一种栈桥用方钢管桁架次应力影响因素显著性分析方法技术

本发明专利技术为一种栈桥用方钢管桁架次应力影响因素显著性分析方法，主要包括以下步骤：步骤一、使用ANSYS有限元程序建立模型，得出在不同几何因素影响下次应力的大小、分布及变化趋势；步骤二、利用数理统计原理和统计软件，对各参数影响下的桁架次应力分布情况进行方差分析，确定各因素的F值和显著性系数；步骤三、综合对比所有几何因素的影响显著程度，确定对结构次应力产生关键影响的重点因素，在设计环节进行指标把控；本发明专利技术基于有限元分析的成果，重点对影响因素显著程度进行方差分析，最终确定对次应力产生重要影响的关键因素，用于在具体设计中进行指标把控。

【技术实现步骤摘要】
一种栈桥用方钢管桁架次应力影响因素显著性分析方法
本专利技术涉及钢管桁架设计
，具体涉及一种栈桥用方钢管桁架次应力影响因素显著性分析方法。
技术介绍
栈桥指形状像桥的建筑物，是广泛分布于车站、港口、矿山或工厂，用于装卸货物、上下旅客、专供施工现场交通、机械布置及架空作业用的桥式结构。按其采用的材料一般分为钢栈桥、木栈桥等。近年来，随着对方钢管性能研究的逐渐深入和工程设计、施工水平的日益提高，焊接钢管体系已频繁出现在栈桥体系中。这类栈桥内包含有大量钢结构管桁架，合理确定杆件受力是管桁结构设计的关键点。常规的栈桥桁架设计方法，是取单榀平面桁架作为计算单元，将竖向荷载简化为点荷载作用于节点上，计算设计荷载下杆件的内力和挠度，控制其于强度和刚度限值之内。由于实际栈桥桁架是高阶超静定结构，无法进行手算，因而工程实践中至今仍按桁架节点理想铰接进行假定。但理想桁架模型关于理想铰的假设与实际桁架的节点受力情况存在差异。实际桁架受焊接、节点板等因素影响，在节点处呈现一定刚性，杆件中不仅有轴力，还有弯矩和剪力，即所谓次内力，由次内力产生的应力称为次应力。由于剪力值相当小，通常近似为零，因此次内力多指导致杆件弯曲的弯矩。目前，国内外各种版本的科技文献中均较少涉及桁架的次应力问题。许多结构力学和钢结构教材略而不述，另一些则认为因节点刚性引起的应力很小，可以忽略不计。迄今只有部分专家学者初步涉入这个问题。由次弯矩引起的次应力对结构受力的影响不可忽略。单纯的假设为理想铰接和理想刚接，不能反映栈桥桁架的真实受力情况，实际的管桁节点刚度可能介于完全铰接和完全刚接之间。故有必要对焊接方钢管桁架杆件的内力分布问题作进一步的研究。
技术实现思路
针对上述存在的问题，本专利技术提供了一种最为直接、可靠的栈桥用方钢管桁架次应力影响因素显著性分析方法。本专利技术的技术方案为：一种栈桥用方钢管桁架次应力影响因素显著性分析方法，主要包括以下步骤：步骤一、使用ANSYS有限元程序建立简支跨和两跨连续方钢管桁架LINK1杆单元和SHELL181壳单元模型，得出在不同几何因素影响下次应力的大小、分布及变化趋势：(1)构建桁架计算模型及模型参数，并加载求解；(2)由LINK1单元模型，获取杆件轴向力N和杆件截面正应力σz＝N/A；其中，N为杆件轴向力，A为杆件截面面积；由SHELL181壳单元模型，获取杆端次弯矩作用下的次应力其中，Mmax为杆端弯矩，W为管件截面模量；由此可得到杆件次正应力比(3)总结所有杆件次应力σc及几何因素影响下次正应力比σcz分布规律；步骤二、利用数理统计原理和统计软件，对各参数影响下的桁架次应力分布情况进行方差分析，确定各因素的F值和显著性系数；显著性分析是用来测验假设的概率标准，以α表示显著性水平，如α＝0.05或α＝0.01；根据“小概率事件实际上不可能发生的原理”，当假设由随机误差导致差异时，计算所得概率如果小于显著性水平,可以认为假设不成立，即差异不是随机造成的，样本存在本质差异，样本数据呈显著性α≤0.05或极显著性α≤0.01；反之如果计算概率大于显著性水平，则接受随机误差导致差异的假设；步骤三：综合对比所有几何因素的影响显著程度，确定对结构次应力产生关键影响的重点因素，在设计环节进行指标把控。进一步地，步骤一构建桁架计算模型及模型参数具体为给定荷载下，依照几何参数的设置，建立15榀简支跨方钢管桁架杆单元模型，计算理想铰接模型中各杆件轴向力、轴向应力的参量；在同样荷载下和同样几何参数设置下，建立15榀简支跨方钢管桁架壳单元模型。进一步地，几何参数有7组，分别为桁架高度与跨度比λ、腹杆杆宽与弦杆杆宽比β1、腹杆壁厚与弦杆壁厚比β2、弦杆杆宽与壁厚之比γ1、腹杆杆宽与壁厚之比γ2、弦杆杆宽与弦杆节间长度之比χ1、腹杆杆宽与腹杆节间长度之比χ2。进一步地，步骤二中，进行方差分析时，无交互作用的双因素方差分析原理如下：当有两个因素A、B作用于分析指标时，因素A有l个水平A1，A2，...，A1，因素B有m个水平B1，B2，...，Bm。在因素A的水平Ai与因素B的水平Bj的组合(Ai，Bj)下，总体Xij服从正态分布N(μij，σ2)(i＝1，2，...，l；j＝1，2，...，m)，所有这些总体均具有相同的方差σ2；设在每对组合(Ai，Bj)下各进行一次试验，所有试验均为互相独立；得到样本观测值xij如表1所示；表1：分析样本双因素影响观测值设在水平Ai下样本均值为即在水平Bj下样本均值为即则样本的总平均值为：总离差平方和为：其中，式中：SE——误差离差平方和，反映了由于各种随机因素所引起的试验误差；SA——因素A的离差平方和，反映了因素A的不同水平引起的系统误差；SB——因素B的离差平方和，反映了因素B的不同水平引起的系统误差；如果假设H0成立，则所有的lm个总体Xij均服从同样的正态分布N(μij,σ2)，故由于相互独立，且i＝1,2,...,l,故同理SA、SB、SE相互独立，并且因素A、因素B及误差的平均离差平方和分别为和即由F分布的定义可得检验统计量在不考虑交互作用时，分别检验因素A和B对总体的影响是否显著；对给定的显著性水平α，查F分布表得到FAα(l-1,(l-1)(m-1))和FBα(m-1,(l-1)(m-1))；若FA≥FAα，则认为因素A对总体有显著影响；若FA＜FAα，则认为因素A对总体的影响不显著；针对因素B同理；可定义下述参数：则有ST＝R-P,SA＝QA-P,SB＝QB-P,SE＝R-QA-QB+P对于样本的实际观测值xij(i＝1,2,...,l；j＝1,2,...m)，可求得P,QA,QB,R值，并换算出ST,SA,SB,SE值后，再通过方差分析表表2计算FA和FB；表2：方差分析表对于给定的显著性水平α，查F分布得到其FAα(l-1,(l-1)(m-1))和FBα(m-1,(l-1)(m-1))；如果FA≥FAα，则认为因素A对总体有显著影响；如果FA＜FAα，则认为因素A对总体影响不显著；对于因素B同理。进一步地，步骤二中采用统计软件IBM-SPSS进行数理统计分析。进一步地，利用所述ANSYS有限元程序进行工程分析时，需要完成前处理和后处理过程；所述前处理过程为确定分析的几何结构、边界条件及荷载，获取材料性质；所述后处理过程包括判断结果合理性、改进输出结果和优化设计。进一步地，杆单元采用2-D杆单元LINK1建立平面桁架模型，该单元有两个节点，每个节点有两个沿x和y方向的平移自由度。进一步地，壳单元采用4节点壳体单元SHELL181模拟桁架。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术基于有限元分析的成果，重点对影响因素显著程度进行方差分析，最终确定对次应力产生重要影响的关键因素，用于在具体设计中进行指标把控，从而有助于明确杆件实际应力分布特点，为工程设计人员在设计环节提供参考；将有限元分析理论与数理统计理论有机结合，实现了从基础力学分析到数值分布规律探讨、总结及计算公式推导优化的跨越；建立了较为有效准确的管桁结构有限元分析模式，为今后各类钢管杆件针对承载力和变形性能的分析提供参考。附图说明图1是简支跨桁架计算模型图；图2是LINK1单元桁架模型图；图3是SHELL181单元桁架模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种栈桥用方钢管桁架次应力影响因素显著性分析方法，其特征在于，主要包括以下步骤：步骤一、使用ANSYS有限元程序建立简支跨和两跨连续方钢管桁架LINK1杆单元和SHELL181壳单元模型，得出在不同几何因素影响下次应力的大小、分布及变化趋势：(1)构建桁架计算模型及模型参数，并加载求解；(2)由LINK1单元模型，获取杆件轴向力N和杆件截面正应力σz＝N/A；其中，N为杆件轴向力，A为杆件截面面积；由SHELL181壳单元模型，获取杆端次弯矩作用下的次应力

【技术特征摘要】
1.一种栈桥用方钢管桁架次应力影响因素显著性分析方法，其特征在于，主要包括以下步骤：步骤一、使用ANSYS有限元程序建立简支跨和两跨连续方钢管桁架LINK1杆单元和SHELL181壳单元模型，得出在不同几何因素影响下次应力的大小、分布及变化趋势：(1)构建桁架计算模型及模型参数，并加载求解；(2)由LINK1单元模型，获取杆件轴向力N和杆件截面正应力σz＝N/A；其中，N为杆件轴向力，A为杆件截面面积；由SHELL181壳单元模型，获取杆端次弯矩作用下的次应力其中，Mmax为杆端弯矩，W为管件截面模量；由此可得到杆件次正应力比总结所有杆件次应力σc及几何因素影响下次正应力比σcz分布规律；步骤二、利用数理统计原理和统计软件，对各参数影响下的桁架次应力分布情况进行方差分析，确定各因素的F值和显著性系数：显著性分析是用来测验假设的概率标准，以α表示显著性水平；根据“小概率事件实际上不可能发生的原理”，当假设由随机误差导致差异时，计算所得概率如果小于显著性水平,可以认为假设不成立，即差异不是随机造成的，样本存在本质差异，样本数据呈显著性α≤0.05或极显著性α≤0.01；反之如果计算概率大于显著性水平，则接受随机误差导致差异的假设；步骤三、综合对比所有几何因素的影响显著程度，确定对结构次应力产生关键影响的重点因素，在设计环节进行指标把控。2.根据权利要求1所述的一种栈桥用方钢管桁架次应力影响因素显著性分析方法，其特征在于，所述步骤一构建桁架计算模型及模型参数具体为给定荷载下，依照几何参数的设置，建立15榀简支跨方钢管桁架杆单元模型，计算理想铰接模型中各杆件轴向力、轴向应力的参量；在同样荷载下和同样几何参数设置下，建立15榀简支跨方钢管桁架壳单元模型。3.根据权利要求1所述的一种栈桥用方钢管桁架次应力影响因素显著性分析方法，其特征在于，所述步骤二中，进行方差分析时，无交互作用的双因素方差分析原理如下：当有两个因素A、B作用于分析指标时，因素A有l个水平A1，A2，...，Al，因素B有m个水平B1，B2，...，Bm。在因素A的水平Ai与因素B的水平Bj的组合(Ai，Bj)下，总体Xij服从正态分布N(μij,σ2)(i＝1,2,...,l；j＝1,2,...,m)，所有这些总体均具有相同的方差σ2；设在每对组合(Ai，Bj)下各进行一次试验，所有试验均为互相独立；设在水平Ai下样本均值为即...

【专利技术属性】
技术研发人员：王慧，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：河南,41