斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析MIDAS算例

斜拉桥成桥阶段和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定义材料和截面的特性值/4成桥阶段分析5结构建模/7生成二维模型/8建立索塔模型/10建立三维模型/13建立主梁横向系梁/15建立索塔横梁/17生成索塔上的主梁支座/19生成桥墩上的主梁支座/23输入边界条件/25计算拉索初拉力/28输入荷载条件/29输入荷载/30运行结构分析/33建立荷载组合/34计算未知荷载系数/35查看成桥阶段分析结果39查看变形形状/39施工阶段分析40施工阶段分类/41逆施工阶段分类/42逆施工阶段分析/42输入拉索初拉力/45定义施工阶段/49定义结构群/50指定边界群/53指定荷载群/56建立施工阶段/59输入施工阶段分析数据/61运行结构分析/61查看施工阶段分析结果62查看变形形状/62查看弯矩/63查看轴力/64施工阶段分析变化图形/65概要斜拉桥将拉索和主梁有机地结合在一起，不仅桥型美观，而且根据所选的索塔型式以及拉索的布置能形成多种多样的结构形态，易与周边环境融合，是符合环境设计理念的桥梁形式之一。斜拉桥对设计和施工技术的要求非常严格，斜拉桥的结构分析与设计与其它桥梁形式有很大不同，设计人员需具有较深厚的理论基础和较丰富的设计经验。在斜拉桥设计中，不仅要对恒荷载和活荷载做静力分析，而且必须做特征值分析、移动荷载分析、地震分析和风荷载分析。为了决定各施工阶段中设置拉索时的张力，首先要决定在成桥阶段自重作用下的初始平衡状态，然后按顺序做施工阶段分析。在本例题中将介绍建立斜拉桥分析模型的方法、计算拉索初拉力的方法、施工阶段分析的步骤以及查看分析结果的方法。本例题中的桥梁模型如图1所示为三跨连续斜拉桥，中间跨径为220m、边跨跨径为100m。图1斜拉桥分析模型桥梁基本数据为了说明斜拉桥分析的步骤，本例题桥梁采用了比较简单的分析模型，可能与实际桥梁设计内容有所不同。本例题桥梁的基本数据如下。桥梁形式:三跨连续斜拉桥(自锚式)桥梁等级:1级桥梁全长:100.0m+220.0m+100.0m=420.0m桥梁宽度:15.6m设计车道:2车道图2斜拉桥纵向立面图荷载自重:由程序内部自动计算二期恒载:桥面铺装、护墙荷载等拉索初拉力:满足成桥阶段初始平衡状态的拉索张力图3索塔2@3+8@10+14=m14+8@10+2@3=m14+9@10+12+9@10+14=mmmmm圆曲线使用CIVIL中内含的优化法则计算出拉索的初拉力。5%5%设定建模环境为了做斜拉桥的成桥阶段分析首先打开新项目(新项目)以‘cablestayed’名字保存(保存)文件。然后将单位体系设置为‘tonf’和‘m’。该单位体系可以根据输入的数据类型随时随意地更换。文件/新项目文件/保存(cablestayed)工具/单位体系长度m;力tonf图4设定单位体系定义材料和截面的特性值输入拉索、主梁、索塔、横向系梁、索塔横梁的材料特性值。在特性值对话框中的材料表单里点击键。模型/特性值/材料名称(拉索)类型用户定义弹性模量(2.0e7);泊松比(0.3)比重(7.85)按上述方法参照表1输入主梁、索塔、主梁横向系梁、索塔横梁等的材料特性值。表1材料特性值号项目弹性模量(tonf/m2)泊松比比重(tonf/m3)1拉索2.0×1070.37.852主梁2.1×1070.37.853索塔2.0×1060.172.54主梁横向系梁2.0×1070.37.855索塔横梁2.0×1060.172.5图5定义材料特性对话框定义多种材料时，使用按钮会更方便一些。输入拉索、主梁、索塔、主梁横向系梁、索塔横梁等的截面特性值。在特性值对话框中的截面表单里点击键。模型/特性值/截面特性值表单截面号(1);名称(拉索)截面形状实心长方形计算特性值Area(0.0052)按上述方法参照表2输入主梁、索塔、主梁横向系梁、索塔横梁等的截面特性值。表2截面特性值号项目Area(m2)Ixx(m4)Iyy(m4)Izz(m4)1拉索0.00520.00.00.02主梁0.39020.0070.15774.76203索塔9.200019.5125.56708.12304主梁横向系梁0.04990.00310.04470.13315索塔横梁7.200015.7914.47207.9920图6定义截面特性对话框成桥阶段分析本例题在建立了成桥阶段模型后将计算因自重和二期恒载引起的拉索初拉力。然后利用拉索的初拉力做成桥阶段初始平衡状态分析。首先使用MIDAS/CIVIL提供的斜拉桥建模助手功能生成二维斜拉桥模型，然后利用二维模型通过复制等手段建立三维斜拉桥模型。使用包含有优化法则的未知荷载系数功能可以很方便地求出成桥阶段的拉索初拉力。斜拉桥成桥阶段模型参见图7。图7斜拉桥成桥阶段模型结构建模本例题中建立斜拉桥模型的步骤是首先建立成桥阶段模型，然后做成桥阶段分析，最后使用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.生成斜拉桥二维模型:利用斜拉桥建模助手2.建立索塔模型3.扩建为三维模型4.建立主梁横向系梁5.生成索塔上的主梁支座6.生成桥墩上的主梁支座7.输入边界条件8.计算拉索初拉力:利用未知荷载系数功能9.输入荷载及荷载条件10.运行结构分析11.计算未知荷载系数生成二维模型在MIDAS/CIVIL提供的斜拉桥建模助手中输入结构的一些基本数据，程序将自动生成斜拉桥的二维模型。在斜拉桥建模助手中输入下面数据。正面点栅格(关)捕捉点栅格(关)捕捉轴网(关)捕捉节点(开)捕捉单元(开)模型/结构建模助手/斜拉桥建模助手类型对称桥梁AX(m)(0);Z(m)(25);BX(m)(100);Z(m)(90)索塔高度H1(m)(90)材料拉索1:拉索;主梁2:主梁;索塔3:索塔截面拉索1:拉索;主梁2:主梁;索塔3:索塔选择拉索和吊杆的单元类型桁架单元桥面形状(开)左侧坡度(%)(5);弧形坡度弦长(m)(220)拉索间距和高度左边跨(3,8@10,14);(1.2,3@1.5,3@2,2@2.3,45)中间跨(14,9@10,12,9@10,14)图8斜拉桥建模助手对话框使用斜拉桥建模助手建立斜拉桥模型时，边跨和中间跨主梁均被建成为简支梁，将拉索和吊杆的单元类型选择为桁架单元时，拉索和吊杆将按桁架单元单元计算；选择为只受拉单元(索单元)时，线性分析时拉索按等效桁架单元计算，非线性分析时拉索按弹性悬索单元计算。两侧边跨坡度为5%，中间跨为与两边跨相切的圆弧曲线。只要在斜拉桥建模助手中输入拉索、主梁、索塔的材料和截面特性值以及基本布置，程序将自动生成斜拉桥二维模型。在查看选项中选择实际图形时，在建模助手窗口中将显示实际输入的斜拉桥二维模型形状。所以在主梁与索塔相交处，将生成重复的节点。因为本例题桥梁为自锚式斜拉桥，所以主梁应为三跨连续梁形式，重复的节点需使用合并节点功能删除，从而使主梁满足连续条件。节点号(开)正面模型/单元/合并节点合并全部合并误差(0.001)删除重复节点(开)合并了节点34和35后的模型合并了节点34和35后的模型图9生成斜拉桥二维模型窗口缩放合并了节点34和35后的模型建立索塔模型本例题斜拉桥模型索塔顶部宽度为15.6m、底部宽度为19.6m。为了建立倾斜的索塔模型使用移动和复制节点功能将索塔底端向Y轴方向移动–2m。左面自动对齐节点号(关)模型/节点/移动和复制节点窗口选择(节点:图10的①)模式移动;间距不等间距方向y;距离(m)(-2)图10倾卸布置索塔①移动索塔底端节点–2m选择节点70、71倾斜布置的索塔构件的单元坐标轴因节点的移动发生了变化。这是因为MIDAS/CIVIL根据单元的布置方向决定Beta角。为了容易查看分析结果，将索塔构件的Beta角修改为-90°，使索塔上部和下部单元的单元坐标轴一致。显示单元局部坐标轴(开)模型/单元/修改单元特性值交叉选择(单元:图11的①)参数类型Beta角Beta角(度)(-90)图11修改索塔构件的单元坐标轴关于Beta角的详细说明请参照“三维框架例题”或土木结构分析中的“单元类型以及主要考虑事项”章节中“桁架单元”部分。①修改成与索塔顶端单元坐标轴一致修改单元坐标轴交叉选择为了建立索塔横梁，使用分割单元功能沿Z轴方向分割单元。模型/单元/分割单元选择前次分割单元类型杆系(开);不等间距(开)x(m)(10,36)图12分割索塔构件36.0m10.0m分割索塔构件前次选择建立三维模型因为桥梁宽度为15.6m，所以首先将二维斜拉桥模型沿Y轴方向移动-7.8m。模型/节点/移动和复制节点全选模式移动;间距不等间距方向y;距离(m)(-7.8)-图13将二维斜拉桥模型沿Z轴方向移动–7.8m-7.8m垂直桥梁方向中心线使用镜像单元功能将拉索、主梁、索塔单元以垂直桥梁方向中心线镜像复制。为了使复制的索塔的单元坐标系与原来的一致，应打开镜像Beta角选项。模型/单元/镜像单元全选模式复制镜像面z-x平面(m)(0)镜像Beta角(开)图14建立斜拉桥三维模型7.8m-7.8m镜像垂直桥梁方向中心线建立主梁横向系梁关闭显示单元坐标轴，使用扩展单元中由节点生成线单元的功能建立主梁的横向系梁。顶面显示单元局部坐标轴(关)模型/单元/扩展单元选择属性-节点选择类型材料节点(开);单元(关)(2:主梁)解除选择窗口(节点:图15的①)扩展类型节点→线单元单元属性单元类型梁单元材料4:主梁的横向系梁截面4:主梁的横向系梁生成方式复制间距等间距;dx,dy,dz(0,-15.6,0)复制次数(1)图15建立主梁的横向系梁单元①建立索塔横梁为了提高建立模型的效率，在建立索塔横梁模型之前只将索塔构件激活。正面窗口选择(图16的①)激活图16选择索塔构件激活索塔构件①①第1号索塔第2号索塔使用建立单元功能建立索塔横梁单元。标准节点号(开)捕捉单元(关)模型/单元/建立单元单元类型一般梁/变截面梁材料5:索塔横梁截面5:索塔横梁连接节点(142,72)(145,73)(144,74)(147,75)图17建立索塔横梁模型建立索塔横梁模型生成索塔上的主梁支座使用投影节点功能，设置主梁在索塔上的支座位置。模型/节点/投影节点窗口缩放(图18的①)模式复制;投影类型投影节点到线上窗口选择(节点:图18的②)定义基准线P1(145);P2(73);方向法向合并重复节点(开)窗口缩放(图18的③)模式复制;投影类型投影节点到线上窗口选择(节点:图18的④)定义基准线P1(147);P2(75);方向法向合并重复节点(开)图18生成索塔上的主梁支座节点①③窗口选择窗口选择④②因为使用投影节点复制到索塔横梁单元上的节点并没有和横梁单元连接(只是投影在横梁单元上)，所以应使用分割单元功能分割索塔横梁单元。捕捉单元(开)单元号(开)模型/单元/分割单元窗口缩放(图19的①)单元类型杆系(开);被节点分割(开)被分割的单元(267);分割点(149)被分割的单元(267);分割点(150)窗口缩放(图19的②)被分割的单元(269);分割点(151)被分割的单元(269);分割点(152)图19分割索塔横梁用鼠标选择或直接输入欲分割的单元号，然后选择分割点分割单元。以投影在索塔横梁上的节点为分割点分割单元。①②窗口选择窗口选择262267264269使用移动和复制节点功能，在索塔的主梁支座位置生成节点。单元号(关)模型/节点/移动和复制节点窗口缩放(图20的①)窗口选择(节点:150,149)窗口缩放(图20的②)窗口选择(节点:152,151)模式复制;间距等间距dx,dy,dz(0,0,0.27)`图20生成索塔上的主梁支座节点窗口选择窗口选择①②使用弹性连接单元(ElasticLink)模拟索塔上的支座。支座的基本数据如下。SDx:20,367,407tonf/m,SDy:7,483tonf/m,SDz:7,483