e-works数字化企业网  »  文章频道  »  产品创新数字化(PLM)  »  CAE

石拱桥连续倒塌过程模拟及构件重要性评价

2013/4/9    来源:MSC    作者:卢啸  陆新征  叶列平      
关键字:连续倒塌仿真分析  单元失效准则  有限元分析  MSC.MARC  
本文以近年来损失最为严重的石拱桥连续倒塌事故为例,利用大型通用有限元软件MSC.MARC,建立了石拱桥的精细化3D有限元模型,通过接触算法和生死单元对整个倒塌过程进行了仿真模拟,分析了可能的倒塌原因,并从结构广义刚度的概念出发,对石拱桥的各个部位进行了重要性评价。

1 概述

    拱桥,作为桥梁结构的基本形式之一,具有历史悠久、外形美观等特点,广泛分布于世界各地,在桥梁工程中占有重要的地位。即使在桥梁结构新材料、新技术飞速发展的今天,拱桥在中小跨径的桥梁中依然具有很强的竞争力。

    但是,拱桥的倒塌事故也是屡次发生。1996年12月20日,广东韶关市白桥坑大桥(钢筋混凝土单箱拱桥),在进行拱底板浇筑施工时,施工支架突然坍塌,造成了32人死亡,59人受伤;2004年9月7日,成温三渡水大桥新旧桥半小时内相继垮塌;2006年5月16日,甘肃岷县北门洮河大桥(双曲石拱桥)突然全部垮塌;2006年11月25日,陕西白河县冷水河大桥在没有车辆行驶的情况下突然垮塌;2007年8月,在建的湖南凤凰堤溪大桥发生坍塌,造成62人死亡。这些事故造成了重大的人员作伤亡和财产损失,同时也引起了广大工程人员的关注与思考。正确再现桥梁倒塌的事故过程,分析桥梁倒塌事故原因,并确定对桥梁安全最为重要的结构关键区域,对指导桥梁设计和施工,减少工程事故具有重要意义。

    本文以典型的石拱桥为例,利用有限元方法,对整个连续倒塌过程进行了仿真模拟,分析了致使拱桥发生连续倒塌的可能原因;然后从结构广义刚度的概念出发,对石拱桥的各个部位进行了重要性评价,得到了其结构关键区域;最后用极限分析方法(Pushdown方法)验证了所得到的关键区域的合理性,本文结论可为更加合理的设计与施工提供参考。

2 石拱桥有限元模型

    2.1 分析对象和模型参数

    本文分析的背景工程为某三跨连续石拱桥,全长233.55米(三跨的跨度均为58.5米),桥宽13米,其他主要结构尺寸如图1所示。

石拱桥结构尺寸

    图1 石拱桥结构尺寸(单位:米)

    由于各种材料参数的实验值不详,在计算分析时,各部分材料的参数取值均按照JTG D61-2005《公路圬工桥涵设计规范》中材料强度标准值来确定。其具体的材料强度取值情况如表1所示。

    表1 材料参数取值

材料参数取值

    2.2 有限元模型和单元失效准则

    本文采用通用有限元软件MSC.Marc建立有限元模型。为了保证计算结果的准确性,且在计算机容量允许的情况下,对结构构造复杂的连接部位,尽可能细化单元尺寸,同时,为了减小单元畸形带来的计算收敛性问题,单元的划分尽量采用规则的六面体单元,其有限元模型如图2所示。

    由于本次分析的桥梁主要构件尺寸均远大于组成桥梁的块石尺寸,故而,无论是采用有限元方法还是采用其他数值方法(如离散元、刚体弹簧元、DDA等),对组成桥梁的块石逐一划分单元并加以模拟既不可能也不必要。因此进行有限元分析时,可将块石视为半脆性摩擦型材料,采用弹塑性+断裂模型加以模拟。其屈服强度和开裂应力如表1所示。考虑到实际工程中,当材料破坏达到一定程度时,将完全退出工作。故而本文采用生死单元法,将其从模型中删除,以模拟材料的彻底破坏。由于已经考虑了材料的断裂和屈服,而断裂会导致断裂应变,屈服会导致塑性应变,所以基于应力的单元失效准则不再适用。综合以上原因,故建议采用总应变(Total strain)作为单元的失效准则。当单元的最大拉、压应变超过容许限值时该单元失效,利用大型通用有限元MSC.MARC的子程序Uactive将其从模型中删除。

典型石拱桥有限元模型

    图2 典型石拱桥有限元模型

    由于桥墩采用扩大基础立于微风化的岩层中,地基在提供竖向反力的同时,只能部分约束其水平方向的位移,当水平推力超过容许限值,桥墩可能发生侧向位移或者倾覆,与有限元中一般的固端约束存在一定的差别,因此,为了保证分析的准确性,尽可能使有限元模型的边界条件接近真实情况,本文采用了MSC.Marc中提供的摩尔库伦摩擦接触类型来模拟地基对桥墩基础的部分水平约束作用。

责任编辑:程玥
本文为授权转载文章,任何人未经原授权方同意,不得复制、转载、摘编等任何方式进行使用,e-works不承担由此而产生的任何法律责任! 如有异议请及时告之,以便进行及时处理。联系方式:editor@e-works.net.cn tel:027-87592219/20/21。
e-works
官方微信
掌上
信息化
编辑推荐
新闻推荐
博客推荐
视频推荐