钢管混凝土拱桥加固有限元模型修正及拱肋极限承载力评估

• 作 者: 郑威
• 出 处: 武汉理工大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: 钢管混凝土拱桥 混合优化算法 有限元模型修正 极限承载力

由于钢管混凝土拱桥结构受力优、经济效益高,造型优美,因此在中国被大量采用,其建造技术也一直保持领先。但桥梁不可避免的受到材料的老化、环境侵蚀以及各种人为因素影响,导致其出现不同部位不同程度的损伤。通过桥面系置换法对老旧大跨度拱桥进行加固是一种新兴的加固方法,但短期内不断的加载卸载过程对钢管混凝土拱肋造成的影响还没有系统的研究成果,通过荷载试验和无损检测对结构承载能力进行评估也有其局限性。因此,本文采用改进的混合优化算法对拱桥进行有限元模型修正,基于修正模型对加固后拱肋的极限承载力进行了评估。论文的主要研究内容如下:(1)针对粒子群和差分进化算法易陷入局部最优,后期收敛速度慢等问题,提出了粒子群和差分进化混合算法(PSO-DE)。通过Ackley峰函数测试算法性能,结果表明改进的PSO-DE算法收敛性能优越,全局寻优能力强。(2)为验证本文提出的模型修正方法的可行性和优越性,分别采用PSO-DE算法、ANSYS内置一阶优化算法对单拱肋有限元模型进行修正,并对修正结果进行对比分析。结果表明,基于PSO-DE的模型修正方法稳定性好,并且具有较高的精度。此外还编写了MATLAB自动循环调用ANSYS响应结果并计算粒子适应度值的语句,解决了数据交互较慢的问题,提高了模型修正的效率。(3)通过ANSYS软件建立拱桥初始有限元模型,对设计参数进行了灵敏度分析,以六景郁江特大桥加固改造工程的静力响应为依据,采用PSO-DE算法对结构有限元模型进行修正。为验证修正后模型的静力性能,对新桥荷载试验实测值、Midas模型计算值、修正后模型计算值进行对比分析。结果表明,修正后的模型计算精度较高,能够反映桥梁实际的静力性能,可以为本桥的安全评估、健康监测提供理论指导。(4)基于修正后的有限元模型,对钢管混凝土拱肋采用材料非线性的分析方法,将桥梁设计规范中的荷载组合作为标准荷载形式,对拱肋L/2以及L/4截面进行逐级加载。最后根据计算结果对采用桥面系置换加固法的钢管混凝土拱肋极限承载力进行评估。