考虑节点模型的混凝土框架结构抗震性能分析

利用OpenSEES有限元平台中的Beam-Column Joint节点单元和梁柱纵筋粘结滑移单元,建立了考虑梁柱节点模型的混凝土框架结构有限元计算模型,分析了国内研究者已完成的两榀两层双跨混凝土框架结构在低周反复荷载作用下的试验,计算得到的滞回曲线和骨架曲线与试验曲线吻合良好。在此基础上,还对国内研究者已完成的一榀两层双跨混凝土框架结构的拟动力试验进行了模拟分析,模拟得到的结构位移时程反应曲线和结构底层层间恢复力曲线与试验曲线基本一致。分析表明考虑梁柱节点模型的混凝土框架结构有限元计算模型能够较好地反映混凝土框架结构在低周反复荷载与地震荷载作用下梁柱节点处纵筋的粘结滑移特性和整体结构各阶段的滞回性能,从而验证了OpenSEES有限元平台中的Beam-Column Joint节点单元和梁柱纵筋粘结滑移单元在混凝土框架结构抗震性能分析中的适用性,为研究混凝土框架结构的抗震性能提供一条简便途径。     

大跨径双层悬索桥钢桁梁整体焊接节点疲劳分析与试验

为了给大跨径钢桁梁悬索桥抗疲劳设计提供依据,针对杨泗港长江大桥钢桁梁采用的整体焊接节点,开展了多轴疲劳荷载作用下整体焊接节点的有限元疲劳分析和试验研究。首先通过建立全桥有限元模型,基于英国BS 5400规范和Miner准则,获得了在标准疲劳车作用下全桥最不利整体节点及其各杆件200万次等效疲劳轴力幅;其次建立最不利整体节点空间精细化模型,通过对各轴向杆件施加200万次等效疲劳轴力幅,进行了多轴荷载下整体节点的疲劳性能分析;最后基于相似理论,设计了1∶6的整体焊接节点缩尺模型,进行多轴荷载下的疲劳试验研究。结果表明:位于距主塔297m距离的F34节点为疲劳最不利下弦杆整体节点;F34节点最大Von-Mises应力在78.8~130.6 MPa,小于设计规范的疲劳强度;200万次的模型疲劳加载试验过程中,未发现任何疲劳裂纹产生,各测点的应力值与理论值误差小于7.8%;杨泗港长江大桥钢桁梁整体焊接节点疲劳性能满足设计要求,研究成果对大跨径双层悬索桥抗疲劳设计具有直接的指导作用。     

钢桁梁悬索桥整体节点数值疲劳研究

以湖北白洋长江大桥为工程背景,采用数值模拟的方式开展钢桁架整体节点疲劳性能研究。文中基于有限元软件midas Civil建立全桥模型,采用推导得到的482 kN标准疲劳车加载,确定最不利节点位置。基于英国规范BS5400和Miner线性累积损伤理论公式,计算得到最不利节点各杆件200万次等效轴力辐。使用ANSYS Workbench建立1∶4缩尺模型,对整体节点进行数值疲劳分析。结果表明,整体节点疲劳试验过程中,最小疲劳寿命为200万次,最小的疲劳安全系数为1.26,大于最低值1,故该整体节点的疲劳性能满足设计要求。     

桁架节点不同有限元分析建模方法的探讨

钢桁梁节点进行有限元数值模拟分析时，采用多尺度模型方式或者节点模型方式进行分析较为常见，以多尺度模型计算结果为参考，采用位移边界和内力边界综合施加方式建立的节点模型的结果与其相差较小，两种方式的模型均可以用于节点分析。结合某一顶推施工的钢桁梁最大悬臂施工状态时的节点，利用有限元软件MIDAS Civil和MIDAS FEA NX，采用不同的单元类型（梁单元或实体单元）对节点进行分析对比，确定节点模型用于实际工程的节点分析更具有优势。此结论可为相似工程的节点分析提供参考。     

钢桁梁整体焊接节点疲劳性能模型试验

整体焊接节点钢桁梁具有广阔的应用前景,其疲劳性能由整体焊接节点所决定。以长清黄河大桥为研究对象,通过理论分析和两尺度疲劳破坏试验对钢桁梁整体焊接节点的疲劳性能进行了研究。首先通过全桥杆件内力分析和多尺度疲劳损伤分析确定了控制主桁疲劳性能的整体焊接节点位置及其控制构造细节;在此基础上设计了2类共21个试验模型,其中包括20个构造细节试样模型和1个足尺节段模型,进行了疲劳破坏试验,确定了整体焊接节点控制构造细节的主导疲劳开裂模式、应力集中系数和疲劳强度。研究结果表明：节点顶板、横梁上翼缘与节点板熔透对接焊连接细节是整体焊接节点疲劳性能的控制构造细节,其主导疲劳开裂模式为从节点板焊趾起裂并沿板厚扩展;实际受力模式下,控制构造细节中节点板焊趾应力集中系数为1.163,横梁上翼缘焊趾应力集中系数为1.789;2类试验模型的宏观疲劳裂纹起裂寿命均占总疲劳寿命的75%以上,故将2类试验模型的疲劳失效判据统一定义为出现宏观疲劳裂纹;基于此,2类试验模型所得到的控制构造细节疲劳强度等级基本一致;控制构造细节2种开裂模式名义应力疲劳强度等级均建议采用公路钢结构桥梁设计规范中的FAT80,热点应力疲劳强度均建议采用欧规中的FAT90。     

基于多尺度的高层钢框架梁柱节点疲劳分析

高层钢结构梁柱节点在地震交变往复荷载作用下发生低周疲劳破坏进而导致结构发生倒塌。因此,为了保证钢结构梁柱节点不发生疲劳破坏,有必要对梁柱节点以及节点域的疲劳特性进行分析研究。首先,利用多节点约束方法建立悬臂梁模型,验证多尺度建模方法;其次,基于Ansys建立一幢12层钢框架梁系有限元模型,掌握结构在地震作用下应力应变分布规律;在此基础上,利用多尺度建模方法,建立该框架结构多尺度有限元模型,详细分析钢结构梁柱的应力应变分布规律;最后,通过S-N曲线对局部梁柱节点的寿命进行预测分析。结果表明,钢框架梁柱节点以及节点域的应力分布比较集中,从而引起梁柱节点的局部破坏,最终导致整体钢框架的失效,在以后的设计中,应对梁柱节点的疲劳问题予以考虑。     

结构连接节点刚度识别的精细有限元分析

在进行结构计算时,一般采用主从节点法或是刚性材料法来处理节点刚性区问题。主从节点法往往高估节点区的刚度,刚性材料法则很难确定连接单元的几何、物理参数。该文以细长梁的平截面假定为依据,构建连接节点局部有限元模型的边界节点与整体结构有限元模型相应节点之间的约束方程,将连接节点局部三维实体(壳)有限元模型与整体结构空间杆系有限元模型相结合进行数值分析。采用此方法对一座多重组合体系拱桥主副拱连接节点的刚度进行识别。分析表明:对连接节点柔性行为的模拟可以使整个结构的计算结果更加精确。     

大跨悬索桥面向结构健康监测的基准有限元模型

为描述大跨桥梁服役前完好状态时的结构性能,建立了润扬悬索桥面向结构健康监测的基准有限元模型。首先,探讨面向健康监测需求、建立适度精细基准模型的目标,提出了采用正交异性壳单元等效钢箱梁的建模策略。然后,就钢箱梁的简化模拟、桥塔的动力模型修正、成桥状态初始构形及内力的确定、主梁边界条件的确定和钢箱梁局部应力分析等关键技术问题进行了详细的研究。最后,对所建立的基准有限元模型采用润扬悬索桥成桥试验的实测结果进行了验证。结果表明,该基准模型能从整体结构尺度与局部构件尺度两个方面准确地模拟结构的实际性能,从而为润扬悬索桥的损伤识别与状态评估提供了可靠的结构描述与分析依据。     

基于子结构的大型桥梁有限元模型修正方法

实际桥梁结构的整体有限元模型修正时自由度和单元数量较多,待修正参数多,有限元模型修正精度和效率低。为了提高有限元模型修正的效率,提出基于子结构的有限元模型修正方法。子结构方法是化整体分析为局部分析的方法,与直接修正大型桥梁有限元模型相比,子结构方法只需要计算每个子结构少量低阶模态,得到整体结构的特征解及特征解灵敏度,形成模型修正的目标方程和灵敏度矩阵,进而缩短模型修正时间。将基于子结构的模型修正方法用于怒江特大桥主桥(上承式钢桁拱桥)有限元模型修正,结果表明:修正后桥梁的前10阶频率与桥梁的模拟实测频率值相吻合,且模型修正时间仅为传统整体方法的56%。     

坝陵河大桥钢桁加劲梁主横桁架焊接整体节点疲劳试验

贵州坝陵河大桥为主跨1088 m的单跨简支钢桁加劲梁悬索桥,钢桁加劲梁的主横桁架与主桁架上弦杆之间采用焊接整体节点连接.为研究该焊接整体节点的疲劳性能,进行了足尺模型疲劳试验.根据该桥设计交通量,采用BS 5400规范中的标准疲劳车,按损伤等效原则,并考虑多车效应及缩尺比例,推算了试验疲劳荷载.试验结果表明,经过200万次的循环加载后,节点模型未出现任何疲劳裂纹,应力状态稳定,结构疲劳性能满足设计要求.该焊接整体节点形式对我国今后大跨钢桁梁桥类似节点的设计和研究有重要参考意义.     

土-结构相互作用的桥梁多尺度建模与分析

考虑土-结构相互作用(SSI)是地震激励下桥梁抗震性能评估的热难点之一.由于考虑土体影响多而建立的结构模型计算耗时极长,为了提高效率,现采用一致多尺度建模方法,将所研究部位建为实体单元,其他部位建为梁单元,单元之间采用适当的方法进行界面连接,保证宏观、精细单元间的变形协调,并对某一桥梁进行分析,验证了该方法的正确性.在此基础上,基于多尺度建模方法,建立三跨连续梁桥模型,对其进行弹塑性时程分析,对比分析考虑SSI和不考虑SSI效应的桥梁模型在地震激励下的响应结果,研究SSI效应对桥梁抗震性能的影响.结果表明:多尺度建模方法可以在保证计算精度的前提下有效地提高计算效率;考虑SSI效应能够有效地降低桥梁的抗震性能需求.因此,在设计时应加以考虑.     

利用CFAST单元模拟焊点白车身模态分析

CFAST类型焊点单元在建模时不要求网格节点对齐,是一种效率较高的焊点模型。但是CFAST单元在车身模态分析方面的应用研究较少。详细讨论了CFAST单元的使用方法,并利用CFAST模拟焊点建立某A级轿车白车身模型进行模态分析。有限元模态分析与模态试验结果的对比表明,CFAST单元模拟焊点,在模态分析中具有较高的计算精度。     

钢桥整体节点焊接残余应力三维有限元分析

钢桥整体节点最常见的问题是焊缝处出现疲劳裂纹,焊接残余应力是重要影响因素之一.在大型有限元软件ANSYS的基础上,开发了相应的焊接程序,选用三维实体单元,考虑材料物理性能随温度和相变的影响,采用内部生热的加载方法模拟焊接热源的移动,运用单元生死技术模拟多道焊过程,获得了焊接温度场和应力场的动态变化过程,并对计算结果进行了分析.     

自锚式悬索桥主缆锚固区多尺度建模方法

针对传统精细模型在分析自锚式悬索桥主缆锚固区时存在局部结构边界条件难以模拟、分析结果失真区的范围难以定量确定、精细有限元试算工作量繁重等问题,引入多尺度建模思想,提出了采用弹性边界这一广义边界条件模拟局部结构复杂边界的解决思路,并进一步建立了适用于自锚式钢箱梁悬索桥主缆锚固区受力性能研究的多尺度建模方法。例证结果与对比研究表明,采用界面连接方程控制的界面连接合理,多尺度模型计算结果精确、可靠,且不受失真区影响,无繁重的精细有限元试算工作,同时在建模速度和计算效率上与传统精细模型基本保持一致。     

基于热点应力法的钢管混凝土桁式拱桥节点疲劳评估

为准确预测钢管混凝土桁式拱桥节点疲劳寿命,提出一种基于热点应力的疲劳评估方法。该方法采用全桥多尺度三维有限元模型计算节点热点应力幅,并进行回归分析得到钢管混凝土节点的热点应力幅S～N曲线。基于该方法对一座已建成的钢管混凝土桁式拱桥进行节点疲劳评估。结果表明：疲劳易损部位位于1/4跨附近的拱肋上弦节点,起始裂纹位于节点主管表面的冠点处;采用《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)中的疲劳荷载计算模型Ⅱ和疲劳荷载谱计算得到的疲劳寿命分别为20 210 049次和27 311 265次,采用疲劳荷载谱计算时多车效应纵向修正为14.9%;采用《公路钢结构桥梁设计规范》预测的节点疲劳寿命偏低,导致设计偏于保守。     

双层钢桁架悬索桥整体节点疲劳试验研究

大连星海湾大桥是中国首座双层钢桁架公路悬索桥,其主桁架杆件采用整体节点连接。为了掌握该桥整体节点的疲劳性能,对弦杆整体节点1∶2缩尺模型进行疲劳试验。参考国内外同类桥梁疲劳试验,采用英国规范BS 5400规定的标准疲劳车,确定疲劳试验荷载取值。在设定的试验荷载下进行200万次循环加载。在试验过程中每50万次循环加载后停机进行静载试验,并对模型重点部位进行裂纹观察。结合国内外相关规范,评估整体节点的疲劳安全性能。试验结果表明:实测应力幅基本为50 MPa以下,试验模型应力水平较低,疲劳加载200万次后,试验模型未出现裂纹。在结构使用寿命期间内和正常养护维修情况下,整体节点不会发生疲劳破坏。     

土体内插加筋单元法在加筋土挡墙计算中的应用

提出了土体内插加筋单元的计算方法,基本原理是将土体与筋带独立划分单元,不考虑筋带单元的节点重叠.在筋带节点位移的土体单元内部设置与筋带节点数目相同的土体附加节点.从而建立了土--筋带--面板挡墙联合作用的有限元模型.简化模型与非简化模型计算结果对比,验证了简化模型计算的正确性.根据依托工程的现场情况,采用有限元数值分析方法进行了模拟,计算结果与现场实际比较好的模拟.     

正交异性钢桥面U肋横梁相交处疲劳寿命的估算

为估算正交异性钢桥面U肋与横梁相交处的疲劳寿命,以某新建铁路桥节段正交异性钢桥面足尺试件为研究对象,建立两个阶段有限元模型进行了计算分析。通过应用ANSYS有限元软件建立铁路桥节段正交异性钢桥面足尺试件整体模拟,对比分析了正交异性钢桥面U肋横梁相交处的应力和位移计算值与足尺试件相应部位的试验值,发现正交异性钢桥面有限元计算值与足尺试件试验值吻合的很好。在此基础上,采用子模型技术建立了正交异性钢桥面U肋与横梁相交处带椭圆形裂纹的二阶段模型,将退化奇异单元布置在椭圆形裂纹前沿,通过位移外推得到了不同裂纹深度下裂纹尖端的应力强度因子,得到不同裂纹深度与应力强度因子的关系曲线,分析了应力强度因子随裂纹扩展深度的变化规律。基于初始裂纹尺寸合理判定,将应力强度因子数值与裂纹尺寸的函数关系式代入疲劳裂纹扩展模型Paris公式,逐步数值积分得到正交异性钢桥面U肋与横梁相交处的疲劳寿命。计算结果与试验结果进行了比较,发现初始裂纹尺寸为0.1 mm时,计算结果与试验结果最为接近。不同初始裂纹尺寸的裂纹扩展曲线表明位于U肋与横梁相交位置裂纹的疲劳寿命主要消耗在开裂初期,后期裂纹扩展寿命对疲劳寿命贡献不大,这可以解释试验中观察到疲劳裂纹萌生、发展的现象。     

矩形钢管混凝土桁架节点极限承载力研究

采用退化壳单元和三维实体单元分别模拟钢管和混凝土,考虑材料非线性、钢管与混凝土的接触非线性,对矩形钢管混凝土桁架节点的极限承载能力进行了研究。采用该方法对Y型节点、X型节点、T型节点以及K型节点进行非线性有限元分析得到的极限荷载值与试验破坏荷载值较为吻合。为矩形钢管混凝土节点极限承载力的分析提供了一个合适的方法,同时为矩形钢管混凝土桁梁桥节点的设计方法提供了理论依据。     

大跨径钢桥铺装组合结构疲劳性能研究

由于钢桥面的特殊结构,常用疲劳试验装置不能很好地模拟桥面铺装的疲劳破坏模式。为了正确评价桥面铺装沥青混合料的疲劳性能,通过有限元分析,建立钢桥面铺装最不利荷载模型,检验各铺装结构的抗疲劳性能。根据有限元分析模型提出了进行钢桥面铺装组合结构疲劳试验的室内疲劳试验模型。按照模型尺寸加工了试验装置,并对常用的3种桥面铺装组合结构进行了疲劳试验验证,试验结果与3种铺装组合结构在实体工程中的使用寿命基本吻合。