一种装配式栈桥结构安全分析方法及系统与流程

本发明涉及土木工程结构数字孪生仿真，尤其涉及一种装配式栈桥结构安全分析方法及系统。

背景技术：

1、装配式栈桥广泛应用于跨河施工、深水基础施工、临时施工通道、材料运输通道以及大型施工设备作业平台等工程场景；该类栈桥通常由钢管桩、桩顶分配梁、贝雷梁、横向分配梁、纵向分配梁、桥面板以及销轴、螺栓、卡具、垫板等连接构件装配形成，具有搭设速度快、可重复周转、便于拆装和适应施工场地变化的特点；在施工车辆、吊装设备或材料堆载作用下，荷载通常由桥面板传递至分配梁，再经贝雷梁、桩顶分配梁传递至钢管桩和基础，因此装配节点的贴合状态、支承状态和连接状态会直接影响栈桥整体受力路径和结构安全状态。

2、现有装配式栈桥结构安全分析通常依据设计图纸和理论构件尺寸建立结构计算模型，并将贝雷梁与桩顶分配梁之间、横向分配梁与贝雷梁之间、桥面板与分配梁之间的节点简化为理想贴合、理想铰接或理想刚接状态；在该类分析方式中，各设计承压节点通常被默认同步参与承载，进而通过构件应力、节点反力、结构位移或整体稳定性判断装配式栈桥是否满足安全要求；该分析方式能够反映栈桥在理想装配状态下的受力情况，但对于实际安装过程中形成的局部支承脱空、垫板厚度差异、构件标高偏差、连接件松动以及接触面不密贴等情况，通常缺少针对性的计算表达。

3、然而在真实施工状态下，装配式栈桥的各装配节点往往并非同时进入承载状态；由于不同节点存在不同的等效初始间隙，当施工车辆荷载、吊装设备荷载或材料堆载作用于栈桥时，间隙较小或初始贴合的节点会先行承载，而间隙较大的节点需要在结构产生进一步闭合位移后才进入承载状态，从而形成节点间隙闭合顺序差异和迟滞承载现象；若仍按照理想贴合模型进行安全分析，容易忽略节点非同步闭合导致的受力路径跳迁、局部节点反力集中和构件内力重新分配，进而使安全薄弱节点、安全薄弱构件和最不利施工荷载位置的识别结果与实际装配状态存在偏差。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的装配式栈桥结构安全分析通常按理想贴合状态建立模型，难以反映实际安装偏差、节点初始间隙和连接松动导致的节点非同步闭合、迟滞承载、受力路径失真及局部安全风险识别不准确的缺点，而提出的一种装配式栈桥结构安全分析方法及系统。

2、为了解决现有技术存在的问题，本发明采用了如下技术方案：

3、一种装配式栈桥结构安全分析方法，包括：

4、s1、获取装配式栈桥的设计资料、实际安装测量数据和节点连接关系，建立节点级结构孪生模型，并形成节点接触单元集合；

5、s2、根据所述实际安装测量数据和节点连接关系，计算各节点接触单元的等效初始间隙；

6、s3、在所述节点级结构孪生模型中施加施工荷载，计算各节点接触单元的闭合位移响应；

7、s4、根据所述等效初始间隙和闭合位移响应，生成节点间隙闭合顺序，并识别迟滞承载节点；

8、s5、按照所述节点间隙闭合顺序进行非同步接触承载仿真，得到节点反力、构件内力和结构位移；

9、s6、将所述节点反力、构件内力和结构位移与理想贴合模型的计算结果进行对比，确定受力路径失真位置，并结合设计资料中的构件允许应力和节点允许承载力确定安全薄弱节点和安全薄弱构件，输出结构安全分析结果。

10、优选地，所述装配式栈桥包括钢管桩、桩顶分配梁、贝雷梁、横向分配梁、纵向分配梁和桥面板；所述节点接触单元包括贝雷梁与桩顶分配梁之间的支承节点、横向分配梁与贝雷梁之间的连接节点、桥面板与横向分配梁或纵向分配梁之间的承压节点；对每个节点接触单元，记录节点空间位置、上部接触构件、下部承压构件、荷载传递方向、所属跨段和相邻节点关系。

11、优选地，所述等效初始间隙根据节点接触单元的上部接触面实测位置、下部承压面实测位置、荷载传递方向和垫板有效厚度确定；当上部接触面与下部承压面在荷载传递方向上的实测间距扣除垫板有效厚度后不大于零时，将该节点接触单元确定为初始贴合状态；当上部接触面与下部承压面在荷载传递方向上的实测间距扣除垫板有效厚度后大于零时，将扣除后的间距确定为该节点接触单元的等效初始间隙。

12、优选地，所述施工荷载包括施工车辆荷载、吊装设备荷载或材料堆载；将所述施工荷载施加于节点级结构孪生模型中的对应作用位置，计算每个节点接触单元沿荷载传递方向的相对位移，并将所述相对位移作为该节点接触单元的闭合位移响应。

13、优选地，根据所述等效初始间隙和闭合位移响应，生成节点间隙闭合顺序，包括：

14、将同一施工荷载作用位置下各节点接触单元的闭合位移响应与等效初始间隙进行比较，确定各节点接触单元达到闭合条件的先后关系；

15、按照所述先后关系生成节点间隙闭合顺序，其中先达到闭合条件的节点接触单元排序在前，后达到闭合条件的节点接触单元排序在后。

16、优选地，识别迟滞承载节点，包括：

17、所述迟滞承载节点根据同一荷载传递路径内节点接触单元的闭合先后关系确定；

18、所述同一荷载传递路径为同一施工荷载经桥面板、横向分配梁或纵向分配梁、贝雷梁、桩顶分配梁向钢管桩传递形成的节点链路；

19、当节点接触单元与相邻节点接触单元属于同一荷载传递路径，且在各节点接触单元均处于初始贴合状态下二者均参与承载，而在非同步接触承载仿真中该节点接触单元的闭合顺序晚于所述相邻节点接触单元时，将该节点接触单元确定为迟滞承载节点。

20、优选地，按照所述节点间隙闭合顺序进行非同步接触承载仿真，得到节点反力、构件内力和结构位移，包括：

21、按照节点间隙闭合顺序更新各节点接触单元的承载状态；

22、对闭合位移响应未达到等效初始间隙的节点接触单元，不分配压缩反力；

23、对闭合位移响应达到等效初始间隙的节点接触单元，根据该节点接触单元的闭合后压缩量和等效接触刚度计算节点反力，并将所述节点反力用于更新构件内力和结构位移。

24、所述等效接触刚度根据节点接触单元的承压路径材料弹性模量、有效承压面积和等效压缩长度确定；

25、所述承压路径材料弹性模量来源于装配式栈桥设计资料、材料性能资料或适用结构设计规范；

26、所述有效承压面积和等效压缩长度来源于构件尺寸资料、节点连接关系或实际安装测量数据。

27、优选地，确定受力路径失真位置，并结合设计资料中的构件允许应力和节点允许承载力确定安全薄弱节点和安全薄弱构件，包括：

28、建立理想贴合模型，所述理想贴合模型中各设计承压节点均按初始贴合状态参与承载；

29、将非同步接触承载仿真得到的节点反力、构件内力和结构位移，与理想贴合模型得到的节点反力、构件内力和结构位移进行对比，确定受力路径失真位置；

30、将受力路径失真位置对应的施工荷载作用位置确定为候选最不利施工荷载位置，并根据受力路径失真程度、节点反力和构件内力，从候选最不利施工荷载位置中确定最不利施工荷载位置。

31、优选地，所述结构安全分析结果包括节点等效初始间隙分布、节点间隙闭合顺序、迟滞承载节点位置、节点反力集中位置、受力路径失真位置、安全薄弱节点、安全薄弱构件，以及根据受力路径失真位置、节点反力和构件内力确定的最不利施工荷载位置。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

33、1、本发明通过获取装配式栈桥的设计资料、实际安装测量数据和节点连接关系，建立节点级结构孪生模型，并将贝雷梁与桩顶分配梁、横向分配梁与贝雷梁、桥面板与分配梁之间的实际接触关系表达为节点接触单元，使结构安全分析不再仅依据设计理论位置和理想贴合状态进行判断。通过计算各节点接触单元的等效初始间隙，并在施工荷载作用下计算闭合位移响应，能够将装配偏差、支承脱空、垫板厚度差异和连接松动等实际安装因素转化为可计算的节点闭合条件，从而识别不同节点进入承载状态的先后关系，解决装配式栈桥实际节点贴合状态难以纳入结构安全分析的问题。

34、2、本发明进一步根据等效初始间隙和闭合位移响应生成节点间隙闭合顺序，并识别迟滞承载节点，再按照节点间隙闭合顺序进行非同步接触承载仿真，得到节点反力、构件内力和结构位移；通过将非同步接触承载仿真结果与理想贴合模型结果进行对比，能够确定受力路径失真位置、安全薄弱节点、安全薄弱构件和最不利施工荷载位置，从而反映节点先行承载、迟滞承载、反力集中和构件内力重新分配过程，提高装配式栈桥结构安全分析结果与实际装配状态之间的匹配程度，为节点复核、垫板调整、局部加固和施工荷载布置提供更准确的依据。