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你遇到过桥梁结构常规计算中的困惑吗?

1、常规计算的涵义及计算软件(桥梁防撞

在一座桥梁的设计中,必须进行一系列的计算分析,这些计算分析可以(不太严谨地)分为常规计算和特殊计算两大类,前者指多数情况下都需要的计算,比如结构在自重、车辆、行人、温度、混凝土收缩和徐变、支座沉降、预加力、施工荷载等作用下的内力和位移计算。后者即特殊计算是指对某些不常遇到的问题进行的特殊计算分析,比如大跨度柔性结构的抗风计算、高烈度地震区的抗震专项计算(非常规计算)、钢结构的疲劳计算、动力效应明显的桥梁的车桥耦合计算、复杂构造局部应力分析等等。(怎样选择防船撞桥梁防撞设施

目前用于桥梁设计常规计算的软件较多,例如国产软件有西南交大的BSAS、ASCB和NLABS、交通部科学研究院的GQJS、同豪土木的桥梁博士等等,国外软件有Midas/Civil、TDV等等。此外,还有很多通用有限元软件可以用于桥梁计算,如ANSYS、ABQUS、LUSAS等。

2、常规计算方法和软件都非常成熟了吗?(桥梁防撞设施

既然是常规的设计计算,又有这么多计算软件,是不是说其计算方法已经非常成熟了呢?对同一问题,每种计算软件是否计算结果都一样呢?很多人认为答案当然是肯定的,但很遗憾,实际情况并非如此。 用不同的软件计算同一个桥梁结构,在正确使用的前提下得到的结果也会有差别,这种差别有时候还不小。虽然也不排除个别软件存在问题,但一般说来,不是软件本身的错误,而是不同的软件采用了不同的计算方法所致。也就是说,即使是常规的计算分析,计算方法也并不完全成熟。对于诸如自重效应、临时荷载效应、车辆和人群活载效应、温度效应等的计算方法,应该说已经非常成熟,不同软件的计算结果也基本一致。但对于诸如混凝土收缩和徐变效应、预应力损失、非线性效应等,并无公认的成熟计算方法。(安装桥梁防撞装置,为桥梁和船舶保驾护航

有人可能会说温度效应计算也不准确,是否也不成熟?的确,温度效应计算的不准确是目前桥梁结构计算分析中最主要的问题之一。但这不是因为温度效应计算方法本身不成熟,而是因为无法准确获得结构内部的温度场,或者说是温度场计算方法或测试方法不成熟。

3、混凝土徐变效应(固定式复合材料桥梁防撞设施

混凝土徐变与结构弹性变形和时间都有关,并且一般说来徐变变形跟弹性变形之间是非线性关系,但目前非线性徐变理论还处于探索阶段,尚不能应用于工程计算,工程上还都采用线性徐变理论。本文不涉及非线性徐变理论。

徐变效应的计算涉及两方面内容,一是徐变系数的计算方法,二是时变应变情况下徐变效应的计算方法。

关于徐变系数的计算,桥梁设计规范中都采用计算公式配合图表的方式。例如在我国公路桥梁设计规范中,1985版规范采用国际预应力混凝土协会FIP于1978年提出的公式和图表,现行的2004版规范采用FIP于1990年提出的公式和图表,刚刚颁布的新的公路桥梁设计规范(JTG3362-2018)中,仍采用FIP-1990公式和图表,但增加了温度修正和添加剂修正。我国铁路桥梁设计规范中,1985版规范没有关于徐变系数计算的条文,1999、2005及2017版本规范在有关计算徐变次内力的附录中给出了计算方法,采用FIP-1978公式和图表。将这些公式和图表用于计算软件时,必须对其中的图表采用数学表达式进行拟合,不同的软件的拟合方程精度也不尽相同。(桥梁防撞设施的主要材料

关于时变应变情况下徐变效应的计算方法,这在不同的软件中会有比较大的差别。桥梁结构在施工过程中,结构内的弹性应变是随时间变化的函数,而徐变变形在弹性变形为常量的情况下就与时间相关,当弹性变形也是时间函数时,如何计算这种双重时变的效应?不同的软件会采用不同方法,因此结算结果也会不同,有时差别还不小。

除了上述的计算方法之外,目前至少有十几种以上关于混凝土徐变和收缩效应的计算方法,各种方法计算结果都会存在差别,所有这些方法包括上述规范方法,没有哪一种方法被公认为比其他方法更准确。

单个桥墩安装完固定式复合材料桥梁防撞设施的效果图

4、混凝土收缩效应(固定式钢覆复合材料桥梁防撞设施

混凝土收缩也是跟时间相关的影响因素,一般与徐变计算相提并论,并且一起给出计算方法。比如FIP就同时给出收缩和徐变的计算公式,我国公路桥梁设计规范也同时引用这些公式用来计算收缩效应。但我国铁路桥梁设计规范没有给出收缩应变计算方法,因而不同的计算软件可能采用了不同的计算方法,导致计算结果的不同。(胜特复合材料桥梁防撞设施有什么优点

同样,到目前为止没有任何一种计算收缩时变效应的方法被公认为更好的方法,计算结果都跟试验值有差距。

5、混凝土徐变效应与其他效应的交互影响(自浮式复合材料桥梁防撞设施

由于混凝土徐变的时变特性,它会与其他时变效应产生相互的影响。比如在超静定混凝土结构中,混凝土收缩引起次内力(即内力重分布。关于次内力,可见本系列文章的“说桥6”和“说桥7”),从而改变了结构的应力和应变,这反过来又会影响结构的徐变效应。同样,结构的徐变效应也会影响结构收缩次内力,即它会释放一部分收缩次内力,从而构成相互影响。桥梁地基基础随时间推移会发生不均匀沉降,因而引起结构的次内力。而混凝土的徐变效应同样受这种次内力的影响,同时徐变也会释放一部分沉降次内力,产生交互影响。

关于这种交互影响的计算,一些软件并没有考虑,并且由于各因素本身的计算就存在不确定性,因此交互影响计算也同样存在偏差。

自浮式复合材料桥梁防撞设施已经安装在南海明珠大桥上

6、预应力损失计算(自浮式钢覆复合材料桥梁防撞设施

表面上看,预应力钢筋应力损失计算似乎是很成熟了,但从前面的分析很容易推论出,混凝土收缩、徐变以及应力松弛引起的跟时间相关的预应力损失计算仍然是不成熟的和近似的,并且它们之间也会有交互的影响。不仅如此,由于预应力损失的时变性,预应力初效应和次效应都会具有时变特性,因而亦会跟结构的收缩徐变效应产生交互影响。这种交互影响的计算方法仍然是不成熟的。

7、计算精度问题(胜特桥梁防撞设施详细分析

本来很简单的常规设计计算问题,经上面那么一说,变得不那么常规了,而且存在不算很小的误差。那么,目前这些计算误差到底有多大呢?这是个较难回答的问题。首先,我们能够知道的误差都是相对的,绝对精确的值永远也无法知道。一般是把计算值跟试验值进行比较,判断计算的误差有多大。作过试验的人都知道,对于混凝土结构,即使是测试已知荷载作用下、结构处于弹性状态时的荷载效应,计算值与实测值之间的误差也会达到正负5%~20%左右。如果比较混凝土收缩、徐变效应,则这种误差会更大。(桥梁防撞设施的种类

所以,千万不要认为常规计算非常精确,也千万不要把规范各种限值用到极致,因为你不知道你的计算误差有多大。尽管现在设计规范制定时,也考虑了计算误差的随机性,但不代表考虑了所有的误差,留有余地是必要的。

此外,有些规范里面的限值规定并不一定合理,比如对于徐变变形限值以毫米级精度要求,这在实际工程中根本做不到,只能是纸面上的一个数据,而且用这个软件计算合格了,换一个软件计算又不合格了,再换一个软件可能差距更大。 

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