橋梁為什么會發(fā)抖？
admin888
懸索橋以高強度懸索為主要承重構(gòu)件，具有跨越能力大、受力合理、造價經(jīng)濟的特點。但因其跨度一般較大，結(jié)構(gòu)偏柔，對風(fēng)的作用更加敏感，風(fēng)荷載在設(shè)計中往往起控制作用。歷史上最著名的懸索橋因風(fēng)振而破壞的案例要數(shù)塔科馬海峽大橋了。該橋1940年7月通車四個月后，就在18m/s的風(fēng)速下扭曲振動而破壞。后續(xù)的調(diào)查分析顯示，卡門渦街是造成這次事故的根本原因。
流體繞過物體時，在物體尾流左右兩側(cè)產(chǎn)生的成對的、交替排列的、旋轉(zhuǎn)方向相反的反對稱渦旋，因著名力學(xué)家馮?卡門而得名卡門渦街�？諝饬鬟^煙囪、高層建筑時，都會產(chǎn)生卡門渦街。本次事故也引發(fā)了人們對橋梁、建筑等風(fēng)致振動問題的廣泛研究。
圖1：卡門渦街
橋梁、建筑等結(jié)構(gòu)的風(fēng)振分析非常重要，達索系統(tǒng)SIMULIA的XFlow和Abaqus在這類流體和結(jié)構(gòu)仿真方面都有很多應(yīng)用。
XFlow采用格子玻爾茲曼算法，結(jié)合大渦模擬，高保真的預(yù)測瞬態(tài)流動。技術(shù)優(yōu)勢在于前處理不需要對流體域進行網(wǎng)格劃分，同時表面復(fù)雜的幾何不再是限制因素，只需設(shè)置網(wǎng)格尺寸，全六面體格子可保證網(wǎng)格質(zhì)量，節(jié)省大量前處理時間。XFlow模擬真實的的幾何運動，獨特的自適應(yīng)網(wǎng)格細化算法能方便的處理運動幾何體壁面附近、尾渦，交界面等壓力梯度較大的區(qū)域。
橋梁的最終破壞往往是因為結(jié)構(gòu)振幅過大。Abaqus提供線性、非線性多種算法可以計算橋梁的動力學(xué)響應(yīng)：
另外，XFlow和Abaqus擁有良好的接口，可以進行聯(lián)合仿真：XFlow計算流場，將渦流載荷傳遞給Abaqus，Abaqus計算得到橋梁在風(fēng)振下的結(jié)構(gòu)變形，隨后返回給XFlow，如此循環(huán)……流場無需網(wǎng)格劃分，流固耦合計算具有得天獨厚的優(yōu)勢。通過這樣實時的數(shù)據(jù)交互，使真實再現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的破壞過程成為可能。
懸索橋是目前跨度最大的橋梁結(jié)構(gòu)形式，跨度從幾百米到上千米。懸索橋跨度的大幅度增加帶來的主要問題是結(jié)構(gòu)剛度的顯著下降，這使得風(fēng)致振動成為結(jié)構(gòu)安全性的主要因素，其中橋梁顫振穩(wěn)定性是影響風(fēng)振性能的關(guān)鍵因素。
圖2：日本明石海峽大橋
日本明石海峽大橋是世界上最大跨徑的懸索橋，主跨度1991m，風(fēng)致穩(wěn)定性分析非常重要，分析涉及高度非線性。Abaqus被用來進行該橋的側(cè)向扭振屈曲分析。（該分析來源于SIMULIA全球年會論文，由橫濱國立大學(xué)Ishihara等人完成）
分析中索塔采用B31H單元，主索和吊索采用T3D2H單元。計算共有兩個分析步，第一分析步為自重加載，第二分析步為風(fēng)荷載。風(fēng)荷載數(shù)值隨橋面的扭轉(zhuǎn)而變化，數(shù)值關(guān)系由風(fēng)洞試驗確定。
圖3：日本明石海峽大橋有限元模型
采用Abaqus/Standard求解，風(fēng)荷載作用下的橋面轉(zhuǎn)角隨風(fēng)速變化曲線如下圖所示，橋面扭轉(zhuǎn)角并沒有隨風(fēng)速增加而出現(xiàn)突然增加，表明該橋未發(fā)生側(cè)向扭轉(zhuǎn)屈曲。
圖4：橋面扭轉(zhuǎn)角結(jié)果
大跨度橋梁的風(fēng)振不僅影響行車的舒適性，甚至?xí)l(fā)整個橋梁的破壞，數(shù)值仿真是研究此類問題的重要手段。在達索系統(tǒng)3DEXPERIENCE體驗平臺上，不僅在橋梁仿真領(lǐng)域，借助SIMULIA能夠涵蓋從成橋狀態(tài)、各類靜動力特性、車橋耦合振動、穩(wěn)定性等整體分析，到局部細節(jié)模型計算；而且在三維設(shè)計階段，借助CATIA能夠完成特大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)橋梁和常規(guī)橋梁在不同設(shè)計階段、不同LOD等級和精細程度的三維模型設(shè)計，設(shè)計數(shù)據(jù)在平臺內(nèi)無損傳遞，實現(xiàn)CAD模型數(shù)據(jù)與CAE仿真分析一體化。
圖5：CATIA參數(shù)化三維設(shè)計
圖6：臺灣淡江大橋
圖7：三維模型CAD to 仿真分析CAE
達索系統(tǒng)SIMULIA Abaqus是一款功能強大的工程仿真模擬軟件，其計算專長覆蓋從簡單的線性分析到復(fù)雜的非線性問題。與此同時，Abaqus擁有豐富的單元庫和材料模型庫，可以模擬典型工程材料在特殊工況下的材料性能，如鋼材抗疲勞能力、混凝土受壓能力、建筑物抗震性能等。作為通用仿真分析軟件，Abaqus除了解決大量結(jié)構(gòu)應(yīng)力/應(yīng)變問題，還可以應(yīng)用于解決其他工程領(lǐng)域問題，如熱力耦合分析、聲場分析、邊坡穩(wěn)定性分析、儲液罐罐壁變形分析等。
SIMULIA Abaqus 2022x最新版本，其中最新變化面向基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)用戶覆蓋6大專題、31條重要功能增強。
Abaqus R2022x主要特點
1.Abaqus/CAE的功能增強
主要體現(xiàn)在網(wǎng)格&幾何、Query查詢、建模、材質(zhì)、接觸及其屬性、作業(yè)與優(yōu)化、窗口可視化等方面。
2.Abaqus非線性力學(xué)的功能增強
在2022x版中覆蓋變化較多，包括全剛度耦合的通用截面Beam單元、Connector塑性、伴隨設(shè)計靈敏性、多工況分析中溫度加載、斷裂與疲勞等功能增強。
3.線性分析的功能增強
其中，線性動力學(xué)的功能增強體現(xiàn)在模態(tài)分析中增加了Connector單元的輸出，提高了響應(yīng)譜分析性能，并加強了隨機響應(yīng)分析；線性方程及迭代求解器的功能增強體現(xiàn)在使用AWS解決大規(guī)模的特征問題，并實現(xiàn)AWS特征求解器的GPU加速和迭代求解器的功能增強。
4.子結(jié)構(gòu)的功能增強
這個版本對子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫功能進行了重大的重新設(shè)計；此外，使用直接穩(wěn)態(tài)動力學(xué)分析和子結(jié)構(gòu)生成分析的組合定義基于頻率的子結(jié)構(gòu)。
5.接觸和約束的功能增強
Abaqus/ Standard和Abaqus/ Explicit中的部分功能解決了之前版本的穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性和易用性問題。同時，引用了一些新的方法以提升仿真性能。
6.Abaqus/Explicit的技術(shù)和性能功能增強
主要涉及Co-simulation和Hybrid Message Parallelism (HMP)并行功能增強。
CATIA是全球出色的產(chǎn)品設(shè)計與體驗解決方案。過去幾十年中，達索系統(tǒng)旗下品牌產(chǎn)品CATIA被各個行業(yè)廣泛采用，覆蓋了我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妫w機、汽車、船舶、建筑乃至飲料瓶等。在基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)，伴隨“數(shù)字孿生”概念的興起，三維協(xié)同設(shè)計、參數(shù)化建模的呼聲越來越高，新技術(shù)、新范式也逐步改變了項目所有利益相關(guān)方看待“模型”的思維。人們開始希望實現(xiàn)從傳統(tǒng)二維圖檔交付到全三維數(shù)據(jù)交付的轉(zhuǎn)變。
CATIA 2022x最新版本，其中最新變化面向基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)用戶主要涉及地形設(shè)計、線路設(shè)計、鋼筋設(shè)計、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)字城市、數(shù)據(jù)接口等方面。
CATIAR2022x主要特點
2.1設(shè)置坐標(biāo)系
在設(shè)置坐標(biāo)系時，可以借助助手調(diào)整坐標(biāo)系；同時，支持創(chuàng)建復(fù)合地理坐標(biāo)系，并調(diào)整平面和高程的坐標(biāo)參數(shù)；此外，可以通過查看器查詢相應(yīng)坐標(biāo)系參數(shù)。
2.2地形設(shè)計
圍繞著大點云數(shù)據(jù)的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計增強，各專業(yè)可以依據(jù)線路為總體，在大點云數(shù)據(jù)中提取沿線各自設(shè)計的地形范圍，將該范圍地形自動提取轉(zhuǎn)換為可以進行運算的三維地形面；
地形與既有構(gòu)筑物（如建筑物、地形、涵洞等），可以根據(jù)設(shè)計需要，以相交或輪廓的形式，直觀展現(xiàn)在縱斷面中；
支持多種圖片格式。同時，用戶可以設(shè)置圖片顯示的質(zhì)量，選擇是否加載貼圖，增強地形貼圖顯示精度。
2.3路線設(shè)計
支持多視窗聯(lián)動模式，包括平面設(shè)計和縱斷面設(shè)計；
對于基本線元里程碑，支持多種緩和曲線線型，包括回旋線、三次拋物線、余弦線、正弦線、Bloss型；
對于交點法設(shè)計里程碑，支持更多的平曲線組合形式，包括S型、卵型、回頭曲線、交點拆分/合并；而在縱斷面組合形式，也支持了基本型；
根據(jù)用戶需要，自定義線路關(guān)鍵信息的顯示，更加貼合專業(yè)需求的顯示關(guān)鍵設(shè)計信息；
支持全線交互漫游，在線路或整個項目完成之后，可以一鍵進行交互漫游，實時切換不同視角、切換不同車道、調(diào)整車輛速度，同時還可對停車視距等相關(guān)線路指標(biāo)進行動態(tài)檢查。
2.4道路設(shè)計
全新專業(yè)的橫斷面設(shè)計創(chuàng)建工具，更加便捷的設(shè)計橫斷面各個構(gòu)件（邊坡、路基層、排水結(jié)構(gòu)），用戶可針對項目場景，按構(gòu)件組裝裝配整體橫斷面模板，并且為每個構(gòu)件單獨設(shè)置觸發(fā)規(guī)則，比如：填方時，設(shè)置排水溝以及硬路肩石。
新的橫斷面模板將作為專門的特征在結(jié)構(gòu)樹上進行組織與管理，用戶可直接在結(jié)構(gòu)樹上調(diào)取進行三維路基的實例化使用。
支持多個道路連接合并，如僅路基層合并和僅土方合并。
2.5全新的土木結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計APP
針對結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計（鋼筋、鋼結(jié)構(gòu)），為土木工程師以及建筑設(shè)計工程師角色，設(shè)計了新的APP，即Civil Structures Engineering。后續(xù)會將傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊SDD、鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計模塊SCD、緊固件設(shè)計模塊FST以及鋼筋設(shè)計模塊統(tǒng)一納入。
2.6建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計
主要體現(xiàn)在了型材庫的創(chuàng)建，以及BDS到SDD轉(zhuǎn)換。
2.7鋼筋設(shè)計
全新設(shè)計的鋼筋用戶界面，更加貼近用戶的設(shè)計體驗。新增了平行鋼筋的創(chuàng)建，支持任意截面切分鋼筋，以及鋼筋的交錯搭接。支持封裝針對構(gòu)件（如：橋墩、樁基等）的鋼筋模板，并且箍筋隨主筋變化而更新。
同時，鋼筋彎折標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)嵌至平臺，為設(shè)計至施工的銜接奠定基礎(chǔ)。
2.8橋梁助手
在新版本中支持三維布跨輸入跨徑組合、參數(shù)Excel表驅(qū)動孔跨布置、參數(shù)Excel表驅(qū)動橋梁參數(shù)、孔位標(biāo)記和缺乏輸入提醒。
2.9通用基礎(chǔ)功能
在標(biāo)志標(biāo)牌設(shè)計中，參數(shù)化文字、標(biāo)志設(shè)計功能得到了增強；
支持Excel表格關(guān)聯(lián)創(chuàng)建軸系陣列，數(shù)據(jù)驅(qū)動軸系位置的變化�？梢酝ㄟ^坐標(biāo)點、樁號點、任意點等方式創(chuàng)建表格，表格內(nèi)容可再次編輯，三維數(shù)據(jù)同步更新。
2.10數(shù)字城市
支持CATIA與3DEXPERIENCity平臺的數(shù)據(jù)銜接。
2.11數(shù)據(jù)接口
支持多種數(shù)據(jù)傳遞（如LandXML）以及IFC屬性（如IFC Rail、IFC Rebars、IFC for Design）的擴展。