静力计算结果，验证了该多尺度有限元模型的有效性。并进一步基于全桥结构一致多尺度有限元模型，针对拱脚局部的小尺度模型进行受力特点分析，并得出有益结论。具体工作如下：

（一）验证多尺度模型的准确性。局部实体单元的嵌入势必在一定程度上影响全桥结构形式，为进一步验证多尺度模型的有效性，故将桥梁单一尺度模型与多尺度模型在相同的荷载下的静力相应结果进行了对比。结果显示两个模型计算结果基本一致，一致多尺度模型的应用并不会对桥梁结构形式及受力分布产生过大影响。因此，结构一致多尺度模拟是正确有效的。

（二）拱脚局部受力分析。拱脚是拱桥的关键传力部位之一，拱脚结点处受力复杂，在拱脚设计中，钢筋的布置形式及数量是拱脚能够满足承载力极限状态和正常使用极限状态的重要保证。为此，有必要了解拱脚节点处的应力场分布规律，为结构设计提供相应依据。而通常使用的单一尺度下桥梁整体有限元是无法给出拱脚内部应力分布规律的。这就需要对拱脚节点采用三维实体单元建立空间力学模型进行分析。

【参考文献】

1．李兆霞等．大跨桥梁结构以健康监测和状态评估为目标的有限元模拟［J］．东南大学学报，2003

2．楼梦麟．结构动力分析的子结构方法［M］．上海：同济大学出版社，1997

3．孙正华，李兆霞，陈鸿天，殷爱国．考虑局部细节特性的结构多尺度模拟方法研究［J］．特种结构，2007

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