研究新的欧洲规范对临界屈曲分析的影响

  • 研究欧洲规范的改变对桥梁设计的影响

  • 对于临界屈曲分析,一阶和二阶效应的对比

  • 获得了更大的荷载系数- 特别对于非线性分析

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英国最大的工程咨询公司(Atkins),一直在研究新的欧洲规范对英国桥梁设计的影响。作为研究的一部分,在LUSAS桥梁中创建有限元试验模型,以评估新规范的某些性能。从分析中可以看出,对具有横向加劲的钢梁结构,使用新的欧洲规范进行线性和非线性临界屈曲分析,将有更大的好处。


概述

在英国采用欧洲规范进行桥梁设计时,需要工程师们更多的使用第一准则,因为和BS5400规范相比,欧洲规范中给出的规则和公式更少。实际上,新的欧洲规范已经从基于公式设计改为基于分析设计。在很多情况下,这将导致采用更多地有限元分析,来模拟各种结构类型。


一阶或二阶?

在新的欧洲规范中,默认的分析是二阶的(非线性),考虑p-delta效应。但是以前使用BS5400进行一阶(线弹性)分析的大多数情况,采用新的欧洲规范的一阶分析也可以被使用。然而,当具有非线性能力的有限元软件,被用于研究二阶效应时,无论是新设计的经济上还是现有结构的评估上,采用欧洲规范设计都将有更大的好处


评估欧洲规范

Atkins为公路工程处以及其他进行混凝土和钢混组合桥梁设计的客户,进行了试验计算。这些试验表明,当基本的应用规范被使用时,欧洲规范通常在设计经费上有少量的增加。Atkins的桥梁设计和技术负责人Chris Hendy说:“对于钢筋混凝土结构,弯曲和剪切加固具有一个系统节能,但是对于预应力结构,这种差别通常很小。对于钢筋设计,使用欧洲规范将在经济上更有好处。最近的测试以及一些非线性参数的研究,将给我们更大的信心。如果使用软件(例如LUSAS)进行非线性分析,则经济上将有更大的改进。”


横向加劲构件的研究

具有中心荷载的板梁模型,是Atkins研究欧洲规范对横向加劲梁构件抗剪影响的模型之一。模型根据EN1993-1-5的要求被创建,并模拟了在二十世纪八十年代进行测试所使用的实际测试样本的几何特征。Chris Hendy说:“LUSAS的非线性模型,不但给出了与实际测试样本相同的结果,而且显示了对于加劲梁,EN1993-1-5是偏保守的,而BS5400 Party 3的预测甚至更保守。”


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板梁剪切的非线性模型

 

临界屈曲模型

在另一个研究中,Atkins使用LUSAS桥梁来模拟在混凝土浇铸时的一对钢梁。在此种情况下,新的欧洲规范没有用公式给出临界弯曲弯矩。在LUSAS中,用厚壳单元模拟板梁,用梁单元模拟支承构件。一跨用湿混凝土加载,这样侧向扭转屈曲将受梁的限制。从特征值屈曲分析中,临界屈曲弯矩在第二十个模态发生,但是荷载系数将比BS5400规范预计的大50%


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一对被支承的梁的弹性临界屈曲分析(第20阶振型)


 

非线性分析

对上面那对梁进行非线性分析,材料采用欧洲规范推荐的材料,所获得的结果更加满意。坍塌变形与在弹性屈曲分析中的结果相似,但是使用非线性分析后,抗力被大大地增加了,见结果表格中。抗力的增大可能归因于下面的一些系数:扭转区域的部分软化;对于这个屈曲模态的保守屈曲曲线;以及该跨到支承的弯矩重分配。


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一对被支承的梁的非线性分析

U型框架的研究

Atkins也解释了U型框架桥梁的侧向扭转屈曲。使用EN1993-2规范的6.3.4.2条和EN1993-1-1规范的屈曲曲线,计算出MbRk 为54358 kNm,但是使用LUSAS进行非线性,计算的MbRk 值增大到72340 kNm。这可能由几个原因引起:沿着梁的弯矩变化的影响;扭转区域的部分软化;以及允许的应变强化法兰应力比屈服值增加7%。

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U型框架的非线性分析显示了最终极限坍塌变形状态

 

总结

使用新的欧洲规范进行弹性临界屈曲分析,比使用BS5400的第三部分更有效。当进行线性屈曲分析时,使用新的欧洲规范获得的结果通常更有利。但是使用具有非线性分析能力的软件(例如LUSAS),考虑二阶效应时,得到的结果将更加经济。


"LUSAS的非线性模型,不但给出了与实际测试样本相同的结果,而且显示了对于加劲梁,EN1993-1-5是偏保守的,而

BS5400 Party 3的预测甚至更保守".

Chris Hendy, Head of Bridge Design and Technology, Atkins

 

参考: 欧洲规范 / BS 5400对比


        欧洲规范部分

对应的BS5400部分

  • EN 1990 结构设计基础

BS 5400 第1和第2部分
作用
  • EN 1991-1-1 密度,自重和强迫荷载

  • EN 1991-1-4 风荷载

  • EN 1991-1-5 热荷载

  • EN 1991-1-6 开挖作用

  • EN 1991-1-7 突发作用

  • EN 1991-2 桥梁上的交通荷载

BS 5400 第2部分
混凝土
  • EN 1992-1-1 建筑物的一般规范

  • EN 1992-2 桥梁

BS 5400 第4部分
钢铁
  • EN 1993-1-1建筑物的一般规范

  • EN 1993-1-5 叠板结构单元

  • EN 1993-1-8 结点设计

  • EN 1993-1-9 疲劳

  • EN 1993-1-10 脆性断裂

  • EN 1993-2 桥梁

BS 5400 第3部分
钢混组合
  • EN 1994-2 建筑物的一般规范

BS 5400 第5部分

钢混组合桥梁设计需要的欧洲规范部分的列表

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