竹质桥梁结构优化设计与力学变形特性分析.pdf

丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报竹质桥梁结构优化设计与力学变形特性分析王欢蒋玉周贵云董志凯（保山学院 工程技术学院，云南 保山 678000）摘要以全国第十四届结构设计竞赛“变参数桥梁结构设计与制作”为例，通过对结构模型的设计、选型与制作、模型加载，并运用Midas有限元分析模型等方面的阐述，对鱼腹式桁架结构模型和桁架结构模型进行试验加载和数字模拟对比分析，桁架结构相比于鱼腹式结构具有制作工艺简单，能在较短的时间内就能制作完成。在相同荷载情况下，桁架结构的力学性能优于鱼腹式结构，且桁架结构模型质量明显小于鱼腹式结构模型，其自重小，节省材料。关键词结构模型优化设计；Midas有限元分析；模型加载；鱼腹式结构；桁架结构中图分类号 U44文献标识码 Adoi:10.3969/j.issn.1674-9340.2023.02.014文章编号 1674-9340（2023）02-0086-07收稿日期：2022-05-23基金项目：保山学院教改项目“新工科土木工程专业项目化教学改革与实践”（项目编号：ZHP202108）；保山学院大学生科研项目“基于Midas对变参数桥梁结构模型优化设计与力学变形特性分析”（项目编号：XSKY2021039）。第一作者简介：王欢（1999），男，布依族，云南曲靖人，本科在读，研究方向为结构设计。通信作者：蒋玉（1990），男，汉族，云南保山人，硕士，讲师，研究方向为岩土工程。引言结构设计竞赛是培养大学生创作意识、合作精神的竞赛，是一项将课堂理论与实际工程紧密结合的竞赛，目前全国性大学生结构设计竞赛已被教育部列为大学生9项科技竞赛之一，它旨在通过学生对所学知识的综合运用，以提高同学的动手能力与思维能力，突出创新精神，加强队员间的合作与交流，丰富同学的课余生活，是一项极富科学性、创造性与挑战性的学科竞赛1。通过对结构方案的设计、模型制作、试验加载与其运用Midas civil有限元软件分析计算，来培养大学生的创作精神、团队意识和实践能力，对我国的大跨度桥梁结构创新人才提供了很好的契机2。本文以2021年大学结构设计竞赛赛题“变参数桥梁结构模型设计与制作”为例，通过对桥梁结构分类、结构选型分析与制作及对其力学特性分析等方面的阐述，以及运用有限元软件Midas数值模拟和试验模拟对结构受力特点及变形特性进行分析及对比，从而设计与优化出轻质高强的桥梁结构模型。1 结构模型方案设计与制作1.1 桥梁结构的型式按桥梁力学模型，可分为梁桥（含悬臂梁桥）、拱桥、钢架桥、悬索桥（又称吊桥）、斜拉桥、组合桥等3。在工程实际中，梁桥与拱式桥是应用范围最广的桥型，斜拉桥与悬索桥则是适应大跨度桥梁建设发展要求而诞生的，也是现代应用较广的桥型4。而组合桥的主要承重构件采用两种或两种以上独立结构模型组合而成，充分利用各种结构形式桥的受力特点，发挥其优越性，梁拱组合桥是出现得最早，同时也是应用最多的组合桥梁体系。1.2 桥梁结构模型的设计与制作按照赛题要求，需设计制作一座变参数桥梁模型（见图1）。其桥体跨长为1 200 mm，需承受王欢，蒋玉，周贵云，董志凯：竹质桥梁结构优化设计与力学变形特性分析8个分散作用的竖向集中荷载（A1和A2、B1和B2、C1和C2、D1和D2）以及桥面移动荷载。其中a轴支座标高为-160 mm，b轴支座标高取值范围为-160140 mm；桥面下净空标高取值范围为-150-50 mm，桥面以上结构高度不做尺寸限制。图1 桥梁平面示意图模型结构在满足赛题各项规定的情况下，还需保证其质量较轻并且具有较强的刚度和强度来满足承载力的要求。本次设计的桥梁结构模型有鱼腹式桁架结构和桁架结构两种，两种模型的结构型式都采用组合桥的型式，a 轴支座采用拱结构形式，b 轴支座则采用悬带式支座的形式。模型：鱼腹式桁架结构（见图2），其主梁采用双层鱼腹式结构，主要考虑荷载作用下拱结构的优势。通过试验表明单层鱼腹不足以承载所施加的荷载，通过双层鱼腹式的组合能降低整体变形，使跨中挠度在可控范围内，同时也减少了材料的使用量，达到轻质、高强、美观的目的。图2 鱼腹式结构模型：桁架结构（见图3），通过改变内部连杆布置密度，以达到在荷载作用下桥梁主梁的较大强度刚度，桁架结构相比于鱼腹式结构具有制作工艺简单，在较短的时间内就能完成，自重小，节省材料。图3 桁架结构-87第 42 卷第 2 期保山学院学报2023 年 4 月1.3 结构模型的杆件类型对于结构模型设计，竹杆件的类型决定着模型的质量以及承载能力，根据提供的竹材可以制作出的较多的杆件类型，通过大量试验，确定模型所需截面形式的杆件如表1所示。表1 杆件截面形式杆件类型槽钢型截面箱型截面实腹长方形截面管型截面截面形状图例杆件用处桁架主梁的上下弦杆支座撑杆斜拉塔主梁桁架撑杆、腹杆支座拱撑杆斜拉索主梁悬带式支座鱼腹梁桁架梁撑杆、腹杆优势抗拉、压能力强强度高节约材料质量轻抗扭刚度大抗弯特性强整体性好受力明确承载力强刚度大承载力强构造简单制造省工杆件拼接方便抗压强度高稳定性好抗扭刚度大刚度大承载力相对较大劣势耐久性较差制作工艺复杂制作工艺复杂长度越长，强度越低自重大自重相对较大制作工艺复杂与其他构件连接相对复杂抗弯强度较差1.4 结构与模型的制作工艺及节点处理制作出的结构模型需满足刚度、强度及稳定性的要求，杆件的制作工艺对整体结构模型也有一定的影响，比如在制作杆件过程中胶水黏结不牢固，或者发生挤压、碰撞等使结构存在初始缺陷，造成在加载时发生破坏，所以应提高杆件的制作工艺质量，确保杆件截面尺寸符合要求，使结构构件受力明确、传力清晰，减少结构模型在加载过程中的不确定性因素影响加载结果的真实性。节点部位是模型连接的关键部位，考虑到该处的受力比较复杂，其决定着结构的整体性及可靠度。因此在制作模型时要保证节点有足够的安全度，故节点处在连接完成后需用竹粉配合胶水对节点处进行特别的加固，提高节点强度，保证结构模型的整体稳定性。2 结构模型试验加载2.1 施加荷载设计桥梁模型需承受变参数竖向荷载以及移动荷载，为保证试验的对比性，采取两种荷载工况进行加载，具体加载点（见图1）与荷载值（见表2）。第一级荷载为8个竖向节点荷载，其取值范围为40 N130 N（取10 N的倍数），各加载点荷载不重复。第二级荷载则是在第一级荷载前提下进行荷载转移，分为两个步骤：步骤一将D2荷载转移施加至B2点上（二级荷载1），其余荷载不变；步骤二：将B2点荷载全部转移至B1点，保持其余点荷载不变（二级荷载2）。第三级荷载在保持上一级静载作用，施加50 N的移动荷载。表2 各加载点荷载值荷载值（N）荷载工况1荷载工况2A18060A24070B16050B211040C190120C2130130D17090D212080-88王欢，蒋玉，周贵云，董志凯：竹质桥梁结构优化设计与力学变形特性分析2.2 结构模型对比结构模型、的主要差异在于主梁的结构形式不同，模型主梁为鱼腹式桁架形式，模型主梁为桁架形式，其对比情况如表3所示。表3 结构模型对比结构模型模型模型结构形式鱼腹式桁架+斜拉桁架+斜拉模型质量（g）323.8312.0优点传力路径可靠有效，强度刚度较大。结构简洁、美观、质量小，强度高，变形小。缺点模型制作复杂，质量大。节点强度要求高，易引起整体破坏。2.3 实体模型试验加载为了保证模型具有足够的刚度，在第一级荷载作用下结构竖向位移测试点的最大允许挠度w=10 mm。经加载（见图4、图5），两种结构模型都未失效，均加载成功，模型无损坏之处。结构跨中挠度也均未超限，跨中挠度值w如表4所示：图4 鱼腹式结构加载图图5 桁架结构加载图表4试验加载结构跨中挠度W1各级荷载跨中挠度值（mm）荷载工况1荷载工况2模型模型模型模型一级荷载1121二级荷载16742二级荷载26643三级荷载8654根据加载结果分析得，桁架结构桥梁其整体性能要优于鱼腹式结构，桁架结构桥梁传力路径-89第 42 卷第 2 期保山学院学报2023 年 4 月可靠，且在相同荷载情况下刚度波动小。偏心荷载对于两种体系桥梁的强度均有较大的影响，会大幅度降低桥梁的承载能力。三级移动荷载，由于从轨道上禁止滚下到结构模型出发桥岸时存在冲击作用，使桥体产生较大的变形，但只要未超过桥梁的承载能力范围，在材料的线弹性阶段内，当移动荷载消失后，桥梁会恢复到原始状态。当超过桥梁承载能力后，在二级荷载的双重作用下，会使结构迅速发生破坏。3 Midas有限元分析3.1 定义荷载工况所施加的荷载有静力荷载和移动荷载两种，但需要将结构自重和桥面板考虑进去，即将桥面板简化为0.002 75 N/m的均布荷载施加于两侧主梁上，荷载组合如表5所示：表5 荷载组合情况一级荷载自重+桥面荷载+一级荷载二级荷载1自重+桥面荷载+二级荷载第一次转移二级荷载2自重+桥面荷载+二级荷载第二次转移三级荷载自重+桥面荷载+二级荷载第二次转移+三级荷载3.2 结构模拟加载分析为保证所设计桥梁结构承载力满足赛题要求，运用Midas有限元软件对结构进行模拟分析如图6、图7所示。图6 模型模拟分析图图7 模型模拟分析图模拟分析各级荷载作用下结构跨中竖向挠度值（w）如表6所示：表6 结构有限元分析跨中挠度值W2各荷载跨中挠度值（mm）荷载工况1荷载工况2模型模型模型模型一级荷载1.4110.6141.2110.118二级荷载111.96910.7848.3406.898二级荷载212.0049.3438.3596.023三级荷载8.8036.1615.1582.841由表6可知，由于两种荷载工况相差较大，均存在偏心现象，但荷载工况1存在偏心荷载较-90王欢，蒋玉，周贵云，董志凯：竹质桥梁结构优化设计与力学变形特性分析大，两侧有100 N的偏心荷载（表2），对于桥梁结构来说偏心荷载的危害是较大的，但是现实生活中又不可避免地存在有偏心荷载。在两种荷载作用下，两种结构在一级荷载作用时结构跨中竖向变形量较小，且均未超限；而结构在二级荷载时产生了较大的变形，鱼腹式结构尤为明显，且在每一级荷载作用下结构模型的竖向变形量均比结构模型大，证明桁架结构刚度明显大于鱼腹式结构；在二级荷载作用时，偏载较严重，桁架结构的竖向变形均比鱼腹式结构小，说明桁架结构的抗扭性能相较于鱼腹式结构小。4 结构试验加载与Midas有限元分析对比对比两种结构模型的跨中竖向变形量，其挠度值如表7所示：表7 试验加载与Midas加载结构跨中挠度值w荷载工况类型荷载工况1荷载工况2结构模型模型模型模型模型荷载类别一级荷载二级荷载1二级荷载2三级荷载一级荷载二级荷载1二级荷载2三级荷载一级荷载二级荷载1二级荷载2三级荷载一级荷载二级荷载1二级荷载2三级荷载试验加载挠度值W1（mm）1668176624451234Midas加载挠度值W2（mm）1.41111.96912.0048.8030.61410.7849.3436.1611.2118.3408.3595.1580.1186.8986.0232.841由表7可知，两种结构模型在两种荷载工况作用下，试验加载与软件模拟加载挠度值W1与W2，在一、三级荷载作用下，相差不大；而在二级荷载两种工况作用下，试验加载挠度值W1到软件模拟挠度值W2，增幅较大，工况一中模型增幅最大约为100%，工况二中模型增幅最大约为240%。综上，在两种荷载工况作用下两种结构模型在一级荷载作用时，试验加载与Midas加载跨中挠度W大小相当，这是由于在一级荷载作用时每个加载点上都有砝码，受荷相对均匀。三级荷载Midas加载也与试验加载结果相符；结构在二级荷载1和二级荷载2作用时两种模型试验加载结果均小于Midas加载结果，这说明二级荷载下实际模型的力学性能远强于数值模拟，这是由于Midas分析只是解决了线性问题，而实际情况更为复杂不仅存在着线性问题。5 结论相同荷载情况下，桁架结构的力学性能优于鱼腹式结构，且桁架结构模型质量明显小于鱼腹式结构模型，但对于悬臂端荷载较大的情况下，桁架结构悬臂端需做加强处理。通过试验模拟与数值模拟发现，由于模型a轴支座距离荷载相对较远，因此受力时变形较小。对于该端支座杆件使用数量可以适当减少，来降低整体自重。试验加载与Midas有限元分析存在一定差异，实际模型在强度、刚度及稳定性方面都呈现出相对理想的结果，通过有限元分析可快速找出模型薄弱部位，且通过放大可将破坏形式展现出来，以便在模型制作时可针对薄弱部位进行优化。-91第 42 卷第 2 期保山学院学报2023 年 4 月参考文献：1 徐荫.在结构模型大赛中锤炼大学生的综合能力J.山西建筑，2010，36（26）：184-185.2 付旭，封焱杰，王大光，等.大跨度空间网壳竹质结构模型设计与制作J.科技创新与应用，2021（06）：38-41+45.3 李斌川.Midas Civil在地铁施工中的应用J.建筑技术开发，2021（09）：95-96.4 杨俊，王霜.常见桥型的结构分析与比较J.淮阴工学院学报，2009（01）：71-73.Optimization Design and Mechanical Deformation CharacteristicsAnalysis of Bamboo Bridge StructureWANG Huan,JIANG Yu,ZHOU Guiyun,DONG Zhikai(School of Engineering and Technology,Baoshan University,Baoshan Yunnan 678000,China)Abstract:Taking the“Design and Fabrication of Bridge Structures with Variable Parameters”of the14th National Structural design competition as an example,this paper expounds the design,selectionand fabrication of structural models,model loading,and the use of Midas finite element analysis model.Experimental loading and digital simulation comparison analysis were conducted on the fish belliedtruss structure model and the truss structure model.Compared to the fish bellied structure,the trussstructure has a simple manufacturing process and can be completed in a relatively short time.Under thesame load conditions,the mechanical performance of the truss structure is superior to that of the fishbellied structure,and the mass of the truss structure model is significantly smaller than that of the fishbellied structure model because of its small self weight and material saving.Key words:Structural model optimization design;Midas finite element analysis;Model loading;Fishbellied structure;Truss structure-92