1.一种大跨度钢管混凝土拱桥拱肋稳定性的测试与判别方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)根据大跨度钢管混凝土拱桥拱肋的设计图纸和施工资料,将大跨度钢管混凝土拱桥拱肋中m根钢管分别编号为Ri,Ri表示拱肋中第i根钢管;将所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋按等距或不等距划分为n个测试截面,所述n个测试截面分别编号为Sj,Sj表示第j个测试截面;将所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋中每根钢管Ri对应每个测试截面Sj的位置设为监控位移测点,或者拱肋腹杆与拱肋弦杆的连接处作为监控位移测点;所述每个监控位移测点编号为Mi,j,Mi,j表示第i根钢管的第j个测试截面对应的监控位移测点;
(2)根据所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋的设计图纸和施工资料,通过有限元软件建立大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型;根据所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋的成桥荷载试验,再通过有限元模型修正方法对所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型进行模型修正,获得修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型;
所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型分别获取与所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋中一一对应的钢管编号Ri、测试截面编号Sj和监控位移测点编号Mi,j;
(3)对所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型进行几何非线性和材料非线性的双重非线性稳定分析,确定自重荷载工况作用下的失稳模态,在有限元软件计算提取所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况作用下失稳模态曲线中每个监控位移测点Mi,j三个方向的理论坐标值x、y和z,计算出所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的理论初始曲率对所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型进行几何非线性和材料非线性的双重非线性稳定分析,确定指定研究荷载工况作用下的失稳模态,在有限元软件计算提取指定研究荷载工况作用下对应失稳模态曲线中每个监控位移测点Mi,j三个方向的理论坐标值x、y和z;再根据非线性稳定分析结果中指定研究荷载工况作用下对应所述失稳模态曲线中每个监控位移测点Mi,j的理论坐标值x、y和z,计算出所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在指定研究荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的理论曲率(4)获取所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j三个方向的实测坐标值x、y和z,计算出所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的实测初始曲率获取所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在指定研究荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j三个方向的实测坐标值x、y和z,计算出所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在指定研究荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的实测曲率(5)根据步骤(3)计算出所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型中每个监控位移测点Mi,j的理论曲率差 其计算公式为:根据步骤(4)计算出所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋中每个监控位移测点Mi,j的实测曲率差 其计算公式为:(6)根据步骤(5)所得的理论曲率差 和实测曲率差 判断拱肋的失稳状
态,具体判断方法如下:
当 则拱肋处于非线性稳定状态;
当 则拱肋处于非线性失稳状态;
当 则拱肋处于非线性稳定临界状态。
2.根据权利要求1所述一种大跨度钢管混凝土拱桥拱肋稳定性的测试与判别方法,其特征在于,在所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋中每个监控位移测点Mi,j设置位移传感器,所述位移传感器用于分别采集所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j三个方向的实测坐标值和所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在指定研究荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j三个方向的实测坐标值;
在所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型设置对应的每个监控位移测点Mi,j,分别用于有限元软件计算提取拱肋失稳模态曲线中在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j三个方向的理论坐标值和在指定研究工况作用下每个监控位移测点Mi,j三个方向的理论坐标值。
3.根据权利要求1所述一种大跨度钢管混凝土拱桥拱肋稳定性的测试与判别方法,其特征在于,步骤(3)中所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的理论初始曲率 的计算公式为:式①中, 表示所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况下每个监控位移测点Mi,j的理论初始曲率, 和 分别表示所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况下每个监控位移测点Mi,j拱肋轴线方程的1阶导数和2阶导数;
所述1阶导数 的计算公式为:
所述2阶导数 的计算公式为:
式②和式③中, 表示所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况下每个监控位移测点Mi,j在x方向的理论坐标值; 表示所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况下每个监控位移测点Mij在y方向的理论坐标值; 分别为所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在自重荷载工况下每个监控位移测点Mi,j在z方向的理论坐标值;
式②各分量的方程按式④~式⑥求解:
式③中各分量的方程按式⑦~式⑨求解:
式④至式⑨中, 表示第i根钢管中第j-1个测试截面对应监控位移测点与第j个测试截面对应监控位移测点之间的距离; 表示第i根钢管中第j个测试截面对应监控位移测点与第j+1个测试截面对应监控位移测点之间的距离;
同理,参照计算公式①至⑨,分别计算出步骤(3)和步骤(4)所述修正后的大跨度钢管混凝土拱桥拱肋三维有限元模型在指定研究荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的理论曲率 所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在自重荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的实测初始曲率 和所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋在指定研究荷载工况作用下每个监控位移测点Mi,j的实测曲率
4.根据权利要求1至3任意一项所述一种大跨度钢管混凝土拱桥拱肋稳定性的测试与判别方法,其特征在于,所述大跨度钢管混凝土拱桥拱肋为单圆管拱肋、哑铃形拱肋或桁式拱肋。
5.根据权利要求1所述一种大跨度钢管混凝土拱桥拱肋稳定性的测试与判别方法,其特征在于,步骤(2)和步骤(3)中,所述有限元软件为ANSYS有限元软件或Abaqus有限元软件或Midas Civil有限元软件或桥梁博士有限元软件。
6.根据权利要求1所述一种大跨度钢管混凝土拱桥拱肋稳定性的测试与判别方法,其特征在于,步骤(2)中,所述有限元模型修正方法为基于灵敏度分析的结构有限元模型修正方法或基于频响函数的结构有限元模型修正方法或基于神经网络的非线性结构有限元模型修正方法或基于遗传算法的有限元模型修正方法。