桥梁结构的精细计算及软件开发研究

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随着我国桥梁建设处于高速发展时期,在桥梁的设计、施工和科研工作中,采用软件进行结构分析已经成为当今的主流,国内外结构分析通用程序和桥梁分析专用程序的不断推出,如国内的桥梁博士、西南交大BSAS、大桥院的SCDS,国外的韩国MIDAS、美国Bently公司TDV。这意味着对桥梁设计和桥梁技术相关人员提出了更高的要求。作为一名结构工程师,倘若对程序内部的分析理论、编程原理缺乏了解,缺少特殊结构的处理分析方法的知识,则在分析多变的桥梁结构时,或者在进行特殊的分析时,就会显的手足无措,并且对结果的正误判断也会带来困难。本文做的主要工作如下:1)针对于徐变的计算,主要研究了混凝土徐变的计算思路及方法,并通过了不同的理论方法进行对比定性分析,根据实际例子来观察不同结果并与商业软件对照。对徐变系数(或者徐变度)的计算采用了二种方式拟合,线性与非线性。在实际应用过程中,往往是采用线性拟合,这是因为在计算徐变的影响时,徐变系数是要被反复拟合,线性拟合速度快,效果良好,而非线性拟合耗时多,还容易导致不收敛。因此商业软件基本上都是采用线性拟合。本文对04规范的徐变系数进行了指数级数拟合,验证本文方法的正确性。针对于徐变的计算,提供了二种计算方法,都是从不同角度基于线性的方法。本章并没有提供非线性的方法,在实际商业软件的计算也是局限在线性范围内。用例子对这二种线性计算方法的结果与MIDAS的结果进行了对比,计算的值相差并不是特别大。2)本文研究了如何在弹性梁基础上,利用伽辽金方法,建立求解梁截面应力在网格划分的节点处的应力值,这样可以得到截面精确的应力分析,并且还可以进一步利用一个渲染工具,这样就可以渲染出整个截面的应力云图。该方法相比采用实体单元分析而言,优点在于不需要把梁划分成实体单元,只需要把我们关心的截面进行平面网分,这意味着,将占用相对很少的内存空间,形成总刚的阶数也无疑也小很多,计算速度也会有明显改善。本章还通过实例与ANSYS的实体单元结果对比,得到比较满意的答案,说明本章的方法是可靠的。本章讨论梁的三个常见问题:1)自由扭转2)横向剪切3)约束扭转,但是在处理方法上还是一致的。3)本文在软件框架设计研究了有限元核心类的设计方案,也介绍了一些作为前后处理必须的常见的图形显示技术(ACIS, Parasolid,Opencascade),还提出框架消息通讯机制,这些技术都可作为开发人员的参考。从FORTRAN的角度,研究了如何采用命令语言,设计出一个通用性的有限元求解器,并具体良好的扩展性能。在设计通用求解器上,针对于一些特殊的工程问题,如:倾斜支座、刚臂单元、铰接梁、梁的截面特性值的通用计算方法、预应力的处理等,都进行了从理论上的推导分析,并且进行了实例上的验证。
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