MIDAS-CIVIL-钢桁梁桥建模及分析

第三章MIDAS/CIVIL钢桁梁桥建模及分析3.1概述易学易用，能够迅速、准确地完成类似结构的分析和设计是MIDAS的独到之处。MIDAS/Civil是针对土木结构，特别是分析预应力箱型桥梁、悬索桥、斜拉桥等特殊的桥梁结构形式，同时可以做非线性边界分析、水化热分析、材料非线性分析、静力弹塑性分析、动力弹塑性分析。本教程手把手教你如何使用MIDAS/Civil，以64m下承式铁路简支钢桁梁桥为例，详细介绍设定操作环境、建立模型、定制分析选项和查找计算结果的完整过程，旨在引导初学者快速熟悉和掌握MIDAS/Civil的基本操作和使用注意事项。本教程使用软件版本为2006，为了适应不同习惯的读者，该教程在尽可能多的地方给出了菜单和工具栏两种操作方式；为了使读者快速全面地掌握MIDAS的实际操作，本教程对同样的操作功能在不同的地方给出了尽可能多的实现方法，如对不同选择方式的操作。本教程中64m下承式铁路简支钢桁梁桥共8个节间，节间长度8m，主桁高11m，基本尺寸如图3.1所示。图3.164m下承式铁路简支钢桁梁桥结构的基本尺寸3.2设定操作环境3.2.1启动MIDAS/Civil安装完成后，双击桌面上或相应目录中的MIDAS/Civil的图标打开程序，启动界面如图3.2所示，分为主菜单、图标菜单、树形菜单、工具条、主窗口、信息窗口、状态条等部分。图3.2MIDAS/Civil的启动界面3.2.2创建新项目通过选择主菜单的文件→新项目(或者点击工具条按钮)创建新项目，之后选择文件→保存菜单(或者)设置路径保存项目。3.2.3定制工具条图3.3定制菜单对话框选择主菜单的工具→用户定制→用户定制…调出如图3.3所示定制工具条对话框，在Toolbars选项卡下，通过勾选复选框可以定制符合自己风格的工具条，该教程采用默认选项，点击按钮，关闭对话框。3.2.4设置单位体系(1)在主菜单中选择工具→单位体系，打开单位体系设置对话框，如图XN.4所示。(2)在长度栏中选择“m”。(3)在力(质量)栏中选择“kN”。(4)在热度栏中默认选择“kJ”。(5)在温度栏中默认选择“Celsius”。(6)点击按钮。图3.4单位体系设置对话框图图3.5显示选项对话框图※提示：MIDAS在建模和查看计算结果过程中可以随时更改长度和力的单位，以方便输入和查看。3.2.5设定建模环境(1)在屏幕左上角图标菜单中选择常用→，确保捕捉节点和捕捉单元功能图标呈现暗红色，处于被选中状态。(2)在图标菜单中点击常用→，确保消隐功能图标呈现淡蓝色，不被选中。(3)在图标菜单中选择UCS/GCS→，确保全局坐标系功能处于被选中状态。(4)在图标菜单中选择视图控制→显示选项，调出显示选项对话框，在颜色选项卡下点击按钮，如图3.5所示，点击按钮关闭对话框。※提示：这里使用白色背景是为了抓图方便，实际操作中建议使用黑色背景。(5)在屏幕右侧工具条点击，正面显示主窗口。3.3建立模型3.3.1输入构件的材料数据(1)在主菜单中选择模型→材料和截面特性→材料（或在图标菜单中选择特性→按钮），调出图XN.6(a)所示对话框。(2)点击按钮，调出材料数据对话框，如图XN.6(b)所示。(3)在一般的材料号输入栏中确认“1”。(4)在设计类型选择栏确认“钢材”。(5)在钢材的规范栏选择“GB(S)”。(6)在数据库选择栏选择“16Mnq”。(7)点击按钮，添加新材料后的材料数据对话框如图XN.6(c)所示。(a)(c)(b)图XN.6添加材料3.3.2输入构件的截面数据(1)在材料和截面对话框中选择截面选项卡(或在图标菜单中选择特性→截面)，调出如图XN.7(a)所示添加截面对话框。(2)点击按钮，打开如图XN.7(b)所示。(a)(b)图XN.7添加截面对话框表XN.1截面特性值表杆号名称类型截面形状HB1(B)twtf1(tf)B2tf2C1下弦杆E0E2用户H型截面0.460.460.010.0120.460.0122下弦杆E2E4用户H型截面0.460.460.0120.020.460.023上弦杆A1A3用户H型截面0.460.460.0120.020.460.024上弦杆A3A3’用户H型截面0.460.460.020.0240.460.0245斜杆E0A1用户H型截面0.460.60.0120.020.60.026斜杆A1E2用户H型截面0.460.440.010.0120.440.0127斜杆E2A3用户H型截面0.460.460.010.0160.460.0168斜杆A3E4用户H型截面0.460.440.010.0120.440.0129竖杆用户H型截面0.460.260.010.0120.260.01210横梁用户H型截面1.290.240.0120.0240.240.02411纵梁用户H型截面1.290.240.010.0160.240.01612下平纵联斜杆用户T型截面*10.160.180.010.0113桥门架上下横撑和短斜撑用户双角钢截面*10.080.1250.010.010.0114桥门架长斜撑用户双角钢截面*10.10.160.010.010.0115横联上横撑用户双角钢截面*10.10.10.010.010.0116横联下横撑和斜杆用户双角钢截面*10.080.1250.010.010.0117上平纵联斜杆用户T型截面*102520.240.0120.01218纵梁间水平斜杆用户角钢*10.10.10.010.0119纵梁间横向连接用户角钢*10.090.090.0090.00920制动撑架用户T型截面*10.160.180.010.01注：标注*1截面，修改偏心为“中－上部”(3)在数据库/用户选项卡的截面号输入栏确认“1”。(4)在名称输入栏输入“下弦杆E0E2”。(5)在截面形状中选择“工字形截面”。(6)在用户和数据库中选择“用户”。(7)在H对应文本框中输入“0.46”。(8)在B1对应文本框中输入“0.46”。(9)在tw对应文本框中输入“0.01”。(10)在tf1对应文本框中输入“0.012”。(11)在B2对应文本框中输入“0.46”。(12)在tf2对应文本框中输入“0.012”。(13)其它保持默认设置，点击按钮。(14)参考(2)～(13)的步骤依次输入截面2～20，其截面特性数据详见表XN.1。(15)对话框中会显示刚增加截面的编号、名称、类型及其形状，添加截面后对话框如图XN.8所示，点击材料和截面对话框中的按钮图XN.8添加完截面后的对话框3.3.3建立主桁架3.3.3.1建立下弦杆(1)在图标菜单中选择视图控制→，在主窗口中显示节点号和单元号。(2)在屏幕右侧工具条点击，打开自动对其功能。(3)选择主菜单模型→节点→建立节点(或者选择图标菜单节点→)。(4)在屏幕左侧文本框填写如图XN.9(a)所示：坐标(0，0，0)，复制次数(8)，距离(8，0，0)；点击按钮。※提示：数学建模形成自己的惯用整体坐标系是个好习惯，本实例采用纵向为X轴，横向为Y轴，竖向为Z轴。(5)选择主菜单模型→单元→建立(或者选择图标菜单单元→)。(6)在屏幕左侧设置如图XN.9(b)所示：单元类型选择一般梁/变截面梁，材料名称选择1:16Mnq，截面名称选择1:下弦杆E0E2，Beta角选择90，选中交叉分隔中的节点和单元复选框，用鼠标依次拾取节点1和3。(7)更改截面号为2，名称为2:下弦杆E2E4；用鼠标依次拾取节点3和5。(8)在工具条中点击全选图标按钮；选择主菜单模型→单元→镜像(或者选择图标菜单单元→)。设置如图XN.9(c)所示：形式为复制，镜像平面为y-z平面x:32m，其它默认，点击按钮。(a)(b)(c)图XN.9建立下弦杆※提示：在MIDAS软件中，为了便于用户理解和输入，引进了构件β角的概念。当梁单元的单元坐标系x轴和整体坐标系的X轴平行时，单元的β角为整体坐标系Z轴和单元坐标系z轴的夹角，夹角的符号由绕单元坐标系x轴旋转的右手法则决定。下弦杆β角计算如图XN.10所示。Y：整体坐标系横向Z：整体坐标系竖向y：单元坐标系横向z：单元坐标系竖向β：下弦杆单元坐标系β角，90角计算XN.10下弦杆※提示：在用镜像功能填写镜象平面坐标的时候，可以通过两种方式来完成：(1)点击所需镜像平面对应的文本框，直接填写对称平面坐标数值；(2)点击所需镜像平面对应的文本框后，在主窗口结构中挪动鼠标，文本框中的数值会随着鼠标处节点坐标的变化而变化，点击对称平面上任一点的即可得到所需坐标值，这样就省去了计算坐标值的麻烦。3.3.3.2建立上弦杆(1)在工具条中点击窗口选择按钮，选取中间7个节点(节点号为2~8)。※提示：在用窗口选择方式选取对象的时候，需要用鼠标点击对角线的两点确定一个矩形框，点取一点后，先放开鼠标键再去确定下一点。MIDAS中选择方向不一样，所选取对象会所有不同：(1)从左往右选择，选择区域以边界矩形框和两条对角线表示，见图XN.11(a)，全部被包围的对象才会被选中，与矩形框相交的对象不会选中；(2)从右往左选择，选择区域仅以边界矩形框表示，见图XN.11(b)，被包围在矩形框内以及与矩形框相交的对象都会被选中。该处选择的是节点，只求选择区域包围2~8节点，两个选择方向均可。(a)(b)图XN.11MIDAS的窗口选择方式(2)选择主菜单模型→节点→复制和移动(或者选择图标菜单节点→)，复制节点；在主窗口左侧出现复制节点设置选项如图XN.12所示，设置如下：形式选择复制；等间距设置为(0，0，11)；复制次数为(1)；其它默认，点击按钮。图XN.12复制节点设置选项(3)选择主菜单模型→单元→建立(或者选择图标菜单单元→)。(4)参考图XN.9(b)：单元类型选择一般梁/变截面梁，材料名称选择1:16Mnq，截面名称选择3:上弦杆A1A3，Beta角选择90，选中交叉分隔中的节点和单元复选框，在主窗口中用鼠标依次拾取节点10和12，拾取节点14和16。(5)截面名称选择4:上弦杆A3A3’；用鼠标依次拾取节点12和14。3.3.3.3建立斜杆(1)截面名称选择5:斜杆E0A1；用鼠标依次拾取节点1和10。(2)截面名称选择6:斜杆A1E2；用鼠标依次拾取节点10和3。(3)截面名称选择7:斜杆E2A3；用鼠标依次拾取节点3和12。(4)截面名称选择8:斜杆A3E4；用鼠标依次拾取节点12和5。(5)在工具条中点击交叉线选择按钮，选择单元15~18。※提示：用交叉线选择方式选取单元的时候，在主窗口中用鼠标连续画出的任意线，与该线相交的单元均被选择。起点和中间折点需要单击鼠标确定，最后一点通过双击鼠标完成。选择斜杆单元如图XN.13所示，为演示交叉线选择的丰富功能，图中使用的折线路径，实际操作上只需要从起始点到终点画一直线即可，被选中的单元将以红色线条显示。图XN.13交叉线选择单元(6)选择主菜单模型→单元→镜像(或者选择图标菜单单元→)。(7)设置参考图XN.9(c)：形式选择复制，镜像平面为y-z平面x:32m，其它默认，点击按钮。3.3.3.4建立竖杆(1)选择主菜单模型→单元→建立(或者选择图标菜单单元→)。※提示：当梁单元的单元坐标系x轴和整体坐标系的Z轴平行时，单元的β角为整体坐标系X轴和单元坐标系z轴的夹角，夹角的符号由绕单元坐标系x轴旋转的右手法则决定。竖杆β角计算如图XN.14所示。Y：整体坐标系横向Z：整体坐标系竖向y：单元坐标系横向z：单元坐标系竖向β：下弦杆单元坐标系β角，90图XN.14竖杆角计算(2)参考图XN.9(b)：截面名称选择9:竖杆，Beta角选择90，其它默认，在主窗口中用鼠标依次拾取节点2和10。(3)在工具条中点击单选按钮，选择刚刚建立的竖杆单元23。(4)选择主菜单模型→单元→复制和移动(或者选择图标菜单单元→)。(5)在主窗口左侧控制对话框中设置下：等间距dx,dy,dz：(8，0，0)；复制次数：(6)；其它默认，点击按钮。※提示：步骤(3)(4)(5)目