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文檔簡(jiǎn)介

橋梁軟件學(xué)習(xí)指導(dǎo)講義

交通學(xué)院橋梁工程課程組

2009年12月1日

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ii

目錄

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第一章概述

-1-

第二章有限元分析模型

-2-

第一節(jié)有限元法

-2-

第二節(jié)結(jié)構(gòu)數(shù)值分析模型

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第三章預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋分析設(shè)計(jì)

-9-

第一節(jié)模型

-9-

第二節(jié)輸入靜荷載

-18-

第三節(jié)定義施工階段

-21-

第四節(jié)輸入移動(dòng)荷載

-24-

第六節(jié)查看分析結(jié)果

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第七節(jié)PSC截面設(shè)計(jì)

-31-

第四章單跨拱橋分析計(jì)算

-35-

第一節(jié)分析模型與荷載條件

-35-

第二節(jié)打開(kāi)文件與設(shè)定基本操作環(huán)境

-36-

第三節(jié)輸入構(gòu)件材料及截面

-36-

第四節(jié)建立結(jié)構(gòu)模型

-38-

第五節(jié)輸入車輛移動(dòng)荷載和靜力荷載

-51-

第六節(jié)查看分析結(jié)果

-55-

第五章截面特性值計(jì)算

-63-

第六章橫向分布系數(shù)計(jì)算

-67-

第一節(jié)使用方法

-67-

第二節(jié)計(jì)算內(nèi)容

-68-

練習(xí)題

75

參考文獻(xiàn)

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第一章概述

橋梁設(shè)計(jì)計(jì)算一般可以分為兩大部分。

首先要做現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并收集相關(guān)資料。目的在與搜集和初步整理出橋梁設(shè)計(jì)所需的資料,是整個(gè)勘測(cè)設(shè)計(jì)過(guò)程的前期準(zhǔn)備階段,是為橋梁設(shè)計(jì)以及水力計(jì)算提供必須的資料和依據(jù)。其主要內(nèi)容有:擬建橋址處和形態(tài)斷面處的測(cè)量和水文勘測(cè);工程地質(zhì)和地貌調(diào)查;氣象尤其是洪水期的暴雨資料收集;建筑材料的供源調(diào)查;原有橋涵構(gòu)造物和水利設(shè)施的情況;當(dāng)?shù)貙?duì)擬建橋梁的要求等。可歸納為:定樁號(hào)、測(cè)高程、量夾角、測(cè)斷面、勾草圖、探地質(zhì)、算流量、找料源、擬結(jié)構(gòu)、定跨徑等10個(gè)步驟。

橋梁基本結(jié)構(gòu)擬定后,就要進(jìn)行截面設(shè)計(jì)驗(yàn)算。這一部分包括擬定截面形狀和材料、計(jì)算作用效應(yīng)并進(jìn)行組合、估算預(yù)應(yīng)力鋼束面積并進(jìn)行布置(按照抗裂性要求估算,并初擬預(yù)應(yīng)力損失為20%)、計(jì)算主梁截面幾何特性、計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失以及對(duì)主梁的承載能力和正常使用功能進(jìn)行驗(yàn)算(包括主梁截面承載力驗(yàn)算、正截面抗彎承載力、斜截面抗剪、抗彎承載力、應(yīng)力驗(yàn)算:持久狀況應(yīng)力驗(yàn)算、短暫狀況應(yīng)力驗(yàn)算、抗裂驗(yàn)算、局部承壓驗(yàn)算、主梁變形驗(yàn)算、橫隔梁計(jì)算、行車道板計(jì)算等)。

本書(shū)主要介紹利用橋梁有限元計(jì)算軟件MIDAS/Civil和橋梁博士(Dr.Bridge)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)截面設(shè)計(jì)計(jì)算的方法,以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)在給定的邊界條件和荷載條件下的安全性、適用性和耐久性。

。

第二章有限元分析模型

第一節(jié)有限元法

通俗地說(shuō),有限元法就是一種計(jì)算機(jī)模擬技術(shù),使人們能夠在計(jì)算機(jī)上用軟件模擬一個(gè)工程問(wèn)題的發(fā)生過(guò)程而無(wú)需把東西真的做出來(lái)。這項(xiàng)技術(shù)帶來(lái)的好處就是,在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段就能夠讓人們?cè)谟?jì)算機(jī)上觀察到設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品將來(lái)在使用中可能會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題,不用把樣機(jī)做出來(lái)在實(shí)驗(yàn)中檢驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題,可以有效降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本,縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)的周期。

有限元法也叫有限單元法(finiteelementmethod,F(xiàn)EM),是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種彈性力學(xué)問(wèn)題的數(shù)值求解方法。五十年代初,它首先應(yīng)用于連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域——飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性分析中,用以求得結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力、固有頻率以及振型。由于這種方法的有效性,有限單元法的應(yīng)用已從線性問(wèn)題擴(kuò)展到非線性問(wèn)題,分析的對(duì)象從彈性材料擴(kuò)展到塑性、粘彈性、粘塑性和復(fù)合材料,從連續(xù)體擴(kuò)展到非連續(xù)體。

有限元法最初的思想是把一個(gè)大的結(jié)構(gòu)劃分為有限個(gè)稱為單元的小區(qū)域,在每一個(gè)小區(qū)域里,假定結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力都是簡(jiǎn)單的,小區(qū)域內(nèi)的變形和應(yīng)力都容易通過(guò)計(jì)算機(jī)求解出來(lái),進(jìn)而可以獲得整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力。

事實(shí)上,當(dāng)劃分的區(qū)域足夠小,每個(gè)區(qū)域內(nèi)的變形和應(yīng)力總是趨于簡(jiǎn)單,計(jì)算的結(jié)果也就越接近真實(shí)情況。理論上可以證明,當(dāng)單元數(shù)目足夠多時(shí),有限單元解將收斂于問(wèn)題的精確解,但是計(jì)算量相應(yīng)增大。為此,實(shí)際工作中總是要在計(jì)算量和計(jì)算精度之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。

有限元法中的相鄰的小區(qū)域通過(guò)邊界上的結(jié)點(diǎn)聯(lián)接起來(lái),可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的插值函數(shù)描述每個(gè)小區(qū)域內(nèi)的變形和應(yīng)力,求解過(guò)程只需要計(jì)算出結(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力或者變形,非結(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力或者變形是通過(guò)函數(shù)插值獲得的,換句話說(shuō),有限元法并不求解區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)的變形或者應(yīng)力。

大多數(shù)有限元程序都是以結(jié)點(diǎn)位移作為基本變量,求出結(jié)點(diǎn)位移后再計(jì)算單元內(nèi)的應(yīng)力,這種方法稱為位移法。

有限元法本質(zhì)上是一種微分方程的數(shù)值求解方法,認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)以后,從70年代開(kāi)始,有限元法的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸從固體力學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展到其它需要求解微分方程的領(lǐng)域,如流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)等。

有限元法在工程中最主要的應(yīng)用形式是結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,如結(jié)構(gòu)形狀的最優(yōu)化,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析,振動(dòng)的分析等等。有限元法在超過(guò)五十年的發(fā)展歷史中,解決了大量的工程實(shí)際問(wèn)題,創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。有限元法的出現(xiàn),使得傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨于理性,設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品越來(lái)越精細(xì),尤為突出的一點(diǎn)是,產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的樣機(jī)試制次數(shù)大為減少,產(chǎn)品的可靠性大為提高。壓力容器的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析和形狀優(yōu)化,機(jī)床切削過(guò)程中的振動(dòng)分析及減振,汽車試制過(guò)程中的碰撞模擬,發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中的減振降噪分析,武器設(shè)計(jì)過(guò)程中爆轟過(guò)程的模擬、彈頭形狀的優(yōu)化等等,都是目前有限元法在工程中典型的應(yīng)用。

經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展和在工程實(shí)際中的應(yīng)用,有限元法被證明是一種行之有效的工程問(wèn)題的模擬仿真方法,解決了大量的工程實(shí)際問(wèn)題,為工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步起到了巨大的推動(dòng)作用。但是有限元法本身并不是一種萬(wàn)能的分析、計(jì)算方法,并不適用于所有的工程問(wèn)題。對(duì)于工程中遇到的實(shí)際問(wèn)題,有限元法的使用取決于如下條件:產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)或制做樣機(jī)成本太高,實(shí)驗(yàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn),而有限元計(jì)算能夠有效地模擬出實(shí)驗(yàn)效果、達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?,?jì)算成本也遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)成本時(shí),有限元法才成為一種有效的選擇。

有限元法經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,其基本的數(shù)值算法都已經(jīng)固定下來(lái),商業(yè)化的軟件也超過(guò)1000種。在這些大大小小的有限元軟件中,其基本的、核心的算法都是一樣的,沒(méi)有太大的不同,甚至很多軟件核心部分的代碼都是相同的,它們主要的不同表現(xiàn)在一下幾個(gè)方面:

1.計(jì)算部分的功能強(qiáng)弱不一樣。

除了基本的線性分析能力之外,大多數(shù)軟件都開(kāi)發(fā)了針對(duì)各種非線性問(wèn)題的分析能力,如塑性、蠕變、大位移、大變形、接觸分析能力,一些特殊材料模式的處理能力,各種物理場(chǎng)之間的耦合能力,最典型的,如熱-結(jié)構(gòu)之間的耦合,流體-結(jié)構(gòu)之間的耦合等等,計(jì)算功能的強(qiáng)弱就體現(xiàn)在這些方面。

2.軟件易用性上的不同。這主要體現(xiàn)在建模上。

早期的有限元軟件都只是一個(gè)計(jì)算部分,即求解器,模型是通過(guò)數(shù)據(jù)文件的形式提交的,用戶的建模工作就是編寫(xiě)數(shù)據(jù)文件,工作量相當(dāng)大?,F(xiàn)在的軟件一般都有相應(yīng)的圖形界面的建模工具,即前處理器,通過(guò)圖形方式建模,由軟件自動(dòng)生成計(jì)算部分所需的數(shù)據(jù)文件。到目前為止,仍然有超過(guò)70%的軟件,其前處理跟求解器之間并不是無(wú)縫的,求解器需要的數(shù)據(jù)文件不能完全由前處理部分生成,缺少的部分仍然需要由用戶人工修改、添加。最典型的,如PATRAN和NASTRAN,AUI和ADINA,CAE和ABAQUS,這還是求解器跟各自專用的前處理之間的連接情況,其它兼容的前處理跟求解器之間的連接則問(wèn)題更多。

前處理建模功能的強(qiáng)弱,這主要反映在復(fù)雜模型的建模效率上。通常情況下,有限元軟件的前處理建模能力遠(yuǎn)低于CAD軟件的建模能力,為此都開(kāi)發(fā)有針對(duì)不同CAD軟件的建模接口。CAD軟件對(duì)模型的要求與有限元軟件對(duì)模型的要求不同,模型的導(dǎo)入過(guò)程實(shí)際是一種轉(zhuǎn)換過(guò)程,轉(zhuǎn)換質(zhì)量的高低,各個(gè)軟件接口是不同的。接口的多少和轉(zhuǎn)換質(zhì)量也成為評(píng)價(jià)建模能力的一個(gè)重要標(biāo)志。

3.用戶的二次開(kāi)發(fā)能力。

在求解器提供的標(biāo)準(zhǔn)的分析功能之外,允許用戶在一定程度上開(kāi)發(fā)適合自己需要的建模、分析功能,如特殊材料模型,特殊的單元類型,專門(mén)針對(duì)某一類問(wèn)題的分析等。絕大部分軟件用戶都不是真正需要這部分功能,這只是對(duì)有特殊需要的用戶來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的,例如某些研究機(jī)構(gòu)。

4.歷史的因素。

主要是行業(yè)和商業(yè)上的因素。一些軟件在發(fā)展過(guò)程中,在某一行業(yè)占有傳統(tǒng)的優(yōu)勢(shì),逐漸沿襲下來(lái),成為一種行業(yè)習(xí)慣和行業(yè)工具,乃至成為事實(shí)上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),并不是因?yàn)檐浖旧淼脑?。例如NASTRAN在全世界的航空領(lǐng)域,SAP2000在建筑行業(yè),ANSYS在中國(guó)的鐵路機(jī)車行業(yè),ABAQUS在中國(guó)的汽車行業(yè),都是一些典型的例子。

有限元方法運(yùn)用可分為三個(gè)基本步驟。

首先進(jìn)行剖分。將待解區(qū)域進(jìn)行分割,離散成有限個(gè)元素的集合.元素(單元)的形狀原則上是任意的.二維問(wèn)題一般采用三角形單元或矩形單元,三維空間可采用四面體或多面體等.每個(gè)單元的頂點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)(或結(jié)點(diǎn)).

然后進(jìn)行單元分析。進(jìn)行分片插值,即將分割單元中任意點(diǎn)的未知函數(shù)用該分割單元中形狀函數(shù)及離散網(wǎng)格點(diǎn)上的函數(shù)值展開(kāi),即建立一個(gè)線性插值函數(shù)

其次求解近似變分方程。用有限個(gè)單元將連續(xù)體離散化,通過(guò)對(duì)有限個(gè)單元作分片插值求解各種力學(xué)、物理問(wèn)題的一種數(shù)值方法。有限元法把連續(xù)體離散成有限個(gè)單元:桿系結(jié)構(gòu)的單元是每一個(gè)桿件;連續(xù)體的單元是各種形狀(如三角形、四邊形、六面體等)的單元體。每個(gè)單元的場(chǎng)函數(shù)是只包含有限個(gè)待定節(jié)點(diǎn)參量的簡(jiǎn)單場(chǎng)函數(shù),這些單元場(chǎng)函數(shù)的集合就能近似代表整個(gè)連續(xù)體的場(chǎng)函數(shù)。根據(jù)能量方程或加權(quán)殘量方程可建立有限個(gè)待定參量的代數(shù)方程組,求解此離散方程組就得到有限元法的數(shù)值解。有限元法已被用于求解線性和非線性問(wèn)題,并建立了各種有限元模型,如協(xié)調(diào)、不協(xié)調(diào)、混合、雜交、擬協(xié)調(diào)元等。有限元法十分有效、通用性強(qiáng)、應(yīng)用廣泛,已有許多大型或?qū)S贸绦蛳到y(tǒng)供工程設(shè)計(jì)使用。結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù),有限元法也被用于計(jì)算機(jī)輔助制造中。

第二節(jié)結(jié)構(gòu)數(shù)值分析模型

結(jié)構(gòu)分析模型是由節(jié)點(diǎn)、單元及邊界條件三要素所構(gòu)成的。其中,節(jié)點(diǎn)是用來(lái)確定構(gòu)件的位置;單元是用來(lái)分析模型數(shù)據(jù)表達(dá)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的元素,它是由連續(xù)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件按有限元法劃分而成的;邊界條件是用來(lái)表達(dá)所研究的對(duì)象結(jié)構(gòu)與相鄰的結(jié)構(gòu)之間的連接方式。

所謂的結(jié)構(gòu)分析就是為了研究結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,建立結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析模型,利用假定的外部環(huán)境作用,對(duì)數(shù)學(xué)模型作理論性的實(shí)驗(yàn)分析的總過(guò)程。

在結(jié)構(gòu)分析時(shí),需要準(zhǔn)確的表現(xiàn)結(jié)構(gòu)的特性和結(jié)構(gòu)所處的外部環(huán)境。其中外部環(huán)境主要就是指荷載因素。可通過(guò)規(guī)范或者一些現(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)資料得到。但是,要想把握好結(jié)構(gòu)的特性,充分地了解結(jié)構(gòu)的受力性能,則不是一件非常簡(jiǎn)單的事情。它將直接影響到結(jié)構(gòu)的受力分析結(jié)果。

因此,作結(jié)構(gòu)分析時(shí)必須充分細(xì)致的了解實(shí)際結(jié)構(gòu)的材料特性,掌握結(jié)構(gòu)的變形能力即剛度,選擇合理的有限計(jì)算單元,使得計(jì)算結(jié)構(gòu)模型同實(shí)際結(jié)構(gòu)相接近,使計(jì)算結(jié)果同實(shí)際結(jié)構(gòu)相符合。

但是,通常結(jié)構(gòu)的形狀是復(fù)雜的,而且很難精確地把握其材料的物理特性。要想把結(jié)構(gòu)的剛度(即變形能力)和質(zhì)量精確地反映到計(jì)算結(jié)構(gòu)模型上,將會(huì)花去很大的精力和時(shí)間,有時(shí)有可能帶來(lái)事倍功半的效果。

因此,進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí),在不破壞整體結(jié)構(gòu)特征的前提下,必須做到簡(jiǎn)化、調(diào)整計(jì)算結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型,使得用最少的投入,得到最佳的結(jié)果。

例如,對(duì)橋梁的主梁建立數(shù)學(xué)模型時(shí),不使用板形單元(平面應(yīng)力單元或板單元),而采用線形單元(桁架單元或梁?jiǎn)卧r(shí),不但縮短結(jié)構(gòu)分析時(shí)間,而且更便于作結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

所謂的有限元(FiniteElement)就是用分析模型數(shù)據(jù)表達(dá)結(jié)構(gòu)構(gòu)件特性的元素,它是由連續(xù)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件按有限元法劃分而成的。它必須充分的反映結(jié)構(gòu)受力特性,但通常很難做到用數(shù)學(xué)的方法完整地反映出實(shí)際結(jié)構(gòu)固有的特性。

因此,我們必須允分地了解實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力性能,掌握好各種有限單元的力學(xué)特性,以便較好的選擇有限單元,正確地進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)。

第三章預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋分析設(shè)計(jì)

梁橋作為最簡(jiǎn)單實(shí)用的橋型,在橋梁建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)所使用的建筑材料種類,常用的梁橋一般可分為:混凝土結(jié)構(gòu)(鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu))、鋼結(jié)構(gòu)、鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)。其中混凝土梁橋以其經(jīng)濟(jì)性和便于維護(hù)的優(yōu)勢(shì),得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。本章通過(guò)預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明利用MIDAS/Civil有限元分析程序進(jìn)行梁橋設(shè)計(jì)的方法。

第一節(jié)模型

一.材料

定義結(jié)構(gòu)所使用的混凝土和鋼束的材料特性。本橋所使用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50,預(yù)應(yīng)力鋼絞線的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1860MPa。

二.截面

輸入結(jié)構(gòu)所使用的截面特征。本橋所用的截面為帶有下馬蹄的T形截面,以下輸入數(shù)據(jù)的單位為米。

1.修改偏心

指定截面線單元的位置,即在模型窗口中顯示的線單元是以截面哪個(gè)位置為基準(zhǔn)生成的。偏心的默認(rèn)值為截面質(zhì)心,若要修改偏心的位置,可點(diǎn)擊“修改偏心”來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用消隱功能確認(rèn)生成的截面形狀。

2.顯示截面特性值

單擊顯示截面特性值顯示截面特性數(shù)據(jù)。截面特性數(shù)據(jù)可由用戶輸入的尺寸計(jì)算得到,或者從數(shù)據(jù)庫(kù)中得到。

Asy:?jiǎn)卧植孔鴺?biāo)系y軸方向的有效抗剪面積(EffectiveShearArea)。

Asz:?jiǎn)卧植孔鴺?biāo)系z(mì)軸方向的有效抗剪面積(EffectiveShearArea)。

Ixx:對(duì)單元局部坐標(biāo)系x軸的扭轉(zhuǎn)慣性距(TorsionalResistance)。

Iyy:對(duì)單元局部坐標(biāo)系y軸的慣性距(MomentofInertia)。

Izz:對(duì)單元局部坐標(biāo)系z(mì)軸的慣性距(MomentofInertia)。

Cyp:沿單元局部坐標(biāo)系+y軸方向,單元截面中和軸到邊緣纖維的距離。

Cym:沿單元局部坐標(biāo)系-y軸方向,單元截面中和軸到邊緣纖維的距離。

Czp:沿單元局部坐標(biāo)系+z軸方向,單元截面中和軸到邊緣纖維的距離。

Czm:沿單元局部坐標(biāo)系-z軸方向,單元截面中和軸到邊緣纖維的距離。

Zyy:對(duì)y軸的截面塑性模量。

Zzz:對(duì)z軸的截面塑性模量。

Qyb:沿單元局部坐標(biāo)系z(mì)軸方向的剪切系數(shù)。

Qzb:沿單元局部坐標(biāo)系y軸方向的剪切系數(shù)。

Peri:O:截面外輪廓周長(zhǎng)。

Peri:I:箱型或管型截面的內(nèi)輪廓周長(zhǎng)。

象H型鋼那樣沒(méi)有內(nèi)部輪廓的截面的Peri:1值為0。

Cent:y:從截面最左側(cè)到質(zhì)心距離。

Cent:z:從截面最下端到質(zhì)心的距離。

y1、z1:截面左上方最邊緣點(diǎn)的y、z坐標(biāo)。

y2、z2:截面右上方最邊緣點(diǎn)的y、z坐標(biāo)。

y3、z3:截面右下方最邊緣點(diǎn)的y、z坐標(biāo)。

y4、z4:截面左下方最邊緣點(diǎn)的y、z坐標(biāo)。

三.定義材料時(shí)間依存特性并連接

定義混凝土材料隨時(shí)間的變化特性(徐變和收縮)。并將時(shí)間依存性材料特性賦予相應(yīng)的材料,即將其連接。主要用于計(jì)算結(jié)構(gòu)的徐變收縮作用效應(yīng)和由此引起的預(yù)應(yīng)力損失。各參數(shù)取值可參照規(guī)范D62和實(shí)際情況。

四.建立結(jié)構(gòu)模型

節(jié)點(diǎn)和單元構(gòu)成結(jié)構(gòu)模型。本橋?yàn)?跨連續(xù)梁橋,計(jì)算跨徑為30m,在本有限元模型中將其分為30個(gè)單元,每個(gè)單元長(zhǎng)2m。下面通過(guò)建立節(jié)點(diǎn)和擴(kuò)展單元的功能來(lái)建立結(jié)構(gòu)模型。

五.修改單元的理論厚度

理論厚度值即單元的體積與面積比。在計(jì)算混凝土收縮徐變作用效應(yīng)時(shí)需要用到這一參數(shù)。當(dāng)不同的單元使用了同一種時(shí)間依存材料,或使用了變截面單元時(shí),可以使用此功能分別計(jì)算各截面的理論厚度。

六.定義結(jié)構(gòu)組

將一些節(jié)點(diǎn)和單元組成一個(gè)結(jié)構(gòu)組(StructureGroup),以便于建模、修改和輸出。也可以編輯和刪除已建立的結(jié)構(gòu)組。

對(duì)復(fù)雜的模型,當(dāng)分析和設(shè)計(jì)中需要反復(fù)使用某些單元和節(jié)點(diǎn)時(shí),可以將其定義為一個(gè)結(jié)構(gòu)組,然后可以直接使用該結(jié)構(gòu)組名稱進(jìn)行選擇(

選擇屬性

),或只激活該結(jié)構(gòu)組(

激活屬性

)。該功能也可以用于定義橋梁各施工階段的結(jié)構(gòu)。

在生成結(jié)構(gòu)組之前,需要先定義結(jié)構(gòu)組的名稱。然后在樹(shù)形菜單的組表單中使用拖放功能將節(jié)點(diǎn)和單元賦予相應(yīng)的結(jié)構(gòu)組。

七.定義邊界組

將單元和節(jié)點(diǎn)上的邊界條件定義為一個(gè)邊界組,或修改和刪除已定義的邊界組。

對(duì)復(fù)雜的模型,當(dāng)分析和設(shè)計(jì)中需要反復(fù)使用某些邊界條件時(shí),可以將其定義為一個(gè)邊界組,然后可以直接使用該邊界組名稱進(jìn)行選擇(

選擇屬性

),或只激活該邊界組(

激活屬性

)。該功能也可以用于定義橋梁各施工階段的邊界。

在生成邊界組之前,需要先定義邊界組的名稱。然后在樹(shù)形菜單的組表單中使用拖放功能將節(jié)點(diǎn)和單元賦予相應(yīng)的邊界組。

八.定義荷載組

將一些荷載組成一個(gè)荷載組,以便于建模、修改和輸出。也可以編輯和刪除已建立的荷載組。

對(duì)復(fù)雜的模型,當(dāng)分析和設(shè)計(jì)中需要反復(fù)使用某些荷載時(shí),可以將其定義為一個(gè)荷載組,然后可以直接使用該荷載組名稱進(jìn)行選擇(

選擇屬性

),或只激活該荷載組(

激活屬性

)。該功能可以用于定義橋梁各施工階段的荷載。

在生成荷載組之前,需要先定義荷載組的名稱。然后在樹(shù)形菜單的組表單中使用拖放功能將節(jié)點(diǎn)和單元賦予相應(yīng)的荷載組。

九.輸入邊界條件

邊界條件是結(jié)構(gòu)與外界的連接方式,不同的結(jié)構(gòu)具有不同的邊界條件。本橋?yàn)閮煽邕B續(xù)梁橋,梁的兩端支座為活動(dòng)鉸支座,中間支座為固定鉸支座。

十.輸入截面鋼筋

輸入設(shè)計(jì)截面以及聯(lián)合截面的鋼筋數(shù)據(jù)??奢斎朐O(shè)計(jì)截面的縱向(單元軸方向)鋼筋、抗剪鋼筋、腹板鋼筋、抗扭鋼筋,聯(lián)合截面的縱向鋼筋等。輸入縱向鋼筋,反映在計(jì)算截面剛度和截面設(shè)計(jì)中,還可以考慮鋼筋對(duì)混凝土的收縮/徐變的影響。

1.彎起鋼筋

Aw:同一彎起平面的彎起鋼筋截面面積(同規(guī)范JTGD62-2004第29頁(yè)Asb),即與所驗(yàn)算的斜截面相交的所有彎起鋼筋的面積。

2.腹板豎筋(豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋)

輸入豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋。

Ap:輸入同一截面的腹板豎筋截面面積。

Pe:輸入同一截面的腹板豎筋引起的有效預(yù)壓力。

豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋效應(yīng)折減系數(shù):(請(qǐng)參考規(guī)范JTGD62-2004第59頁(yè)6.3.3條)

3.抗扭鋼筋

間距:輸入橫向抗扭鋼筋的間距。

Awt:抗扭箍筋單肢截面面積。(同規(guī)范JTGD62-2004第42頁(yè)Asv1)

Alt:同一截面內(nèi)縱向抗扭鋼筋總截面面積。

4.輸入箍筋數(shù)據(jù)。

Aw:同一截面內(nèi)箍筋各肢總截面面積。(同規(guī)范JTGD62-2004第29頁(yè)Asv)

箍筋內(nèi)表面包圍的截面核芯面積(請(qǐng)參考規(guī)范JTGD62-2004第41頁(yè)5.5.1條)

包括翼緣/懸臂:選擇是否包括T型截面的翼緣、箱型截面的懸臂部分的面積。

第二節(jié)輸入靜荷載

一.定義靜力荷載工況

利用靜力荷載工況功能可以完成各種靜力荷載工況下的靜力分析。也可以用該功能生成P-Δ效應(yīng)或屈曲分析中的幾何剛度矩陣中必需的荷載工況。

在MIDAS程序中做靜力分析的步驟如下:

1.在荷載/靜力荷載工況中建立靜力荷載工況名稱。

2.使用荷載菜單中的各種靜力荷載輸入功能輸入荷載。

3.當(dāng)結(jié)構(gòu)模型中有幾何非線性單元時(shí),需要在荷載/

由荷載組合建立荷載工況

中將事先建立的荷載組合生成荷載工況,然后在分析/

主控?cái)?shù)據(jù)

中輸入收斂條件。

4.在分析過(guò)程中需要考慮P-Δ效應(yīng)時(shí),需要在分析/

P-Delta分析控制數(shù)據(jù)

中輸入收斂條件和計(jì)算幾何剛度所需的荷載工況和荷載系數(shù)。

5.點(diǎn)擊分析/

運(yùn)行分析

菜單

運(yùn)行分析

6.分析成功結(jié)束之后,可以使用荷載工況和荷載組合在結(jié)果菜單中查看各種分析結(jié)果。

二.輸入自重荷載

自重荷載即結(jié)構(gòu)的一期恒載,其值由程序根據(jù)事先輸入的材料特性和結(jié)構(gòu)幾何特性自行計(jì)算,這里只需輸入方向即可。二期恒載可以按照梁?jiǎn)卧奢d的形式輸入。

三.輸入預(yù)應(yīng)力荷載

1.輸入預(yù)應(yīng)力鋼束的特性值

本橋的預(yù)應(yīng)力鋼筋采用《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62—2004)中的s15.2鋼絞線,每跨按一束輸入,導(dǎo)管采用金屬波紋管,直徑取0.13m,鋼絞線面積取0,00434m2。

2.輸入第一跨的鋼束形狀

3.輸入第二跨的鋼束形狀

4.輸入張拉情況

先張拉:選擇張拉的順序。

開(kāi)始點(diǎn):鋼束開(kāi)始點(diǎn)處的張拉力。當(dāng)選擇先張拉"開(kāi)始點(diǎn)"時(shí),必須輸入大于0的數(shù)據(jù)。當(dāng)選擇先張拉"結(jié)束點(diǎn)"時(shí),如果此處輸入0表示鋼束張拉形式為一端張拉(結(jié)束點(diǎn)),如果此處輸入大于0的數(shù)據(jù)表示兩端張拉。

第三節(jié)定義施工階段

定義在各施工階段需要激活和鈍化的結(jié)構(gòu)組、邊界組和荷載組。本橋的施工階段如下表所示。

各施工階段的結(jié)構(gòu)組、邊界組和荷載組

一.定義施工階段1(CS1)

持續(xù)時(shí)間:施工持續(xù)時(shí)間。

保存結(jié)果:選擇保存結(jié)果的方法。

施工階段:按施工階段保存結(jié)果。

施工步驟:按施工步驟保存結(jié)果。

添加子步驟:在一個(gè)施工階段內(nèi)劃分子步驟。同一施工階段內(nèi)的結(jié)構(gòu)模型和邊界條件相同,但加載的時(shí)期和荷載可以發(fā)生變化,此時(shí)可以將一個(gè)施工階段劃分成幾個(gè)子步驟。

時(shí)間:輸入在一個(gè)施工階段的持續(xù)時(shí)間內(nèi)每個(gè)子步驟的持續(xù)時(shí)間。該時(shí)間將使用于對(duì)話框左下部的荷載表單內(nèi)的激活和鈍化時(shí)間列表中。也可以在“自動(dòng)生成”中輸入子步驟數(shù),將施工階段的持續(xù)時(shí)間自動(dòng)劃分成幾個(gè)子步驟。當(dāng)重復(fù)輸入時(shí)間時(shí),重復(fù)時(shí)間將被覆蓋。輸入的時(shí)間均為連續(xù)累積時(shí)間。

自動(dòng)生成:可以同時(shí)生成多個(gè)子步驟。在“步驟數(shù)”中輸入將要?jiǎng)澐值淖硬襟E數(shù)點(diǎn)擊,將按步驟數(shù)以及均等對(duì)數(shù)間隔劃分施工階段的持續(xù)時(shí)間。

二.定義施工階段2(CS2)

三.定義施工階段3(CS3)

四.施工階段分析控制

第四節(jié)輸入移動(dòng)荷載

一.選擇規(guī)范并輸入車道

定義移動(dòng)荷載分析時(shí)的車道位置。

二.輸入車輛

定義車輛荷載。

三.輸入移動(dòng)荷載工況

用建立的車輛荷載和車道生成移動(dòng)荷載工況。

四.輸入移動(dòng)荷載分析控制

輸入移動(dòng)荷載分析的方法和分析結(jié)果的輸出位置。移動(dòng)荷載分析時(shí),程序默認(rèn)所有的車輪通過(guò)所有指定車道上的點(diǎn)。

1.設(shè)定車輛/列車荷載的加載位置。

影響線加載:車輪只加載在使各節(jié)點(diǎn)內(nèi)力發(fā)生最大最小值的位置。即當(dāng)前后車輪位于影響線符號(hào)不同的區(qū)域時(shí),忽略負(fù)值(或正值),只加載在正值(或負(fù)值)區(qū)域。該方法的結(jié)果將比實(shí)際結(jié)果稍大一些。該方法一般使用于公路、城市橋梁車輛荷載的加載上。

所有點(diǎn):與影響線的正、負(fù)符號(hào)無(wú)關(guān),各集中荷載依次沿車道行進(jìn),加載到能加載的所有點(diǎn)上(包括節(jié)點(diǎn)和下面定義的線單元影響線分析位置)。一般使用于鐵路、地鐵、輕軌橋梁的列車荷載的加載上。

每個(gè)線單元影響線分析點(diǎn):可以選擇影響線的分析和加載位置,即可以將一個(gè)線單元再細(xì)分,例如選擇為3,則輸出兩端點(diǎn)和中央的影響線分析結(jié)果。

2.計(jì)算位置

桿系單元默認(rèn)輸出5點(diǎn)處的構(gòu)件內(nèi)力。當(dāng)在"線單元影響線分析位置"處輸入的數(shù)不是5時(shí),程序?qū)磧?nèi)插法求出5點(diǎn)處的內(nèi)力。

內(nèi)力(最大值):輸出每個(gè)梁?jiǎn)卧?點(diǎn)處的構(gòu)件的最大最小內(nèi)力,但不輸出對(duì)應(yīng)的其他內(nèi)力。該項(xiàng)主要為了提高計(jì)算速度和減少輸出量。

內(nèi)力(最大值+其他內(nèi)力值):輸出每個(gè)梁?jiǎn)卧?點(diǎn)處的構(gòu)件內(nèi)力,并輸出各位置發(fā)生最大最小軸力時(shí),其對(duì)應(yīng)的彎矩。同樣可以輸出各位置處發(fā)生最大和最小彎矩時(shí)相應(yīng)的軸力。

應(yīng)力:決定是否計(jì)算梁?jiǎn)卧膽?yīng)力。

第六節(jié)查看分析結(jié)果

一.運(yùn)行結(jié)構(gòu)分析

二.利用圖形查看應(yīng)力和構(gòu)件內(nèi)力

對(duì)于MIDAS/Civil施工階段分析的結(jié)果,可查看到某一施工階段為止所累積的全部構(gòu)件的應(yīng)力和位移,也可查看某一單元隨施工階段應(yīng)力和位移的變化。

例1.利用橋梁內(nèi)力圖查看施工階段1截面下緣的應(yīng)力

例2.利用橋梁內(nèi)力圖查看各施工階段所發(fā)生的最大、最小應(yīng)力

例3.利用橋梁內(nèi)力圖查看徐變收縮應(yīng)力

三.利用荷載組合查看應(yīng)力

1.定義荷載組合

輸入荷載組合。既可以由用戶輸入荷載組合,也可以選擇相應(yīng)規(guī)范,自動(dòng)生成荷載組合。

在施工階段分析后,程序會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)Postcs階段以及一系列荷載工況。

Postcs階段的模型和邊界為在施工階段分析控制對(duì)話框中定義的“最終施工階段”的模型,荷載為該最終施工階段上的荷載和在“基本”階段上定義的沒(méi)有定義為“施工階段荷載”類型的所有其他荷載。

恒荷載(CS):除預(yù)應(yīng)力、收縮和徐變之外,在各施工階段激活和鈍化的所有荷載均保存在該工況下。

施工階段荷載工況只有定義了施工階段時(shí)才處于激活狀態(tài):

ST:只用定義為非施工階段荷載類型的工況生成荷載組合。

CS:只用定義為施工階段荷載類型的工況生成荷載組合。

ST+CS:同時(shí)考慮施工階段中的荷載效應(yīng)和使用階段的荷載效應(yīng)自動(dòng)生成荷載組合。在此應(yīng)注意的是在施工階段中激活和鈍化的荷載,在荷載工況定義中一定要定義為“施工階段荷載”類型。

2.利用荷載組合查看應(yīng)力

查看梁?jiǎn)卧獞?yīng)力(PSC)施工階段主應(yīng)力圖和荷載組合下的應(yīng)力正應(yīng)力包絡(luò)圖。

例1.查看施工階段主應(yīng)力圖

Sig-xx(僅軸力):輸出軸力引起的單元坐標(biāo)系x軸方向的應(yīng)力。

Sig-xx(彎矩-y):繞單元坐標(biāo)系y軸的彎矩引起的單元坐標(biāo)系x軸方向的應(yīng)力。

Sig-xx(彎矩-z):繞單元坐標(biāo)系z(mì)軸的彎矩引起的單元坐標(biāo)系x軸方向的應(yīng)力。

Sig-xx(僅豎筋):腹板豎筋引起的單元坐標(biāo)系x軸方向的應(yīng)力。

Sig-xx(合計(jì)):?jiǎn)卧鴺?biāo)系x軸方向的應(yīng)力之和(上面四個(gè)sigma_xx項(xiàng)之和)。

Sig-zz(豎筋):腹板豎筋引起的單元坐標(biāo)系z(mì)軸方向的正應(yīng)力。

Sig-xz(剪力-包含豎筋):剪力和腹板豎筋引起的剪應(yīng)力之和。

Sig-xz(扭矩):扭矩引起的剪應(yīng)力。

Sig-xz(僅豎筋):腹板豎筋引起的剪應(yīng)力。

Sig-Is(主拉-不含扭矩):不包含扭轉(zhuǎn)引起的剪應(yīng)力的主應(yīng)力。

Sig-Is(主拉-含扭矩):考慮了扭轉(zhuǎn)和剪力引起的剪應(yīng)力的主應(yīng)力。

Sig-Ps1(大):最大主應(yīng)力(一般為主拉應(yīng)力),包含扭矩引起的剪應(yīng)力。

Sig-Ps2(小):最小主應(yīng)力(一般為主壓應(yīng)力),包含扭矩引起的剪應(yīng)力。

例2.在最后施工階段查看施工階段分析結(jié)果和移動(dòng)荷載分析結(jié)果疊加起來(lái)的應(yīng)力圖形。

選擇將按圖形所要輸出的應(yīng)力或彎矩的方向。選擇多個(gè)方向成分時(shí),程序會(huì)將各種應(yīng)力值組合起來(lái),輸出最大值。

Sax:軸力產(chǎn)生的軸向應(yīng)力。

+Sby:在單元坐標(biāo)系y軸的正(+)方向,彎矩Mz產(chǎn)生的截面應(yīng)力。

-Sby:在單元坐標(biāo)系y軸的負(fù)(-)方向,彎矩Mz產(chǎn)生的截面應(yīng)力。

+Sbz:在單元坐標(biāo)系z(mì)軸的正(+)方向,彎矩My產(chǎn)生的截面應(yīng)力。

-Sbz:在單元坐標(biāo)系z(mì)軸的負(fù)(-)方向,彎矩My產(chǎn)生的截面應(yīng)力。

組合應(yīng)力:軸力產(chǎn)生的應(yīng)力加上兩個(gè)方向彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力(Sax+Sby+Sbz)。

最大值:在1、2、3、4位置中組合應(yīng)力的最大值。

1、2、3、4:括號(hào)內(nèi)的y和z表示所處的位置,如1(-y,z)表示1號(hào)點(diǎn)位置在-y、+z位置。

四.利用表格查看應(yīng)力

五.查看鋼束分析的結(jié)果

1.預(yù)應(yīng)力損失變化圖表

現(xiàn)在查看由于預(yù)應(yīng)力損失而引起的各施工階段的張力變化。預(yù)應(yīng)力鋼束預(yù)應(yīng)力損失圖表只能對(duì)當(dāng)前施工階段中所包含的鋼束查看張力變化,故應(yīng)先將施工階段轉(zhuǎn)換到包含相應(yīng)鋼束的施工階段后再選擇預(yù)應(yīng)力鋼束損失圖表。

2.查看鋼束坐標(biāo)

MIDAS/Civil可在包含鋼束的單元的4等分點(diǎn),通過(guò)表格來(lái)查看該處鋼束的坐標(biāo)。

3.查看鋼束伸長(zhǎng)量

對(duì)鋼束的伸長(zhǎng)量可通過(guò)表格查看

六.查看荷載組合下的內(nèi)力

第七節(jié)PSC截面設(shè)計(jì)

利用PSC設(shè)計(jì)功能可以方便的輸出驗(yàn)算結(jié)果表格、驗(yàn)算結(jié)果圖形以及設(shè)計(jì)驗(yàn)算計(jì)算書(shū)等,極大的方便的設(shè)計(jì)。

一.PSC設(shè)計(jì)參數(shù)確定

二.定義PSC設(shè)計(jì)材料

三.定義PSC設(shè)計(jì)截面位置

彎矩

無(wú):不進(jìn)行彎矩驗(yàn)算。

I:只進(jìn)行I端的彎矩驗(yàn)算

J:只進(jìn)行J端的彎矩驗(yàn)算

I&J:對(duì)兩端都進(jìn)行彎矩驗(yàn)算

四.運(yùn)行PSC設(shè)計(jì)

運(yùn)行PSC設(shè)計(jì)之前需先運(yùn)行項(xiàng)目分析

五.查看PSC設(shè)計(jì)結(jié)果

1.查看各施工階段正截面法向應(yīng)力

2.查看受拉區(qū)鋼筋的拉應(yīng)力

3.查看使用階段裂縫寬度

4.查看使用階段正截面彎矩

5.查看使用階段扭矩

6.查看PSC設(shè)計(jì)內(nèi)力

位置:位置(I,J)

組合名稱:荷載組合名稱

類型:同時(shí)輸出移動(dòng)荷載引起的內(nèi)力時(shí),移動(dòng)荷載引起的內(nèi)力狀態(tài)

Fx:設(shè)計(jì)軸力

Fy:?jiǎn)卧鴺?biāo)系Y方向的設(shè)計(jì)剪力

Fz:?jiǎn)卧鴺?biāo)系Z方向的設(shè)計(jì)剪力

Mx:設(shè)計(jì)扭矩

My:繞y軸的設(shè)計(jì)彎矩

Mz:繞z軸的設(shè)計(jì)彎矩

第四章單跨拱橋分析計(jì)算

第一節(jié)分析模型與荷載條件

本章所介紹的單跨拱橋,其跨徑為50m,橋?qū)?4m,安全等級(jí)1級(jí),設(shè)計(jì)車道數(shù)為2車道,其的模型如圖1所示。

圖1拱橋模型

結(jié)構(gòu)的平面如圖2所示。橫系梁按5m間距排列,按橋軸方向設(shè)置縱向支撐,在中心線兩端7m的位置設(shè)置主梁和拱肋。

(a)平面圖

(b)立面圖

圖2拱橋的平面圖和立面圖

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題,只考慮以下3種荷載。永久荷載90kN/m作用在主梁上,人群荷載6.2kN/m作用在主梁上,車輛荷載按公路Ⅰ級(jí)設(shè)計(jì)。

第二節(jié)打開(kāi)文件與設(shè)定基本操作環(huán)境

打開(kāi)新文件,以“拱橋”為名保存文件。

在窗口下端的狀態(tài)條點(diǎn)擊單位選擇鍵,選擇“kN”和“mm”。該單位系可以根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的種類按用戶方便任意進(jìn)行變更。

第三節(jié)輸入構(gòu)件材料及截面

一.材料

材料1:Grade3。用于橫系梁、斜支撐、主梁、拱肋和吊桿。

材料2:Dummy。用于虛設(shè)梁。虛設(shè)梁是為了指定車輛移動(dòng)荷載而設(shè)的,其材料和截面可輸入任意的足夠小的值以使其不致于對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生影響。具體輸入值如下。

二.截面

截面1:B2100×600×10/10,用于主梁。

截面2:H1540×500×14/27,用于橫系梁。

截面3:B600×400×16/14,用于拱肋。

截面4:H600×400×12/16,用于吊桿。

截面5:B600×500×10/14,用于斜支撐和橫向支撐。

截面6:H400×400×13/21,用于水平斜支撐(包括縱梁)。

截面7:DummyBeam,用于虛設(shè)梁。

截面1~5屬于焊接制作的截面(Built-upSection),因此可以使用User功能,而截面6則可使用程序中內(nèi)存的GB標(biāo)準(zhǔn)截面DB。輸入方法如下圖。

第四節(jié)建立結(jié)構(gòu)模型

一.建立拱肋

本例利用“建立拱助手”功能建立拱肋。

二.建立吊桿

利用“擴(kuò)展單元”功能將拱肋上生成的節(jié)點(diǎn)按豎直下方投影延長(zhǎng)以輸入吊桿。

建立吊桿

調(diào)整吊桿的排列角度(Beta角)

三.形成拱的主梁并復(fù)制構(gòu)架

連接構(gòu)架的兩端來(lái)輸入拱的主梁,并將所完成的一側(cè)構(gòu)架復(fù)制到另一側(cè)。

主梁和拱完成

四.建立橫系梁

利用“擴(kuò)展單元”功能將拱一側(cè)主梁上的節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展到另一側(cè)的主梁來(lái)建立橫系梁。

建立橫系梁

五.建立支撐

僅對(duì)新建立的橫系梁激活之后,利用“捕捉點(diǎn)”功能和“建立單元”功能來(lái)完成縱向支撐(加強(qiáng)肋,Stringer)的建立。

完成縱向支撐

六.輸入橋面的對(duì)角斜支撐

完成橋面

七.輸入對(duì)稱拱肋中央排列的支撐

完成橋門(mén)支撐

完成拱肋斜支撐

八.輸入結(jié)構(gòu)的邊界條件

結(jié)構(gòu)形狀的輸入工作完成后,即可輸入邊界條件。

輸入結(jié)構(gòu)的邊界條件

九.輸入梁?jiǎn)卧B接部的邊界條件

使用“釋放梁端約束”功能按如下步驟輸入梁?jiǎn)卧獌啥瞬康倪吔鐥l件。

1.吊桿構(gòu)件的兩端:對(duì)單元坐標(biāo)系Z軸為鉸接條件。

2.支撐構(gòu)件的兩端:對(duì)單元坐標(biāo)系Y、Z軸為鉸接條件。

3.與主梁相連接的橫系梁兩端:對(duì)單元坐標(biāo)系Y、Z軸為鉸接條件。

十.建立虛設(shè)梁

為輸入車輛移動(dòng)荷載而建立虛設(shè)梁。

建立虛設(shè)梁

分割與建立的虛設(shè)梁相交的Y方向水平支撐。

第五節(jié)輸入車輛移動(dòng)荷載和靜力荷載

一.設(shè)定荷載條件

輸入荷載之前先設(shè)定荷載條件(LoadCases)

荷載條件輸入窗口

二.輸入靜力荷載

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題,假定恒荷載和人行道荷載只作用于主梁上。

三.輸入車輛移動(dòng)荷載

首先定義車道。

定義車輛移動(dòng)荷載C-AL和C-AD。

定義車輛荷載群。

定義車輛移動(dòng)荷載條件。

定義分析車輛移動(dòng)荷載的方法。

第六節(jié)查看分析結(jié)果

一.進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析

對(duì)輸入荷載條件和邊界條件的建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

二.荷載組合

在此例題中只輸入3種荷載,下面介紹對(duì)其進(jìn)行線性組合(LinearLoadCombination)的方法。

在本例題中只輸入以下2種荷載組合對(duì)其結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。此荷載組合是任意設(shè)置的,與進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)所使用的條件無(wú)關(guān)。

荷載組合1(LCB1):1.0(恒荷載+人行道荷載+MVL-C-AL)

荷載組合2(LCB2):1.0(恒荷載+人行道荷載+MVL-C-AD(150))

荷載組合對(duì)話窗口

荷載組合是在主菜單的“結(jié)果/荷載組合”導(dǎo)入荷載組合對(duì)話窗口,并按以下步驟輸入的。

三.確認(rèn)變形

按以下步驟確認(rèn)變形。

變形(DeformedShape)

四.查看影響線結(jié)果

查看支點(diǎn)反力的影響線,下面是對(duì)支點(diǎn)B1(節(jié)點(diǎn)1)的結(jié)果。

對(duì)支點(diǎn)反力的影響線

對(duì)支點(diǎn)反力的影響線結(jié)果通過(guò)動(dòng)畫(huà)來(lái)查看。

五.查看對(duì)撓曲的影響線結(jié)果

對(duì)撓曲的影響線

六.查看對(duì)彎矩的影響線

對(duì)彎矩的影響線

七.移動(dòng)荷載追蹤器

利用移動(dòng)荷載追蹤器查看車輛移動(dòng)荷載的施加位置。

利用移動(dòng)荷載追蹤器確認(rèn)移動(dòng)荷載的施加位置

八.剪力圖與彎矩圖

剪力圖與彎矩圖結(jié)果的查看方法基本相同,故在這里只以查看彎矩圖為例進(jìn)行說(shuō)明。另外不是查看整個(gè)建筑物的彎矩圖,而只查看一部分的結(jié)果。這里以X-Y平面為例介紹顯示該平面彎矩圖的步驟。

梁的彎矩圖(X-Y平面)

第五章截面特性值計(jì)算

本章介紹利用MIDAS/Civil設(shè)計(jì)軟件中的SPC(SectionalPropertyCalculator)計(jì)算截面特性值的方法。

在SPC中用戶可以根據(jù)需要任意選定Plane形式的截面或Line形式的截面來(lái)模擬截面形狀。

一.Plane形式的截面

畫(huà)完輪廓之后,在Generate里選擇PlaneType,程序會(huì)按照輪廓所制定的平面范圍自動(dòng)生成截面。計(jì)算截面特性值時(shí),程序會(huì)通過(guò)網(wǎng)格自動(dòng)生成功能在截面的平面范圍內(nèi)生成網(wǎng)格之后,利用該網(wǎng)格計(jì)算各特性值。計(jì)算抗扭剛度時(shí),首先利用有限元方法計(jì)算Prandtl應(yīng)力函數(shù),通過(guò)對(duì)應(yīng)力函數(shù)進(jìn)行積分計(jì)算抗扭剛度。

二.Line形式的截面

對(duì)于薄壁截面,可先指定線的厚度畫(huà)出截面形狀之后,在Generate里選擇LineType生成截面。顯示LineType的線必須有厚度,因?yàn)槌绦蚴抢么撕穸扔?jì)算截面特性的。Line截面的抗扭剛度是根據(jù)剪力流(ShearFlow)計(jì)算的。

三.注意事項(xiàng)

對(duì)于MIDAS/Civil數(shù)據(jù)庫(kù)中提供的規(guī)則截面,利MIDAS/Civil的截面特性計(jì)算功能計(jì)算截面特性值比SPC更好一些。MIDAS/Civil數(shù)據(jù)庫(kù)中提供的PSC截面,當(dāng)用戶輸入的截面屬于薄壁型截面時(shí),應(yīng)使用SPC中的Line方式重新計(jì)算抗扭剛度,然后在截面特性值增減系數(shù)中對(duì)抗扭剛度進(jìn)行調(diào)整。

對(duì)于Plane形式的截面,程序是通過(guò)有限元法來(lái)近似計(jì)算抗扭剛度的。在抗扭問(wèn)題里使用的近似求解法有Ritz法(或者Galerkin法)、Trefftz法,所有的近似求解都與實(shí)際結(jié)果多少有點(diǎn)誤差,其特征如下:

JRitz≤JExact≤JTrefftz

像SPC一樣利用有限元法近似地計(jì)算抗扭剛度時(shí),通常使用Ritz法,故其計(jì)算結(jié)果有可能比實(shí)際的抗扭剛度小。用戶可通過(guò)加大網(wǎng)格劃分密度方法來(lái)提高結(jié)果的精確度。

對(duì)于Line形式的截面,如薄壁截面,線的厚度很薄時(shí)幾乎可以準(zhǔn)確地計(jì)算其抗扭剛度。但是如果是閉合截面(無(wú)開(kāi)口截面),這種計(jì)算方式會(huì)導(dǎo)致其抗扭剛度的計(jì)算結(jié)果隨著線厚度的增加而變小,所以對(duì)于不是薄壁截面的閉合截面應(yīng)盡量避免使用Line的方式計(jì)算截面特性。在SPC中對(duì)薄壁閉合截面,對(duì)閉合部分一定要使用model>closedloop>Register指定閉合。

SPC的建模窗口為x-y平面,構(gòu)件的縱向?yàn)閦軸。由SPC輸出的MIDAS/Civil的MCT(MGT)文件中,程序會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)軸。但是當(dāng)用戶在MIDAS/Civil中手工直接輸入并利用SPC計(jì)算的截面特性值時(shí),應(yīng)注意相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)軸。

四.在SPC中導(dǎo)入DXF文件

先在Tools/setting中選擇相應(yīng)的單位體系。如果在CAD中按米畫(huà)的則選擇米。

導(dǎo)入DXF。

在model/curve/intersect中進(jìn)計(jì)行交叉計(jì)算,以避免在CAD中有沒(méi)線有被分割的線段。

如果DXF文件中有圓曲線且有直線與之相交時(shí),導(dǎo)入過(guò)程中因?qū)A曲線轉(zhuǎn)換為直線,使原來(lái)的切線與圓曲線(已轉(zhuǎn)換為多邊形)不能相交時(shí),此時(shí)應(yīng)使用SPC中延伸的功能使其相交。

在Section/DomainState中定義稱截面名。

計(jì)算截面特性值。

當(dāng)內(nèi)截面中有內(nèi)部空心時(shí),可在定義截面名稱之前進(jìn)行下列操作。

1.在Section/DomainState中選擇各部分是否為“空”,當(dāng)區(qū)域中有紅色亮顯時(shí),按左鍵為實(shí)心,按右鍵為空心。

當(dāng)組截面由不同材料組成時(shí)(超過(guò)2種),在進(jìn)行完上面1操作后,進(jìn)行下列操作。

2.在Section/DomainMaterial中選擇各區(qū)域材料。需先定義材料名稱和特性值。在賦區(qū)予各區(qū)域材料特性時(shí),應(yīng)選擇某個(gè)材料為基本材料,一般選擇混凝土。

在計(jì)算不同材料組成的截面的特性值時(shí),應(yīng)選擇相應(yīng)的單元尺寸。一般來(lái)說(shuō)劃分越細(xì)越好,但劃分的太細(xì)計(jì)算時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)。一般鋼骨混凝土中選擇鋼板厚度的一半即可。

第六章橫向分布系數(shù)計(jì)算

本章介紹利用橋梁博士3.0計(jì)算梁橋橫向分布系數(shù)的方法。

第一節(jié)使用方法

一.新建或打開(kāi)橫向分布文檔

1.選擇“設(shè)計(jì)”菜單下的“橫向分布”命令;

2.選擇已有的文檔名稱或輸入一個(gè)新文檔名稱,則出現(xiàn)如

REF_Ref101601342\h

所示的窗口。

3.文件后綴名為sdt。

圖1

二.單項(xiàng)任務(wù)設(shè)計(jì)

1.設(shè)置任務(wù)標(biāo)識(shí)名:在“當(dāng)前任務(wù)標(biāo)識(shí)”框中鍵名稱。單擊“添加任務(wù)”按鈕。

2.選擇任務(wù)類型:在“當(dāng)前任務(wù)類型”列表框中選擇,共有3種類型。

3.描述任務(wù)內(nèi)容:當(dāng)任務(wù)類型確定后,在任務(wù)類型下面有2個(gè)按鈕,單擊這些按鈕,完成任務(wù)內(nèi)容描述。不同的任務(wù)類型,在“結(jié)構(gòu)描述”按鈕中的對(duì)應(yīng)不同的內(nèi)容。

4.顯示結(jié)果:?jiǎn)螕簟帮@示結(jié)果”按鈕,查看計(jì)算結(jié)果。

二.任務(wù)其它操作:

1.瀏覽任務(wù):在“任務(wù)清單列表”下拉框種選擇需要瀏覽的任務(wù)名稱。

2.刪除任務(wù):在“任務(wù)清單列表”下拉框種選擇需要?jiǎng)h除的任務(wù)名稱,然后單擊“刪除任務(wù)”按鈕。

3.插入任務(wù):在“任務(wù)清單列表”下拉框種選擇任務(wù)名稱(待插入任務(wù)將在此任務(wù)名稱前插入),在“當(dāng)前任務(wù)標(biāo)識(shí)”框中鍵入要插入的任務(wù)名稱,然后設(shè)計(jì)該任務(wù)(參見(jiàn)步驟2.任務(wù)設(shè)計(jì)中的后3步)。

4.修改任務(wù):在“任務(wù)清單列表”下拉框種選擇需要修改任務(wù)名稱,然后設(shè)計(jì)該任務(wù)(參見(jiàn)步驟2.任務(wù)設(shè)計(jì)中的后2步)。

三.橫向分布系數(shù)計(jì)算文件描述:

在“當(dāng)前文件描述”框中輸入描述內(nèi)容。

第二節(jié)計(jì)算內(nèi)容

橫向分布系數(shù)計(jì)算內(nèi)容有2個(gè)按鈕,其中單擊“結(jié)構(gòu)描述”按鈕時(shí)彈出的對(duì)話框內(nèi)容與選用的計(jì)算類型相關(guān)。

一.結(jié)構(gòu)描述-杠杠法

1.當(dāng)“當(dāng)前任務(wù)類型”為“杠杠法”時(shí),單擊“結(jié)構(gòu)描述”按鈕,將會(huì)出現(xiàn)如

REF_Ref101601359\h

圖1

所示的對(duì)話框。

SEQ圖\*ARABIC\s1

1

截面特征描述對(duì)話框

2.主梁間距:各個(gè)主梁間的間距,在輸入此項(xiàng)時(shí),系統(tǒng)支持(*)表達(dá)式;例如:輸入4*2,則表示共有5片主梁,各主梁間距都為2米。如

REF_Ref101601379\h

圖2

所示。

SEQ圖\*ARABIC\s1

2

主梁間距示意圖

3.邊主梁梁位線外側(cè)部分橋面,加載時(shí)采用直線外插計(jì)算。

二.結(jié)構(gòu)描述-剛性橫梁法

1.當(dāng)“當(dāng)前任務(wù)類型”為“剛性橫梁法”時(shí),單擊“結(jié)構(gòu)描述”按鈕,將會(huì)出現(xiàn)如

REF_Ref101601398\h

圖3

所示的對(duì)話框。

SEQ圖\*ARABIC\s1

3

2.主梁間距:參見(jiàn)本節(jié)“結(jié)構(gòu)描述-杠杠法中的主梁間距”。

3.主梁抗彎慣距:輸入對(duì)應(yīng)各主梁的抗彎慣矩,個(gè)數(shù)=主梁間距數(shù)+1,支持(*)表達(dá)式。

4.抗扭修正系數(shù):如果考慮主梁抗扭能力,則計(jì)入抗扭的修正系數(shù),其計(jì)算公式:,不考慮則輸入1。

三.結(jié)構(gòu)描述-剛接板梁法

1.當(dāng)“當(dāng)前任務(wù)類型”為“剛接板梁法”時(shí),單擊“結(jié)構(gòu)描述”按鈕,將會(huì)出現(xiàn)如

REF_Ref101601413\h

圖4

所示的對(duì)話框。

SEQ圖\*ARABIC\s1

4

2.主梁寬度:主梁左側(cè)到右側(cè)的距離。

3.抗彎慣矩:主梁的抗彎慣性矩。

4.抗扭慣矩:主梁的抗扭慣性矩。

5.與下一板鉸接:本梁右側(cè)與下一梁的左側(cè)為鉸接,不選表示該處剛接。最后一根主梁的該信息無(wú)效。

6.左板長(zhǎng)度:主梁左側(cè)懸臂板的懸臂長(zhǎng)度。

7.左板慣矩:主梁左側(cè)懸臂板沿跨徑方向每延米板截面繞水平軸的抗彎慣矩。

8.右板長(zhǎng)度:主梁右側(cè)懸臂板的懸臂長(zhǎng)度。

9.右板慣矩:主梁右側(cè)懸臂板沿跨徑方向每延米板截面繞水平軸的抗彎慣矩。

10.主梁跨度:主梁順橋向的計(jì)算跨徑。

11.G/E:主梁材料的剪切模量與彎曲模量的比值,對(duì)于混凝土一般為0.43。

12.添加:將當(dāng)前主梁信息添加到主梁信息列表框中。

13.修改:將當(dāng)前主梁信息替換主梁信息列表框中的當(dāng)前選擇項(xiàng)。

14.邊主梁外側(cè)部分橋面,加載時(shí)采用直線外插計(jì)算。主梁幾何如

REF_Ref101601434\h

圖5

所示。

SEQ圖\*ARABIC\s1

5

剛接板梁法主梁幾何示意

四.活載信息

1.單擊“活載信息”按鈕,系統(tǒng)將顯示如

REF_Ref101601450\h

圖6

所示的對(duì)話框。

SEQ圖\*ARABIC\s1

6

2.選擇汽車荷載、、掛車荷載類型,在人行荷載欄中輸入人群集度。

3.自動(dòng)計(jì)入汽車車道

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