midas斜拉桥建模要点

斜拉桥成桥阶段和正装施工阶段分析目录概要1桥梁基本数据2荷载2设定建模环境3定义材料和截面特性值4成桥阶段分析6建立模型7建立加劲梁模型8建立主塔9建立拉索11建立主塔支座12输入边界条件13索初拉力计算14定义荷载工况18输入荷载19运行结构分析24建立荷载组合24计算未知荷载系数25查看成桥阶段分析结果29查看变形形状29正装施工阶段分析30正装施工阶段分析34正装施工阶段分析34正装分析模型36定义施工阶段38定义结构组41定义边界组48定义荷载组53定义施工阶段59施工阶段分析控制数据64运行结构分析65查看施工阶段分析结果66查看变形形状66查看弯矩67查看轴力68查看计算未闭合配合力时使用的节点位移和内力值69成桥阶段分析和正装分析结果比较70斜拉桥成桥阶段与正装施工阶段分析概要斜拉桥是塔、拉索和加劲梁三种基本结构组成的缆索承重结构体系，桥形美观，且根据所选的索塔形式以及拉索的布置能够形成多种多样的结构形式，容易与周边环境融合，是符合环境设计理念的桥梁形式之一。为了决定安装拉索时的控制张拉力，首先要决定在成桥阶段恒载作用下的初始平衡状态，然后再按施工顺序进行施工阶段分析。一般进行斜拉桥分析时首先通过倒拆分析计算初张拉力，然后进行正装施工阶段分析。在本例题将介绍建立斜拉桥模型的方法、计算拉索初拉力的方法、施工阶段分析方法、采用未闭合配合力功能只利用成桥阶段分析张力进行正装分析的方法。本例题中的桥梁模型为三跨连续斜拉桥（如图1），主跨110m、边跨跨经为40m。图1.斜拉桥分析模型斜拉桥成桥阶段与正装施工阶段分析桥梁基本数据为了说明斜拉桥分析步骤，本例题采用了较简单的分析模型，可能与实际桥梁设计内容有所差异。本例题桥梁的基本数据如下。桥梁形式三跨连续斜拉桥桥梁跨经40.0m+110.0m+40.0m=190.0m桥梁高度主塔下部:20m，主塔上部:40m图2.立面图荷载分类荷载类型荷载值自重自重程序内部自动计算索初拉力初拉力荷载满足成桥阶段初始平衡状态的索初拉力挂篮荷载节点荷载80tonf支座强制位移强制位移10cm使用MIDAS/Civil软件内含的优化法则计算出索初拉力。索主塔主梁主梁主塔索40m110m40m斜拉桥成桥阶段与正装施工阶段分析设定建模环境为了做斜拉桥成桥阶段分析首先打开新项目“cablestayed”为名保存文件，开始建立模型。单位体系设置为“m”和“tonf”。该单位体系可以根据输入的数据类型随时随意更换。文件/新项目文件/保存(cablestayed)工具/单位体系长度＞m；力＞tonf图3.设定建模环境及单位体系斜拉桥成桥阶段与正装施工阶段分析定义材料和截面特性值输入加劲梁、主塔下部、主塔上部、拉索的材料特性值。在材料和截面对话框中选择材料表单点击按钮。模型/材料和截面特性/材料名称(加劲梁)设计类型用户定义弹性模量(2.1e7);泊松比(0.3)容重(7.85)按上述方法参照表1输入主塔下部、主塔上部、拉索的材料特性值。表1.材料特性值号项目弹性模量(tonf/m2)泊松比容重(tonf/m3)1加劲梁2.1×1070.37.852主塔下部2.5×1060.172.53主塔上部2.1×1070.37.854拉索1.57×1070.37.85图4.定义材料特性值定义多种材料时，使用按钮会更方便一些。斜拉桥成桥阶段与正装施工阶段分析输入加劲梁、主塔下部、主塔上部、拉索的截面特性值。在材料和截面特性对话框的截面表单选择按钮。模型/材料和截面特性/截面数值表单截面号(1);名称(加劲梁)截面形状实腹长方形截面截面特性值面积(0.8)按上述方法参照表2输入加劲梁、主塔下部、主塔上部、拉索的截面特性值。表2.截面特性值号项目截面形状面积(m2)Ixx(m4)Iyy(m4)Izz(m4)1加劲梁实腹长方形0.815.01.015.02主塔下部实腹长方形50.01000.0500.0500.03主塔上部实腹长方形0.35.05.05.04拉索实腹圆形0.0050.00.00.0图5.定义截面特性值对话框斜拉桥成桥阶段与正装施工阶段分析成桥阶段分析建立好成桥阶段模型后计算自重和二期荷载引起的索初拉力。然后利用拉索初拉力进行成桥阶段初始平衡状态分析。首先建立斜拉桥的成桥阶段二维模型，利用包含索力优化功能的未知荷载系数功能计算拉索初拉力。斜拉桥成桥阶段模型参见图6。图6.斜拉桥成桥阶段模型斜拉桥成桥阶段与正装施工阶段分析建立模型首先建立成桥阶段分析模型，待成桥阶段分析结束后另存为其它名称做施工阶段分析。建立斜拉桥成桥阶段模型的详细步骤如下。1.建立加劲梁模型2.建立主塔模型3.建立拉索模型4.生成主塔上的支座5.输入边界条件6.拉索初拉力计算：利用未知荷载系数功能7.输入荷载工况以及荷载8.运行结构分析9.计算位置荷载系数斜拉桥成桥阶段与正装施工阶段分析建立加劲梁模型首先用建立节点功能建立节点后使用扩展单元功能生成9@10+2@5+9@10m的梁单元模型。正面,捕捉节点(开),捕捉点栅格(开)自动对齐(开),节点号(开)模型/节点/建立节点坐标(-95,0,0)模型/单元/扩展单元全选扩展类型节点线单元单元属性单元类型梁单元材料1:加劲梁;截面1:加劲梁生成类型复制和移动复制和移动任意间距;方向x间距9@10,2@5,9@10图7.建立加劲梁单元斜拉桥成桥阶段与正装施工阶段分析建立主塔在主塔下部利用建立节点功能建立节点后，利用扩展功能建立10m＋5m的主塔下部梁单元。模型/节点/建立节点坐标(-55,0,-20)复制复制次数(1);距离(110,0,0)模型/单元/扩展单元窗口选择(节点:图8的①；节点22，23)生成类型节点线单元单元属性单元类型梁单元材料2:主塔下部;截面2:主塔下部生成类型复制和移动复制和移动任意间距;方向z间距10,5图8.建立主塔下部①选择节点22,23선택斜拉桥成桥阶段与正装施工阶段分析选择节点后利用扩展功能建立加劲梁上部梁单元（10m+5m+3@10m）。模型/单元/扩展单元窗口选择(节点:图9的①；节点26，27)扩展类型节点线单元单元属性单元类型梁单元材料3:主塔上部;截面3:主塔上部生成类型复制和移动复制和移动任意间距;方向z间距15,3@10图9.建立主塔上部①选择节点26,27①斜拉桥成桥阶段与正装施工阶段分析建立拉索利用建立单元功能建立拉索单元。显示单元单元坐标轴(开)模型/单元/建立单元单元类型桁架单元材料4:拉索;截面4:拉索;Beta角(0)节点连接(34,1)节点连接(34,3)节点连接(34,7)节点连接(34,9)节点连接(35,13)节点连接(35,15)节点连接(35,19)节点连接(35,21)图10.建立拉索斜拉桥成桥阶段与正装施工阶段分析建立主塔支座使用弹性连接(ElasticLink)建立主塔上的支座。支座的支承条件如下：SDx:500000tonf/m,SDy:100000000tonf/m,SDz:1000tonf/m模型/边界条件/弹性连接窗口缩放(图21的①)选项添加;连接类型一般类型SDx(tonf/m)(500000);SDy(tonf/m)(100000000);SDz(tonf/m)(1000)剪切型弹性支承位置(开)到端点I的距离比:SDy(1);SDz(1)Beta角(0)2点(26,5)2点(27,17)图11.建立主塔支座①①窗口放大输入剪切型弹性支座在弹性连接单元的位置。调整弹性连接单元的布置方向。弹性连接单元是把两个节点按用户所需要的刚度连接而形成的有限计算单元。弹性连接单元由3个轴向刚度值和3个旋转刚度组成，6个自由度按弹性连接单元的单元坐标系输入。弹性连接单元轴向刚度输入单位长度所施加的力，旋转刚度输入单位转角所施加的弯矩值。斜拉桥成桥阶段与正装施工阶段分析输入边界条件分析模型的边界条件如下。主塔下端:固定端(Dx,Dy,Dz,Rx,Ry,Rz)桥台下端:铰支座(Dy,Dz,Rx,Rz)输入主塔和桥台处边界条件。自动对齐模型/边界条件/一般支承窗口选择(节点:图12的①；节点22,23)边界组名称默认值选项添加;支承类型D-ALL,R-ALL窗口选择(节点:图12的②；节点1,21)边界组名称默认值选项添加;支承类型Dy,Dz,Rx,Rz图12.输入边界条件①②③④①②①②斜拉桥成桥阶段与正装施工阶段分析索初拉力计算为了改善斜拉桥成桥阶段的加劲梁、主塔、拉索、支座的受力状态，给拉索施加初拉力荷载，使之与恒荷载平衡。斜拉桥是多次超静定结构体系，所以计算拉索初拉力需要多次的反复计算。另外，对于每跟拉索的张力并不是只有一个解，对同一个斜拉桥不同的设计者可以选择不同的拉索初拉力。MIDAS/Civil的未知荷载系数功能使用了索力优化法则，可以计算出特定约束条件的最佳荷载系数，在计算斜拉桥拉索初拉力非常有效。使用未知荷载系数功能计算斜拉桥拉索初拉力的计算步骤如表3。表3.拉索初拉力计算步骤流程图步骤1.建立斜拉桥模型步骤2.定义主梁恒荷载和拉索的单位荷载的荷载工况步骤3.输入恒荷载和单位荷载步骤4.建立恒荷载和单位荷载的荷载组合步骤5.使用未知荷载系数功能计算未知荷载系数步骤6.查看分析结果以及索初拉力斜拉桥成桥阶段与正装施工阶段分析初始平衡状态分析为了使斜拉桥结构在恒载作用下拉索垂度、加劲梁纵段变形、拉索锚固点坐标、拉索张力、主塔坐标达到设计期望值，通过初始平衡状态分析计算初始节点坐标、拉索变形前长度、拉索初始张拉力。斜拉桥设计时，最重要的是如何使加劲梁和主塔的弯曲内力达到最小状态。通过初始平衡状态分析可以使恒载作用下成桥阶段变形形状接近于设计期望状态时，内力也会达到最小状态。对于斜拉桥分析，初始平衡状态分析非常重要,且初始平衡状态分析能够计算出变形前拉索长度、追踪拉索张力、加劲梁和主塔的预拱度、加劲梁的弯矩图等设计参数。斜拉桥的特殊结构体系决定了主塔和加劲梁上将产生很大的轴力，这些轴力和拉索的张力决定结构的变形形状。为了确定拉索的初始张力，桥轴方向的变形和拉索的张力要反映到结构分析计算中。但斜拉桥是多次超静定结构体系，计算拉索初拉力需要多次的反复计算，所以计算出满足初始状态分析的施工控制张力不是简单的事情。另外，对于每跟拉索的张力并不是只有一个解，对同一个斜拉桥不同的设计者可以计算出不同的拉索初拉力。指定受力状态的索力优化(TraditionalZeroDisplacementMethod)目前一般的斜拉桥都会使用多拉索结构，所以拉索的横向分力对加劲梁的弯曲内力的影响可忽略不计。可以假设加劲梁弯曲内力由斜拉索竖向分力和加劲梁恒载作用下产生。此方法为使拉索的锚固点的竖向位移接近“0”的方法，如果设计纵段线形比较完美时，加劲梁的弯矩分布与恒载作用下的刚性支承连续梁的状态比较接近。将梁、索交点处设以刚性支承进行分析，计算出各支点反力，利用索力的竖向分力与刚性支点反力相等的条件，计算其索力。只要加劲梁处斜拉索端部张力的竖向分力被确定，就不难计算出其水平分力和另一端的水平、竖向分力了。利用计算得出的各分力，施加在没有拉索体系的结构上计算出加劲梁和主塔的弯矩分布情况。以此弯矩分布为目标，进行反复调索。反复调索步骤如下：①约束主塔的水平方向位移，张拉跨中拉索使跨中的加劲梁达到“0”位移状态。②解除主塔的水平方向位移，张拉边跨斜拉索使边跨加劲梁和主塔达到“0”位移状态。上述方法如图13所示。此方法假设结构变形为线性变形，使用影响矩阵来进行计算。最终纵段线形接近期望状态时，加劲梁弯矩分布就会与刚性支承连续梁的状态非常接近。斜拉桥成桥阶段与正装施工阶段分析(a)恒荷载作用下的变形(调索前)(b)固定主塔横向位移，恒荷载作用下的变形(调索前)(c)跨中调索(d)解除主塔水平方向约束(e)边跨调索图13.初始平衡状态分析步骤斜拉桥成桥阶段与正装施工阶段分析利用MIDA