考虑温度影响的曲线箱梁有限元模型修正
曲线梁桥温度梯度效应的有限元分析
曲线梁桥 温度梯度效应 的有限元分析
潘 晓民 张 自荣
摘 要： 在流动坐标系下， 考虑到平面假定， 利用能量原理将温度梯度效应转换成 曲梁单元的等效节点力， 提出了一种适 用于有限元法的曲线粱温度梯度效应分析方法， 通过算例证明了 该方法具有满意的计算精度。
关键 词： 曲线梁 ， 温度梯度 ， 有限元法 ， 虚位移原理 中图分类号 ： ４ ．２ Ｕ４ ８ ４ 文献标 识码 ： Ａ 图２ 分 布。 由于纵 向纤 维 之 间 的相 互 作用 ， 任 第一步， 就是将曲线梁桥的温度梯度作用转化成作
用在曲梁单 元结 点上 的等 效结 点力 。
ｂ 截 面 ）
拉 轴
围２
￡ ２＝ ￡ ０＋ ０ ｏ‘
￡。
１ 悬臂曲梁温度梯度作用下的位移
１１ 虚位 移原 理表 达式 ．
要确定在温 度梯 度作 用下悬 臂 曲梁 上某 一点沿某 ～指 定方
ｄ ：０ ８： ￡ 、
１ △＝ｌ Ｐ ｄ 十＾ ｄ ＋ ｄ ＋Ｍｏｇ＋丁 ｄ） 积 ； 为截面对 重心轴 的惯性矩 。 ・ （ ０ ＋ｌ０ ８ ＡｍＯ ￣ ｔ ２ Ｑｄ ｖ ｄ ０ Ｊ
（） １
１２ 悬臂 曲梁 内力表 达 式 ，
在流动坐标系下 ， 如图 ｌ） ａ所示 的悬臂 曲梁 ， 当在其梁端施 加 沿坐标轴方 向的外荷 载 ， 曲梁 中任一 截面处 的截面内力可 用 悬臂
叫
Ｎｉｙ ）ｉ￣一 ・ １ 。 ０ｓ ｎ Ｒ（ 一∞８ ， ） ｃｓ ・ ｉ￣ 。 一 Ｒｓ ， ｎ （） ２
（
－ ０ ｓ ￣～ ｙ ）ｉ ｎ Ｓ ＝～Ｓ
』Ｒｓ 咄＝ Ｒ ． ｄ ＿ ． ｉ ｎ 一 ｓ・ ｉ ｎ
０ Ｒ （ｏａ一１ ， ０・ ｃｓ ）
混凝土曲线箱梁桥温度效应分析
混凝土曲线箱梁桥温度效应分析p引言近年来随着高等级公路的修建和城市立交桥的建设需要,曲线箱梁桥在我国已被广泛采用,国内外对曲线箱梁桥的各种工程问题也越来越关注。
温度荷载的作用是造成曲线箱梁桥工程问题的主要原因之一[1,3,4,6]。
目前,计算温度荷载对曲线箱梁桥的影响主要是利用有限元的方法。
本文根据已有文献得出的在温度均匀升降的情况下温度载对曲线箱梁桥的影响,推导了单跨曲线箱梁在径向受到约束时受温度荷载作用产生的支反力及内力计算公式,进行实例计算,得出温度荷载产生的内力,通过对所得内力进行分析,提出工程设计与施工中需要注意的一些问题。
1单跨曲线梁桥温度荷载作用下的内力计算公式推导当桥梁整体均匀温度变化时,由于桥梁各纤维束属于自由变形,桥梁只在轴向以及径向发生位移,而且变形后横截面仍为一平截面,可知温度均匀变化引起的是桥梁平面内的变形和受力,温度应力引起的只是曲线梁弧段的伸长或缩短,圆心角不变,半径变化[2]。
1.1基本假定曲线梁按结构力学方法作为单纯扭转理论分析的基本假定为:1) 横截面各项尺寸与纵向梁长相比很小,可以将实际结构视为集中在梁轴线上的曲线形弹性杆件;2) 曲线梁变形后横截面的周边形状保持不变,不考虑畸变;3) 曲线梁的横截面变形后仍保持为平面,不考虑翘曲变形,即平截面假定;4) 曲线梁横截面的剪切中心和形心相重合;1.2温度荷载作用下曲线梁的变形如图1所示的单跨曲线梁桥,初始状态参数为半径r0,圆心角φ0,EIzz已知,材料热膨胀系数为α。
该桥梁结构在竖向属于超静定结构,而在平面内为静定结构,温度整体变化不会引起桥梁内力。
当桥梁整体升温Δt时,曲线梁将变为图1中所示的虚线部分。
由于此时为平面内变形,圆心角不变,半径变化,φ=φ0,r0→r,各系数之间的关系为:r=r0(1+ε),ε=αΔt(1)由图中所示可以求得梁端B的径向位移δR和轴向位移δN,他们的表达式为:(2)1.3平面内径向受到约束的单跨曲线梁的计算图1所示的桥梁在平面内为静定结构,曲线梁不受内力作用,但在实际工程中,由于为了限制桥梁的变形以及便于各种结构(变形缝等)的设置,曲线梁在径向时受到约束的。
探讨钢箱梁桥温度场有限元模拟及其敏感性
探讨钢箱梁桥温度场有限元模拟及其敏感性国内对于桥梁温度场的研究早期多集中于混凝土箱梁，对于钢箱梁温度场的研究起步较晚，混凝土箱梁温度场的研究方法可对钢箱梁起到一定借鉴作用。
Emerson M在1976年夏季和1979年的冬季分别对混凝土桥、组合梁桥和钢桥进行了为期15天的连续温度监测，提出桥梁的有效温度概念，且给出相关的影响因素；并通过对实测数据进行分析，提出一种利用阴面温度的变化函数来评估混凝桥、组合梁桥和钢桥的每日有效温度的计算方法，并对其精确度的局限性进行了讨论[1-6]。
东南大学雷笑对一座具有100mm沥青铺装层的预应力混凝土箱梁桥进行了为期2年的温度监测，在实测数据的基础上采用统计分析的方法对混凝土箱梁的日照温差代表值進行了分析计算[7]。
华南理工大学陈家齐对湛江大桥施工过程中钢箱梁的温度分布进行监测，通过对温度监测数据进行回归分析，发现钢箱梁截面沿腹板高度方向温度分布呈非线性，并提出适用于湛江地区夏季钢箱梁的温度梯度模式[8]。
一、钢箱梁温度场有限元分析步骤（1）选定单元类型、设置材料属性由于钢箱梁钢板较薄，忽略钢板沿厚度方面的热传导，因此钢板选用SHELL57单元进行模拟。
SHELL57为4边形4节点单元，具有平面内传热能力的三维热壳单元，不具备沿单元厚度方向上的传热能力。
（2）钢箱梁模型及网格划分钢箱梁有限元模型网格划分单元尺寸为25mm。
（3）定义分析类型本节所进行的钢箱梁温度场分析为瞬态分析，在分析的时间段内外界大气温度和太阳辐射强度随着时间的变化而变化，因此将分析类型定为瞬态分析。
（4）施加温度荷载施加的温度荷载为初始温度、太阳辐射和对流荷载。
二、钢箱梁温度场敏感性分析2.1 大气温度对钢箱梁温度分布的影响晴天大气温度全天的温度变化具有较好的规律性，全天大气最低温度一般出现在早上6点左右，大气最高温度一般出现在下午14点半左右，因此桥梁结构的全天气温变化可采用正弦函数进行描述。
有限元模型修正技术
有限元模型修正技术
近代的工程结构越来越复杂，它们的设计必须依赖计算和实验的原始数据。
计算的成本低、速度快，还可以计算工程问题所可能遇到的各种情况，而实验特别是现场实验，必须在工程完工后才能进行，不仅周期长，耗资巨大，而且模型实验必须处理好相似关系。
对某些复杂的工程问题，相似关系很难严格满足。
用计算逐渐取代实验，或部分取代实验，这是工程界追求的目标。
近十几年来计算机可视化、虚拟现实、电脑智能化技术的发展，计算机在各个领域取代实验已有很大发展。
但对于复杂的实际结构，有限元模型的精度，受到许多因素的影响，如简化假定、边界条件的近似性、接头和耦合部件的不确定性、某些物理参数的误差等。
实践表明，有限元模型预测与实验结果之间往往存在明显误差。
有限元模型修正技术(或实验/分析模型相关)就是要充分利用结构实验和有限元分析两者的优点，用少量的结构实验所获得的数据对有限元模型进行修正，获得比较准确的有限元模型。
这样，就可能省掉一些大型结构实验，从而节省研制的费用和缩短研制的周期。
从工程应用的角度看，有限元模型修正技术是一种综合性很强的技术。
除了有限元模型修正技术本身的理论外，它还涉及到有限元的建模和计算、动力学实验技术和经验，以及计算机中的许多技术问题-如数据传递等。
有限元模型的修正对象可以分为两类：一类是有限元模型的刚度矩阵、质量矩阵、甚至阻尼矩阵中的元素;另一类是有限元模型的设计参数，包括物理参数与几何参数。
温度对桥梁模态的影响 李成才
温度对桥梁模态的影响李成才摘要：桥梁健康监测中桥梁的固有频率是其主要的研究内容，而桥梁的运营环境对其固有频率的影响也是极其显著的，其中尤以温度影响最为广大学者所接受。
本文采用桥梁专用有限元计算软件MIDAS/Civil建立了鹤洞大桥的有限元计算模型，研究温度对其固有频率产生的影响。
关键词：温度；桥梁模态；MIDAS1绪论1.1国内外研究现状桥梁模态参数的识别主要有桥梁频率、模态阻尼和振型。
其中桥梁固有频率被用为桥梁健康监测中的主要依据。
而桥梁运营环境对桥梁频率的影响有时甚至大于桥梁损伤带来的影响，这就导致桥梁结构损伤较难识别。
桥梁运营环境中对桥梁模态影响的主要因素有温度、风、车辆荷载。
邓扬等【1】在对润扬大桥的研究中，分别考虑了环境温度、风、车辆荷载3种因素对润扬大桥频率的影响，利用修正的BP 神经网络建立桥梁频率与三种环境因素之间的相关模型得出温度、交通荷载、风速对桥梁频率产生的影响最大值分别为1.975%、0.262%、0.215%，平均值分别为1.175%、0.104%、0.163%，由此可知环境温度对桥梁模态频率的影响最为明显。
李爱群等【2】分析认为实际运营环境与桥梁固有频率有明显的相关性。
随着温度的改变斜拉桥模态频率有明显的变化，而风和车辆荷载对其影响并不明显。
Zhao和DeWolf【3】对两跨钢-混桥进行了监测分析，得出温度与桥梁频率呈现出负相关性的结论。
1.2温度变化对桥梁频率的影响机理对于大跨度结构，如斜拉桥、索桥、大跨度空间钢结构等，温度对结构动力参数的影响比较明显。
随着运营环境温度的变化必将引起结果内部温度的变化进而对桥梁模态频率产生影响。
影响机理主要由以下3个方面：（1）温度变化能够引起材料弹性模量的变化，随着弹性模量的变化进而引起桥梁频率的变化；（2）温度的变化引起结果边界条件的变化；（3）温度的不变化导致结构内部应力的变化；2 MIDAS有限元模型计算分析2.1广州市鹤洞大桥概况广州市鹤洞大桥是位于广州市海珠区和荔湾区之间的珠江后航道上，是连接海珠区与芳村区的主要交通枢纽工程，是上世纪九十年代中后期广州市跨江大桥中技术含量最高、跨度最大、工艺最复杂的一座双塔双索面复合斜拉桥。
组合梁桥有限元修正模型的研究
０ 引 言
目前 ， 于结 构 分析 的方 法 ， 是通 过 有 限元 分 关 一 析 对结 构动 力学 特 性 进行 预示 ； 是通 过 结 构 试 验 二
两 大方 面 ： 构力 学参 数 的修正 和边界 条 件 的修 正 。 结 而 结构力 学参 数 的修 正 又可 以分 为 三类 ： 阵型 修 矩 正方 法 ＿ 、 素 型修 正 方 法 和 设 计参 数 修 正 方 ３元 ＿
第３ ６卷
第 ５期
四川 建 筑 科 学 研 究
Ｓｃ ｕ ｎ Ｂ ｉ ｉｇ Ｓ ｉｎ ｅ ｉｈ ａ ｕｌ ｎ ｃｅ ｃ ｄ １ ５
２１ ０ ０年 １ Ｏ月
组 合 梁 桥 有 限 元 修 正 模 型 的研 究
王修 琼 ， 井 祥 武
（ 中南 大学 土 木 建 筑 学 院 ， 南 长 沙 湖 ４０７ ） １０ ５
摘
要： 为改善结构有限元模型 的精度 ， 减小理论模型计 算结 果与试 验结果 之 间的误差 ， 用模型 修正技术 对建立 的初始有 采
限元模 型进行修 正。针对 铁路 组合梁桥模型修正 的问题 ， 进行 了大量 的试验 和研究 ， 着重 对组合 梁力学参数 和边界条件进行 了修正 。结果表 明 ， 经过修正后的有 限元模 型计算结 果与试验结果更加接近 ， 模型修正是可行 的、 有效的。 关键词 ： 模型修正 ； 组合 梁桥 ； 限元 ； 界条件 有 Ｅｔ
中 图分 类 号 ：Ｕ １ Ｔ ３２ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编号 ：０ ８—１３ （０ ０ ０ １０ ９ ３ ２ １ ）５—０ ５ ３ １ —０
Ｓ ｕ ｙ ｏ ｎ ｔ ｌｍ ｅ ｔ ｍ ｏ ｅ ｐ ｔｎ ｆ ｃ ｍ ｐ ｓｔ ｅ ｍ ｒｄ ｅ ｔ ｄ ｎ ｆ ｉｅ ｅ ｅ ｎ ｉ ｄ ｌｕ ｄａ ｉ ｇ ｏ ｏ ｏ ｉｅ ｂ ａ ｂ ｉ ｇ
温度变化对桥梁的影响
温度变化对桥梁的影响摘要：本文以某铁路特大桥为背景阐述了温度变化对桥梁的影响，并采用不同的温度模式，利用大型有限元软件MIDAS-CIVL进行计算、分析，最后根据计算结果给出了解决温度对桥梁影响的措施。
关键词：铁路桥梁温度应力裂缝Abstract: this paper is based on the the project of a railway bridge. It presents the influence of temperature on the mechanic behavior of the project. Different temperature mode are adopted. Finite element models by MIDAS-CIVL are developed to take into analysis. Construction measures are proposed to solve the problem of temperature influence .Key word: railway, bridge, temperature, stress, crack1 概述桥梁结构以及施工工艺的特点，使其在高速铁路中广泛应用，尤其是在峡谷、河流、跨公路的地方桥梁几乎成为了跨越障碍唯一的结构形式。
然而桥梁投入使用之后，风力、温度等外界因素尤其是温度对桥梁的影响越来越受到设计、施工以及运营阶段保养与维修人员的重视。
国内外也有很多因为温度应力的影响而破坏的例子。
温度对桥梁的影响主要表现在横向、纵向位移的变化和梁体裂缝的出现，并且现在普遍认为温度应力已成为混凝土梁出现裂缝的主要原因之一。
因此，温度对桥梁的哪一部位影响较大并采取怎么样的措施就显得尤其重要2 温度场的主要影响因素及其分布特点2.1 外部因素混凝土在施工阶段，外界气温的变化影响是显而易见的。
因为外界气温愈高，混凝土的浇筑温度也愈高，而如果外界温度下降，会增加混凝土的降温幅度，特别是气温骤降，会大大增加外界混凝土与内部混凝土的温度梯度，这对大体积混凝土是极为不利的。
梁式桥梁有限元模型建立与修正及在状态评估中的应用研究的开题报告
梁式桥梁有限元模型建立与修正及在状态评估中的应用研究的开题报告一、题目：梁式桥梁有限元模型建立与修正及在状态评估中的应用研究二、研究意义和背景：近年来，世界上许多桥梁的年限已经接近了设计寿命，加之大气污染、自然灾害等因素的影响，桥梁的健康状态变得越来越受到关注。
在桥梁的设计、施工和使用阶段，对桥梁的状态进行评估，以便及时发现和解决各种问题，是非常重要的。
而现代结构工程中使用最为广泛的是有限元方法，对桥梁进行有限元模型的建立和修正，可以为之后的状态评估提供帮助。
然而，在建立和修正有限元模型时，往往会存在一些误差和偏差，这会导致状态评估结果的不准确和不可靠。
因此，有必要对梁式桥梁的有限元模型建立和修正进行深入研究，并探索其在桥梁状态评估中的应用。
三、研究内容：本研究拟围绕梁式桥梁的有限元模型建立和修正，以及在桥梁状态评估中的应用为主要内容，具体研究内容包括但不限于以下方面：1. 梁式桥梁的有限元模型建立方法，包括杆件单元和板单元的使用、节点分布和网格生成等方面的问题。
2. 梁式桥梁有限元模型的修正方法，包括传统修正和基于监测数据的修正方法。
3. 梁式桥梁状态评估方法，包括结构健康监测、激励响应分析和可靠度分析等方面的问题。
4. 基于梁式桥梁有限元模型的状态评估实例研究，包括模型建立、修正和状态评估的完整流程。
四、研究方法：本研究主要采用实验研究和理论研究相结合的方法，具体包括：1. 对已建造的梁式桥梁进行实际监测，获取其相应的响应数据。
2. 在有限元软件中建立梁式桥梁的有限元模型，并与实际监测数据进行对比，修正模型并评估修正效果。
3. 基于修正后的有限元模型，进行激励响应分析和可靠度分析，并对结果进行分析和解释。
4. 针对具体的梁式桥梁，通过整合前述实验和理论研究成果，构建其完整的状态评估体系。
五、研究预期成果：本研究预期可以达到以下目标：1. 建立基于杆件单元和板单元的梁式桥梁有限元模型建立方法，并提出调整和优化方案。
温度影响下基于布谷鸟算法的钢–混组合结构桥梁有限元模型修正
温度影响下基于布谷鸟算法的钢–混组合结构桥梁有限元模型修正黄民水;程劭熙;顾箭峰;卢海林【摘要】结构在日常服役的过程中反复承受变化的温度荷载,温度变化会导致材料弹性模量的变化,进而影响结构的刚度,相应结构的动力特性也会发生变化.本文在建立有限元模型时将温度作为材料参数函数的一个变量,并基于Matlab建立了I-40钢混组合结构桥梁有限元模型并计算其自振特性.同时利用布谷鸟搜索算法(Cuckoo Search)在考虑温度对结构材料参数的影响下对有限元模型进行了修正.修正后的结构模态参数与实验数据吻合良好,最大频率误差小于2％,模态置信准则MAC值均在95％以上,修正后的有限元模型可作为后续结构损伤识别的基准模型.【期刊名称】《土木工程与管理学报》【年(卷),期】2018(035)006【总页数】5页(P107-110,130)【关键词】温度影响;模型修正;组合结构桥梁;布谷鸟算法【作者】黄民水;程劭熙;顾箭峰;卢海林【作者单位】武汉工程大学土木工程与建筑学院,湖北武汉 430073;武汉工程大学土木工程与建筑学院,湖北武汉 430073;武汉工程大学土木工程与建筑学院,湖北武汉 430073;武汉工程大学土木工程与建筑学院,湖北武汉 430073【正文语种】中文【中图分类】U442利用有限元建模分析桥梁性能已成为目前研究工作的主流方法，但在振动测试中，试验结果与有限元分析结果往往存在一定误差。
材料的物理参数与结构尺寸一般为一个定值，但结构在日常使用中，环境因素的变化往往会引起结构的材料属性与几何参数的改变，进而导致理论分析结果与试验结果之间存在一定的误差[1～5]。
当误差超出工程需要所能容许的范围，就需要进行结构模型修正，以缩小试验数据与理论分析之间的误差。
然而，在有限元模型修正过程中，如果不考虑温度因素，修正后的有限元模型将不能反映温度因素的影响，因此有必要保证材料参数与结构几何尺寸都具有物理意义的前提下得到一个相对精准的有限元模型。
有限元模型修正技术
有限元模型修正技术有限元模型修正技术是一种改进有限元分析模型的新型技术。
它旨在使用一些有限元数据来提供更准确的分析结果，从而更好地满足工程应用的要求。
有限元模型修正技术的核心思想是：通过对有限元模型进行深入分析、更新、修正和优化，可以获得更准确的分析结果。
本文将重点讨论有限元模型修正技术的实现过程，主要包括三个部分：1. 模型评估；2. 模型修正；3. 模型验证。
1. 模型评估：有限元模型修正技术的实现过程始于模型评估。
首先，根据工程应用的要求，使用相关的软件将复杂的物理结构建模成有限元模型。
然后，对该有限元模型进行评估，包括但不限于精度评估、稳定性评估、弹性模量评估、粘弹性模量评估、拉伸模量评估等。
这些评估结果将为有限元模型的修正和优化提供基础信息。
2. 模型修正：根据上述评估结果，对有限元模型进行必要的修正，以提高分析结果的准确性。
这些修正可以分为两类：一类是基于数学分析的修正，主要是通过改变模型中的参数，如单元形状函数、位移函数、应力函数等；另一类是基于实验测试结果的修正，主要是通过改变材料参数，如弹性模量、泊松比等。
3. 模型验证：在有限元模型修正完成后，应对修正后的模型进行验证，以确定模型的准确性。
这种验证可以采用两种方法：一种是与实际测试结果进行比较；另一种是与其他有限元模型进行比较。
如果模型的验证结果达到要求，则说明有限元模型修正技术的实施成功，可以得到更精确的分析结果。
总之，有限元模型修正技术是一种改进有限元分析模型的新型技术，它旨在通过数学分析和实验测试，使用一些有限元数据来提供更准确的分析结果，从而更好地满足工程应用的要求。
它的实施过程包括模型评估、模型修正和模型验证三个部分，只有经过这些步骤，才能获得更准确的分析结果。
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通信作者: 卢海林(1965-) , 男, 湖南安乡人, 教授, 博士,研究方向为工程结构分析㊁检测与加固(Email: hail lu@ yangtzeu. edu. cn)
㊃ 30㊃
土 木
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程
与
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理
4.0 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0
学
报
2017 年
optimization, the baseline model for the later damage identification is obtained and the influence of
已成为结构工程领域的研究热点之一 [1] , 它利用 使得修正后理论模型的模态参数与实测参数更加
振动测试得到的动力特性修正有限元理论模型,
种:零阶优化和一阶优化㊂ 零阶优化是通用的函 数逼近优化方法, 采用最小二乘法求取一个函数 面来拟合解空间,然后再对该函数面求极值,不易 陷入局部极值点, 但精度不高, 为一种粗优化方 法㊂ 而一阶优化采用梯度寻优, 通过对目标函数 添加罚函数将问题转换为非约束, 将真实的有限 元结果最小化㊂ 一阶方法使用因变量对设计变量 的偏导数,在每次迭代中, 通过梯度计算 ( 用最大 斜度法或共轭方向法 ) 确定搜索方向, 并用线搜 索法对非约束问题进行最小化㊂ 因此, 零阶优化 是大范围普遍适合的粗优化, 而一阶优化是局部 细化的精优化 [9] ㊂ 通过零阶优化确定优化参数的大致范围, 再通过 一阶优化进行精细优化㊂ 将温度作为材料参数的 函数,将有机玻璃的弹性模量作为修正变量,以竖 向 1㊁2 阶频率和竖向 1 阶振型构建修正的目标函 数,采用的目标函数如式(1) [10] : Rf = R = a f ㊃R f + a s ㊃R s + a flex ㊃R flex (1) (2) (3) (4) 文中将零阶优化和一阶优化有机结合, 首先
updating method considering the influence of temperature, which is based on the optimization theory, is introduced. Firstly the elastic modulus of polymethylmethacrylate (PMMA) is temperature-dependent,
z y x
基于 ANSYS11 建立有限元模型, 顶板㊁ 底板
有限元建模
图2
有机玻璃曲线箱梁模型尺寸
基准温度为 20ħ , 有机玻璃弹性模量为 3. 0
材料弹性模量和温度存在一定的函数关系, 可将 弹性模量看作是温度的函数,20ħ 时有机玻璃的 弹性模量为 3 GPa, 温度每升高 1ħ , 弹性模量降 低 1% ,如图 1㊂
何参数,然而材料参数( 如弹性模量) 往往受环境因素,特别是温度的影响, 如果不在修正过程中考虑温度对材 料弹性模量的影响,往往会得到错误的结果㊂ 文中介绍了一种考虑温度影响㊁基于优化理论的曲线箱梁有限元 模型修正方法㊂ 首先认为有机玻璃模型的弹性模量温度相关,建立了两者的关系模型㊂ 然后建立有机玻璃曲 线箱梁的实验室模型和有限元分析模型,通过地震台振动测试获取了实验模态, 通过 ANSYS 模态分析获取了 理论模态㊂ 最后考虑了温度的影响㊁基于优化理论的零阶优化和一阶优化进行有限元模型修正,成功地消除了 温度对模型修正的影响,得到了后续损伤识别的基准有限元模型㊂ 关键词:模型修正; 中图分类号:U441 . 5 ; TU311
图1
有机玻璃弹性模量与温度的关系
mm,边界条件为固结, 用 4 颗螺栓将钢夹板和模
8
96 208 (a) /mm 96
1
弹性模量和温度的关系模型
有机 玻 璃 ( Polymethyl-Methacrylate, PMMA)
L
r
是一种典型的热塑性聚合物材料,具有透明性好㊁ 质量轻㊁不易碎裂㊁耐老化以及良好的机械性能等 优点, 被广泛应用于航空㊁ 建筑㊁ 生物医学等各个 方面㊂ 选择有机玻璃作为模型材料只需注意试验 环境的温度㊁湿度条件及测量时间的控制,可以较 好地满足模型试验要求㊂
接近,修正后的模型能更好地反映结构实际的动 力特性㊂ 修正方法主要有参数型模型修正和矩阵 构的参数( 如材料参数和几何参数等 ) 进行修正, 物理意义明确,实用性强,能保持系统矩阵的对称 带状特征,便于实际大型结构的分析计算 [4,5] ㊂ 凝土和有机玻璃等弹性模量, 如果单纯的修正材 料弹性模量而不考虑温度影响的话, 往往使修正 后的材料参数失去了物理意义,修正过程中,如果 温度发生变化, 往往会得到错误的修正结果㊂ 本 文介绍了一种考虑了温度影响的动力有限元模型 修正方法,认为有机玻璃的弹性模量温度相关,建 立了其和温度的关系模型㊂ 随后基于 ANSYS 建 立了有机玻璃模型的有限元模型, 得出了前两阶 理论模态,并进行了不同地震波作用下的地震台 振动试验,得出了前两阶测试模态㊂ 最后基于优 化理论进行了模型修正, 发现温度模型能更好地 反映模型的物理意义和结构的动力特性, 修正后 的有限元模型可作为后续损伤识别和健康监测的 基准㊂ 然而,材料参数往往温度相关, 比如钢材㊁ 混
22. 1有限元源自拟模型介绍 采用子空间方法( Subspace) 获取了前两阶竖
图3 有机玻璃曲线箱梁有限元模型
曲线箱梁模型跨径 L = 1047 mm( 以顶板中线 万方数据 的弧长计算 ) ,曲率半径 R = 2000 mm,圆心角 θ =
向振型,如图 4㊂
8
108
92
第1 期
黄民水等: 考虑温度影响的曲线箱梁有限元模型修正
在跨中截面 I-I 和悬臂截面 II-II, 如图 5, 每个截 测点,共四个测点㊂ 数据采集仪采用小型多通道 数据采集系统 TMR-200, 分别在竖向施加不同种 类的地震波,每种波施加三次,记录数据㊂ 测试时 10 ʒ 30 至下午 18 ʒ 20,室内气温度为 9 ~ 11ħ ㊂
15 16 7 8
E /GPa
型模型修正 [2,3] , 其中参数型模型修正通过对结
-5
0
5
10
15 T/
20
25
30
35
40
30ʎ,厚度 t = 8 mm,模型通过有机玻璃粘结制作, 顶板和底板宽度分别为 400,208 mm, 腹板高 92 型顶㊁底板固定,模型尺寸如图 2 [8] ㊂
400 100 100 100 100
收稿日期: 2016-04-16 修回日期: 2016-06-04
HUANG Min-shui1,2 , CHEN Shao-xi1 , LU Hai-lin1
2. Department of Civil and Environmental Engineering, University of Alberta, Edmonton T6G 2R3, Canada)
[6]
h
d
(b) 3D
2. 2
载速率和应力水平等条件,温度㊁时间和应变率的 影响尤为明显 璃模型的弹性模量与温度有显著关系, 温度每升 高 1ħ ,弹性模量降低 0. 7% ~ 1%
[7]
机玻璃其力学性能依赖于温度㊁负荷时间㊁加 ㊂ 李文华通过试验发现, 有机玻 ㊂ 文中认为
和腹板均采用 Shell63 单元模拟,支座处假定为固 结,为与实际制作情况相符,两侧腹板间的顶底板 约束所有自由度来实现固结㊂ GPa,质量密度 ρ = 1180 kg / m3 ㊂ 有限元模型如图 3㊂
文中采用竖向 1㊁2 阶频率和竖向 1 阶振型的
(a)
f =32.157 Hz y z x
考虑温度影响㊂
竖向 1 阶 竖向 2 阶 测点 实测值 理论值 7# 阶次
表1
竖向 1 ㊁2 阶频率 32. 923 99. 253 15# 误差 / % - 0. 77% 16# - 2. 33
理论频率 / Hz 测试频率 / Hz 32. 157 98. 484 表2
第 34 卷第 1 期 2017 年 1 月
土 木 工 程 与 管 理 学 报 Journal of Civil Engineering and Management
Vol. 34 No. 1 Jan. 2017
考虑温度影响的曲线箱梁有限元模型修正
黄民水1 ,2 , 程劭熙1 , 卢海林1
2. 阿尔伯塔大学 摘 (1. 武汉工程大学 土木与环境工程系, 加拿大 资源与土木工程学院, 湖北 阿尔伯特 武汉 430073; 埃德蒙顿 T6G 2R3)
竖向 1 阶振型 8#
0. 02246 0. 26428
0. 02254 0. 22892
0. 07064 0. 71153
0. 06404 0. 65242
(b)
f =98.484 Hz
MAC
0. 999
图4
前两阶竖向振型
3
4
模型修正
基于优化理论有限元模型修正方法主要有 2
振动测试
根据悬臂结构受力特点, 加速度传感器布置
+
要:模型修正按修正对象的不同可分为矩阵型修正法和参数型修正法,参数型修正直接修正材料参数和几
优化理论;
温度影响;
曲线箱梁
文献标识码:A
文章编号:2095-0985 ( 2017 ) 01-0029-04
Finite Element Model Updating of Curved Box Girder Considering Temperature Effect
(1. School of Resource and Civil Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073, China; Abstract: There are two different model updating methods according to updating object, matrix form and parametric updating, the material and geometric parameters are updated directly in parametric updating, but the material parameters, such as elastic modulus are affected by environmental conditions, especially temperature, if the influence of temperature to material elastic modulus is not considered in the model updating, the actual results cannot be acquired. In the paper, a model the relationmodel is setup. Secondly, the lab model and finite element model of the PMMA curved box girder are constructed, the experimental and analytical modes are acquired through vibration testing on a shake table and modal analysis based on ANSYS. In the end, the model updating temperature to model updating is eliminated successfully. 随着有限元理论的发展, 为了满足大型结构 considering the influence of temperature is carried out based zero-order optimization and first-order Key words: model updating; optimization theory; temperature effects; curved box girder 损伤识别和健康监测的需要, 有限元模型修正应 运而生㊂ 近年来, 基于振动测试的动力模型修正