斜拉桥动力时域分析中支座特性的有限元模拟方法技术

一种大跨斜拉桥动力时域分析中支座特性的有限元模拟方法，可以准确捕捉动力时域分析中，支座对结构的真实支承情况，避免出现不合理的支承约束。该方法分界限考虑支座不同方向Dof的支承特性；通过定义非线性弹簧以模拟相应方向上Dof的约束。根据动力外荷载时间采样间隔，采取变步长分析进行非线性迭代求解，以准确捕捉结构动力响应。该方法避免了直接约束主梁节点与桥墩竖向Dof的做法所带来的结构分析计算中的误区。

【技术实现步骤摘要】
斜拉桥动力时域分析中支座特性的有限元模拟方法
桥梁支座的基本功能是提供竖向支承，广泛应用于各类桥梁中，如简支梁桥、连续梁桥、斜拉桥、悬索桥、拱桥等。根据纵横向约束情况分为单向、双向和固定支座。在有限元模型中处理支座时，常规的处理方式是根据支座类型(单向、双向)直接对墩顶节点与主梁节点间设置相应的耦合方程。本专利技术涉及一种斜拉桥动力时域分析中支座特性的有限元模拟方法。
技术介绍
对于大跨度斜拉桥，在竖向地震作用较大或边跨与中跨跨重比较小等特殊的情况下，可能会出现梁端“上抬”(uplift)现象。首次观测到大跨斜拉桥在地震中出现梁端上抬现象的是日本Higashi-KobeBridge(大跨双层钢桁斜拉桥，跨径布置为：200m+485m+200m)：该桥在1995年的Kobe地震中，主梁端部上抬约0.5m并导致梁端处支座损坏。常规的耦合墩顶节点与主梁对应位置处节点竖向自由度(Degreeoffreedomabbr.Dof)的做法无法体现出支座的仅受压特性。在目前的桥梁有限元分析模型中，这一点似乎并没有引起足够的重视原因在于：(1)主梁边跨与中跨跨重比大、竖向支座承载着很大的竖向压力，支座一般极少会脱开；(2)有限元动力时程分析中忽略了支座脱开可能性而导致无法观察到梁端脱开的情况，后者在诸多大跨斜拉桥的抗震研究文献中不提及考虑支座脱开与否可见一斑。对于大跨斜拉桥，由于边跨需平衡中跨的重量，一般情况下，边跨的重量大于跨中重量的一半以上；若主梁边跨与中跨跨重比较小，则在地震过程中，边跨可能会出现梁端上抬现象，原因在于边跨斜拉索索力的竖向分量减小了主梁梁端传递至辅助墩的竖向荷载。大跨斜拉桥地震中出现梁端上抬，可能会导致梁端伸缩缝破坏、损坏过渡墩等。显然，如果直接约束梁端节点与边墩竖向Dof的做法，在进行非线性动力有限元分析中存下无法真实反映该现象，由此可能形成结构设计的误区。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种斜拉桥动力时域分析中支座特性的有限元模拟方法，能够解决现有的直接约束梁端节点与边墩竖向Dof的做法，在进行非线性动力有限元分析中存在无法真实反映该现象，由此可能形成结构设计的误区的问题。为解决上述问题，本专利技术提供一种斜拉桥动力时域分析中支座特性的有限元模拟方法，包括：确定支座在某个Dof方向上位于“荷载-位移曲线”平面内第一受拉象限的力学行为+f＝F(+d)；其中，+f为压力、+d为正向位移；确定支座在某个Dof方向上位于“荷载-位移曲线”平面内第三受压象限的力学行为-f＝G(-d)；其中，-f为拉力、-d为正向位移；定义支座在该Dof方向上的非线性弹簧，其力学行为满足下述条件：将所述非线性弹簧的一端与支座上端对应节点的Dof耦合；将所述非线性弹簧的另一端与支座下端对应节点的Dof耦合；根据动力荷载时间步长δt，选取动力分析增量步长，其中，所述动力分析增量步长最大数值和最小数值分别为：Δtmin＝δt/100，Δtmax＝δt；在每个选取的动力分析增量步长Δt内，执行非线性方程平衡迭代求解。进一步的，在上述方法中，在每个选取的动力分析增量步长Δt内，执行非线性方程平衡迭代求解，包括：在每个选取的动力分析增量步长Δt内，执行下述非线性方程平衡迭代求解：t+ΔtK(i-1)ΔU(i)＝t+ΔtR-t+ΔtF(i-l)其中，t+ΔtF(i-1)和t+ΔtK(i-1)分别为t～t+Δt时间内，第i-1次迭代位移t+ΔtU(i-1)所对应的节点力荷载和切线刚度矩阵；t+ΔtR为t+Δt时刻对应的外荷载；t+ΔtU(i)＝t+ΔtU(i-1)+ΔU(i)；M和C分别为系统质量矩阵和阻尼矩阵。附图说明图1是本专利技术一实施例的非线性弹簧分界定义示意图；图2是本专利技术一实施例的主梁与桥墩及支座立面布置方式示意图；图3是本专利技术一实施例的有限元简化模型示意图；图4是本专利技术一实施例的非线性弹簧示意图；图5是本专利技术一实施例的斜拉桥动力时域分析中支座特性的有限元模拟方法的流程图；图6是本专利技术一实施例的桥梁有限元模型示意图；图7是本专利技术一实施例的桥梁支座竖向简化力学特性图；图8是本专利技术一实施例的桥梁加劲梁竖向位移包络图；图9是本专利技术一实施例是图8中的局部放大区域I；图10是本专利技术一实施例是图8中的局部放大区域II；图11是本专利技术一实施例的桥梁PW2墩处支座内力时程图。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1是本专利技术一实施例的非线性弹簧分界定义示意图；图2是本专利技术一实施例的主梁与桥墩及支座立面布置方式示意图；图3是本专利技术一实施例的有限元简化模型示意图；图4是本专利技术一实施例的非线性弹簧示意图；图5是本专利技术一实施例的斜拉桥动力时域分析中支座特性的有限元模拟方法的流程图；图6是本专利技术一实施例的桥梁有限元模型示意图；图7是本专利技术一实施例的桥梁支座竖向简化力学特性图；图8是本专利技术一实施例的桥梁加劲梁竖向位移包络图；图9是本专利技术一实施例是图8中的局部放大区域I；图10是本专利技术一实施例是图8中的局部放大区域II；图11是本专利技术一实施例的桥梁PW2墩处支座内力时程图。如图1～5所示，本专利技术提供一种斜拉桥动力时域分析中支座特性的有限元模拟方法，包括：步骤S1，确定支座在某个Dof方向上位于“荷载-位移曲线”平面内第一象限(受拉)的力学行为+f＝F(+d)；其中，+f为压力、+d为正向位移；如图2所示，所述支座设置于主梁和桥墩之间；步骤S2，确定支座在某个Dof方向上位于“荷载-位移曲线”平面内第三象限(受压)的力学行为-f＝G(-d)；其中，-f为拉力、-d为正向位移；步骤S3，定义支座在该Dof方向上的非线性弹簧，其力学行为满足下述条件：步骤S4，将所述非线性弹簧的一端与支座上端对应节点的Dof耦合；将所述非线性弹簧的另一端与支座下端对应节点的Dof耦合；步骤S5，根据动力荷载时间步长δt，选取动力分析增量步长，其中，所述动力分析增量步长最大数值和最小数值分别为：Δtmin＝δt/100，Δtmax＝δt；步骤S6，在每个选取的动力分析增量步长Δt内，执行非线性方程平衡迭代求解。在此，本专利技术可以准确捕捉动力时域分析中，支座对结构的真实支承情况，避免出现不合理的支承约束。由于动力作用过程中支座处可能脱开，局部构件动力响应(如内力、加速度等)可能会出现明显的数值突变及后继的震荡现象，故应合理控制动态步长以准确捕捉突变，避免不合理的数值震荡。本专利技术提出的大跨斜拉桥动力时域分析中支座特性的有限元模拟方法，分界限考虑支座的支承特性；通过定义非线性弹簧以模拟相应方向上Dof的约束。根据动力外荷载时间采样间隔，采取变步长分析进行非线性迭代求解，以准确捕捉结构动力响应。本专利技术的斜拉桥动力时域分析中支座特性的有限元模拟方法一实施例中，步骤S6，在每个选取的动力分析增量步长Δt内，执行非线性方程平衡迭代求解，包括：在每个选取的动力分析增量步长Δt内，执行下述非线性方程平衡迭代求解：t+ΔtK(i-1)ΔU(i)＝t+ΔtR-t+ΔtF(i-1)本专利技术的斜拉桥动力时域分析中支座特性的有限元模拟方法一实施例中，步骤S1/S2/S3，确定支座在某个Dof方向上位于“荷载-位移曲线”平面内第一象限本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种斜拉桥动力时域分析中支座特性的有限元模拟方法，其特征在于该方法包括如下步骤：第一步：确定支座在某个Dof方向上位于“荷载‑位移曲线”平面内第一象限(受拉)的力学行为+f＝F(+d)；其中，+f为拉力、+d为正向位移；第二步：确定支座在某个Dof方向上位于“荷载‑位移曲线”平面内第三象限(受压)的力学行为‑f＝G(‑d)；其中，‑f为压力、‑d为正向位移；第三步：定义支座在该Dof方向上的非线性弹簧，其力学行为满足下述条件：

【技术特征摘要】
1.一种斜拉桥动力时域分析中支座特性的有限元模拟方法，其特征在于该方法包括如下步骤：第一步：确定支座在某个Dof方向上位于“荷载-位移曲线”平面内第一象限(受拉)的力学行为+f＝F(+d)；其中，+f为拉力、+d为正向位移；第二步：确定支座在某个Dof方向上位于“荷载-位移曲线”平面内第三象限(受压)的力学行为-f＝G(-d)；其中，-f为压力、-d为正向位移；第三步：定义支座在该Dof方向上的非线性弹簧，其力学行为满足下述条件：第四步：上述非线性弹簧一端与支座上端对应节点的Dof耦合；另一端与支座下端对应节点的Dof耦合；第五步：根据动力荷载时间步长δt，选取动态动力分析步长...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦常科，伍小平，李鑫奎，严再春，
申请(专利权)人：上海建工集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31