توسعه روش ترکیبی نوار محدود و اجزای محدود به منظور تحلیل پل های جعبه ای طویل دارای دیافراگم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، گروه عمران، دانشکده مهندسی عمران و معماری، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران

2 استادیار، گروه عمران، دانشکده مهندسی عمران و معماری، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران

3 مربی، گروه عمران، دانشکده مهندسی عمران و معماری، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران

چکیده

این تحقیق با ترکیب روش های اجزای محدود و نوار محدود با یکدیگر، روشی با هزینه محاسبات پایین به منظور تحلیل پل های طویل جعبه ای دارای دیافراگم داخلی ارائه داده است. در همین راستا و براساس تئوری تغییرشکل برشی مرتبه اول، دیافراگم های داخلی پل با کمک روش اجزای محدود و بدنه پل به کمک روش نوار محدود شبیه سازی شده اند. به منظور اعمال شرایط سازگاری تغییرمکانی در محل اتصال دیافراگم ها با بدنه پل از روش ضرایب لاگرانژ استفاده شده است. با سرهمبندی ماتریس های سختی پل و دیافراگم ها، ماتریس سختی کل سیستم محاسبه شده است. پس از محاسبه ماتریس سختی و بردار بار کل سیستم و با انجام یک تحلیل استاتیکی، جابجایی، دوران و نیروهای داخلی پل و دیافراگم تحت بار گسترده و متمرکز محاسبه شده اند. به منظور نشان دادن کارایی روش توسعه داده شده در این تحقیق، مقایسه ای میان نتایج بدست آمده از این روش با نتایج محاسبه شده توسط نرم افزار اجزای محدود آباکوس انجام شده است. مقایسه نتایج نشان داد که علارغم اینکه هزینه محاسبات روش توسعه داده شده در این تحقیق به مراتب پایین تر از مقدار متناظر آن در روش اجزای محدود است، اما اختلاف ناچیزی میان نتایج وجود دارد. همچنین نتایج بدست آمده نشان داد که وجود دیافراگم باعث افزایش مقاومت پیچشی پل و کاهش دوران پل تحت بارمتمرکز نامتقارن می گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Development of a Combined Finite Element/Finite Strip Method to Analysis the Long-Span Box Bridge Having Diaphragm

نویسندگان [English]

  • Davood Poorveis 1
  • Amin Khajehdezfuly 2
  • Seyed Abdollah Hosseini Dehdashti 3
1 Department of Civil Engineering, Faculty of Civil Engineering, and Architecture, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran
2 Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran.
3 Instructor, Department of Civil Engineering, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran.
چکیده [English]

This paper presents a low-cost combined finite element/finite strip method to simulate and analysis of long span box bridge with internal diaphragm. In this regard, the finite element method was used to simulate the bridge and the diaphragms were modeled using finite element method. The displacement-strain relationships were derived based on the first shear deformation theory. The Lagrange multiplication factors were used to apply the displacement boundary condition on the connection between the diaphragm and the bridge. The bridge was subjected to two types of loading (concentrate and distributed loads). The stiffness matrix and load vector of the diaphragms were computed on the global coordinate system. The stiffness matrix and load vector of the bridge was obtained in local coordinate system. The stiffness matrix and load vector of the bridge were transferred into the global coordinate system using the transformation matrix. The responses of the bridge and diaphragm (such as deflection, internal forces and stresses) were computed using the static analysis. The bridge response obtained from the method developed in this study was compared with that obtained from ABAQUS software (a fully finite element model of the bridge and diaphragm) in order to prove the validity of the results computed by the approach developed in this paper. The comparison shows that although a negligible difference is seen between the results obtained from the ABAQUS and the proposed method, the computational cost of the ABAUQS model is significantly greater than that of the method developed in this study. The effects of loading type, number of elements, bridge cross section and diaphragm on the bridge response were investigated. The results show that the diaphragm increases the bridge torsional resistance. Moreover, when an asymmetric point load was applied to the bridge, the bridge rotation was significantly decreased using the diaphragm.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Box Girder Bridge
  • Flexible Diaphragm
  • Finite Element Method
  • Finite Strip Method
  • Computational Cost

مراجع

- آفرینی فرد، م.، خانمحمدی، م.، (1395)، "اثر زلزله ی قائم
بر رفتار عرشه­ی پل­های قطعه­ای پیش ساخته پس کشیده
غیر چسبیده"، فصلنامه مهندسی عمران مدرس، سال شانزدهم شماره ۴، صص. 10-1.
- برگی، خ.، آقا بزرگی، ع.، (1389)، "آنالیز دینامیکی پل­های راه آهن تحت اثر عبور قطار سریع السیر با در نظر گرفتن اندرکنش پل و قطار"، Civil Engineering Infrastructures Journal، سال چهل و چهارم شماره ۲، صص. 149-141.
- شیراوند، م.ر.، محبوبی، ش.، امیدیان، پ.، (1396)، "ارزیابی رفتار لرزه­ای پل­های بتنی عرشه پیوسته با بیه­های مختلف با استفاده از منحنی شکنندگی"، فصلنامه مهندسی سازه و ساخت، پیاپی ۱۴، صص.171-155.
- رهایی، ع.، میرقادری، س.ر.، حجت، ا.، (1386)، "ارزیابی عملکرد لرزه­ای پل سفید اهواز و روش بهسازی آن"، پژوهشنامه حمل و نقل، سال چهارم شماره ۱، صص.11-1.
- صادق آذر، م.، تجلی، م.ر.، (1393)، "بررسی اثر بیه ی عرشه در پاسخ دینامیکی پل با درنظرگرفتن اندرکنش دینامیکی پل قطار"، مجله مهندسی عمران شریف، سال سی‌ام شماره ۴، صص.41-33.
- فلاح، ن.، پورزینلی، س.، کریمی، ح.، (1387)، "بررسی تاثیر ارتفاع پایه پل­ها بر دقت روش تک مودی آیین­نامه آشتو در تحلیل لرزه­ای پل­ها و ارایه پیشنهاد برای اصلاح و توسعه روش"، پژوهشنامه حمل و نقل، سال پنجم شماره ۲، صص.203-195.
- قائمیان، م.، پورامینیان، م.، (1394)، "بهینه سازی پل­های قوسی بتنی با جان باز"، فصلنامه مهندسی عمران مدرس، سال پانزدهم شماره ۱، صص.9-1.
- محمدکریمی حسین آبادی، م.، مرشد، ر.، (1389)، "بررسی اندرکنش قطار سریع السیر و پل­های دوسر ساده با تیر بتنی پیش ساخته"، پژوهشنامه حمل و نقل، سال هفتم شماره ۴، صص.361-359.
- ناطقی الهی، ف.، معتمدی، م.، سخاوتی، پ.، (1396)، "مطالعه تحلیلی میراگرهای فلزی آکاردئونی در مقاوم سازی لرزه­ای
پل­ها"، مجله علوم و مهندسی زلزله، سال چهارم شماره ۴، صص.75-88.
- یزدانی، م.، معرفت، م.ص.، (1394)، "بررسی اثر تعداد دهانه بر ظرفیت استاتیکی پل­های قوسی بتنی غیرمسلح با دهانه ۶ متری"، مجله تحقیقات بتن ایران، سال هشتم شماره ۱، صص.84-71.
-Bebiano, R., Calcada, R., Camotim, D., Silvestre, N., (2017), “Dynamic analysis of high-speed railway bridge decks using generalized beam theory”, Thin–Walled Structures, Vol. 114, No. 4, pp. 22–31.
- Branco, F. A., and Green, R., (1984), ‘‘Bracing in completed composite box girder bridges’’, Canadian Journal of Civil Engineering, Vol. 11, No. 4, pp. 967–977.
-Chapman, J. C., Dowling, P. J., Lim, P. T. K., and Billington, C. J., (1971), ‘‘The structural behavior of steel and concrete box girder bridges’’ Structural Engineering., Vol. 49, No. 3, pp. 111–120.
-Cheung, M. S. and Cheung, Y. K., (1971), “Analysis of curved box girder bridges by the finite-strip method”, International Association of Bridges and Structural Engineering, Vol. 31, No. 1, pp. 1-8.
-Cheung, M. S. and Chan, M. Y. T., (1978), “Finite strip evaluation of effective flange width of bridge girders”, Canadian Journal of Civil Engineering, Vol. 5, No. 2, pp. 174- 185.
-Cheung, Y.K., Fan, S.C., Wu, C.Q., (1982), "Spline Finite Strip in Structural Analysis", Conference on Finite Element Methods, Shanghai, China, pp.704-709.
Cheung, M.M.S., Shen, Z., Chan, B.Y.B., (2009), “An Integrated Finite Strip Solution for Box Girder Bridges and Slab-on-girder Bridges”, CMES-Computer Modeling in Engineering & Sciences, Vol. 45, No. 2, pp. 155–178.
-Cheung, Y.K., "Analysis of Box Girder Bridges by the Finite Strip Method", Proceedings of Second International Symposium on Concrete Bridge Design, Chicago, ACI Publication, SP 26,1971, pp.357-378.
-Choi C.K., and Hong, H.S., (2001), “Finite strip analysis of multi-span box girder bridges by using non-periodic B-spline interpolation”, Structural Engineering and Mechanics, Vol. 12, No. 3, pp. 313-328.
-Cusens, A. R., and Loo, Y. C., (1974), ‘‘Application of the finite-strip method in the analysis of concrete box bridges’’, Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Vol. 75, No. 2, pp. 251-273.
-Daniels, J. H., Abraham, D., and Yen, B. T., (1979), ‘‘Fatigue of curved steel bridge elements effect of internal diaphragms on fatigue strength of curved box girders’’, Report No. FHWA-RD-79-136, Federal Highway Administration, Washington, D.C.
-Ezeokpube, G.C., (2015), “Review of Elastic Analysis of Box Girder Bridges”, Nigerian Journal of Technology, Vol. 34 No. 1, pp. 80-94.
-Fam, A. and Turkstra, C., (1976), "Model Study of Horizontally Curved Box-Girder", Journal of Structural Division, Vol. 102, No. 5, pp. 1-12.
-Feng, W., Jian, Z., and Lei, J., (2017), “Analysis of Single Cell Curved Box Girder Bases on Finite Strip Element Theory”, 5th International Conference on Mechatronics, Materials, Chemistry and Computer Engineering, Chongqing, China, pp. 1371-1375.
-Ghasemi, M.R., and Dizangian, B., (2010), “Size, shape and topology optimization of composite steel box girders using PSO method” Asian Journal of Civil Engineering (Building and Housing), Vol. 11, No. 6, pp. 699-715.
-Gambhir, M. L., and Singla, K. G., (1988), ‘‘Optimization of concrete multi-cellular bridge decks’’ Indian Concrete Journal, Vol. 62, No. 1, pp. 21–26.
-Hammad, N., El Khafif, M., Hanna, N., (2020), “Cost optimization of high-speed railway pre-stressed box girder bridge”, International Journal of Civil Engineering and Technology, Vol. 11, No. 4, pp. 91-105.
-Ho, S., Cheung, M. S., Ng, S. F., and Yu, T., (1989), “Longitudinal girder moments in simply supported bridges by the finite strip method”, Canadian Journal of Civil Engineering, Vol. 16, No. 5, pp. 698-703.
-Kabir, A. F. and Scordelis, A. C., (1974), “Computer programs for curved bridges on flexible bents”, Structural Engineering and Structural Mechanics Report No. UC/SESM 74-10, University of California, Berkeley, CA.
-Li, H., (2017), “Frequency domain analysis of composite long-span cable-stayed bridges by finite strip method”, Master thesis, University of Ottawa, USA.
-Lim, P. T., Kilford, J. T., and Moffatt, K. R., (1971), ‘‘Finite element analysis of curved box girder bridges’’, Devel Bridge Design and Construction, U.K., pp. 264–286.
-Naderian, H., Cheung, M.S., Mohammadian, M., Dragomirescu, E., (2019), “Integrated finite strip flutter analysis of bridges”, Computers and Structures, Vol. 212, No. 5, pp. 145–161.
-Nakai, H., Miki, T., and Sumiyoshika, S., (1980), ‘‘Theoretical and experimental research on distortion of thin-walled horizontally curved box girder bridges’’ Journal of Civil Engineering, Vol. 2, No. 1, pp. 63–101.
-Ozakca, M., and Taysi, N., (2003), “Analysis and shape optimization of variable thickness box girder bridges in curved platform”, Journal of Structural Engineering, Vol. (3), No. 2, pp. 1-22.
-Sargious, M. A., Dilger, W. H., and Hawk, H., (1979), ‘‘Box girder bridge diaphragms with openings’’ Journal of Structural Divison, Vol. 105, No. 1, pp. 53–65.
-Seo, J., Kidd, B., (2021), “Parametric study of deteriorating precast concrete double-tee girder bridges using computational models”, Engineering Structures, Vol. 230, No. 2, pp. 1-10.
-Shen, Z., Cheung, M.M.S., Naderian, H., Dragomirescu, E., (2013), “An Integrated Finite Strip Solution for Dynamic Analysis of Continuous Multi-span Bridges”, Conference on CSCE 2013, Montreal, Canada.
-Shimizu, S., and Yoshida, S., (1991), ‘‘Reaction allotment of continuous curved box girders’’ Thin-Walled Structures, Vol. 11, No. 4, pp. 319–341.
-Tiwari, S., Bhargava, P., (2017), “Load distribution factors for composite multicell box girder bridges”, Journal of The Institution of Engineers (India): Series A, Vol. 98, No. 4, pp. 483-492.
-Verma, V., Nallasivam, K., (2020), “One dimensional finite element analysis of thin walled boxgirder Bridge”, Innovative Infrastructure Solutions, Vol. 51, No. 5, pp. 1-24.
-Zhou, Y., Nogueira, C., Rens, K., Li, Chengyu., (2021), “Long-Term Performance of a Curved Box Girder Viaduct”, Journal of Performance of Constructed Facilities, Vol. (35), No. (1), pp. 8-16.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار