悬臂梁桥分析与设计说明

悬臂梁桥分析与设计说明1.概要本桥为30+50+30三跨混凝土悬臂梁桥，其中中跨为挂孔结构，挂孔梁为普通钢筋混凝土梁，梁长16m。墩为钢筋混凝土双柱桥墩，墩高15m。（注：本例题并非实际工程，仅作为软件功能介绍的参考例题。）在简化过程中省略了边跨合龙段模拟、成桥温度荷载模拟。通过本例题重点介绍MIDAS/Civil软件的施工阶段分析功能、钢束预应力荷载的输入方法、移动荷载的输入方法和查看分析结果的方法等。阶段01--双悬臂阶段02--最大悬臂阶段03--边跨满堂施工阶段04--挂梁阶段05--收缩徐变图1.分析模型桥梁概况及一般截面桥梁形式：三跨混凝土悬臂梁桥梁长度：L=30+50+30=110.0m，其中中跨为挂孔结构，挂梁长16m，为钢筋混凝土结构施工方法：悬臂施工T构部分，满堂支架施工边跨现浇段，边跨合龙时，中跨体系转换为简支单悬臂结构，拆除施工支架，然后施工中跨挂梁，挂梁与中跨主梁铰接，施工桥面铺装，并考虑3650天收缩徐变。预应力布置形式：T构部分配置顶板预应力，边跨配置底板预应力截面形式如下图2.跨中箱梁截面图3.墩顶箱梁截面梁桥分析与设计的一般步骤1.定义材料和截面2.建立结构模型3.输入非预应力钢筋4.输入荷载①.恒荷载②.钢束特性和形状③.钢束预应力荷载5.定义施工阶段6.输入移动荷载数据①.选择移动荷载规范②.定义车道③.定义车辆④.移动荷载工况7.运行结构分析8.查看分析结果使用的材料混凝土主梁采用JTG04（RC）规范的C50混凝土，桥墩采用JTG04（RC）规范的C40混凝土钢材采用JTG04（S）规范，在数据库中选Strand1860荷载恒荷载自重，在程序中按自重输入，由程序自动计算预应力钢束(φ15.2mm×31)截面面积:Au=4340mm2孔道直径:130mm钢筋松弛系数(开),选择JTG04和0.3(低松弛)超张拉(开)预应力钢筋抗拉强度标准值(fpk):1860N/mm^2预应力钢筋与管道壁的摩擦系数:0.25管道每米局部偏差对摩擦的影响系数:1.5e-006(1/mm)锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩值:开始点:6mm结束点:6mm张拉力:抗拉强度标准值的75%，张拉控制应力1395MPa徐变和收缩条件水泥种类系数(Bsc):5(5代表普通硅酸盐水泥)28天龄期混凝土立方体抗压强度标准值,即标号强度(fcu,f):50N/mm^2长期荷载作用时混凝土的材龄:ot5天混凝土与大气接触时的材龄:st3天相对湿度:%70RH构件理论厚度:程序计算适用规范:中国规范(JTGD62-2004)徐变系数:程序计算混凝土收缩变形率:程序计算移动荷载适用规范：公路工程技术标准(JTGB01-2003)荷载种类：公路I级，车道荷载，即CH-CD2.设置操作环境打开新文件(新项目)，以‘混凝土悬臂梁’为名保存(保存)。将单位体系设置为‘KN’和‘m’。该单位体系可根据输入数据的种类任意转换。文件/新项目文件/保存(混凝土悬臂梁)工具/单位体系长度m;力KN图4.设置单位体系单位体系还可以通过点击画面下端状态条的单位选择键()来进行转换。3.定义材料和截面定义材料下面定义模型中所使用的混凝土和钢束的材料特性。模型/材料和截面特性/材料类型混凝土;规范JTG04（RC）数据库C50名称〉主梁类型混凝土;规范JTG04（RC）数据库C40名称〉桥墩名称(Strand1860);类型钢材;规范JTG04（S）数据库Strand1860图5.定义材料对话框定义截面预应力混凝土连续梁通常采用箱梁截面，可以使用截面数据库中的设计截面来定义。首先定义控制位置的一般截面，然后再使用一般截面定义变截面。（注：因为对于主梁要进行PSC设计和RC设计，因此主梁截面必须用设计截面来定义，而墩截面必须用数据库/用户截面来定义。）同时定义多种材料特性时，使用键可以连续输入。模型/材料和截面特性/截面/添加截面类型设计截面单箱单室截面号(1);名称(跨中)图6.定义跨中位置处截面按照左图输入跨中位置处截面的各控制尺寸，并且打开程序自动定义剪切验算位置和自动搜索腹板厚度功能考虑剪切变形(开)偏心中-上部图7.定义支座位置处截面按照左图输入支座位置处截面的各控制尺寸，并且打开程序自动定义剪切验算位置和自动搜索腹板厚度功能考虑剪切变形(开)偏心中-上部根据已定义的等截面定义变截面模型/材料和截面特性/截面/添加截面类型变截面单箱单室截面号(3);名称(跨中-支座)偏心中-上部截面I、J端通过导入已经定义的跨中截面和支座截面来定义。图8.变截面“跨中-支座”定义对话框图9.变截面“支座-跨中”定义对话框在变截面I端导入跨中截面，J端导入支座截面截面偏心选择中-上部注：变截面梁实际的变化规律以变截面组中定义的规律为准。图10定义桥墩截面使用“数据库/用户”中截面定义桥墩截面截面偏心选择中心挂梁截面与跨中截面形式一样，可由跨中截面复制生成。在材料和截面列表中选择跨中截面，然后点击截面列表右侧的复制命令，生成新的截面，然后再对新生成的截面修改截面名称即可。图11复制生成挂梁截面注：对复制生成的截面修改截面名称即可。最终全桥截面数据如下图所示——图12.截面列表定义材料时间依存特性并连接施工过程需要考虑主梁和桥墩的收缩徐变特性，为了考虑徐变、收缩，下面定义混凝土材料的时间依存特性。材料的时间依存特性参照以下数据来输入。标号强度:fcu,k=50000KN/m2（主梁），fcu,k=40000KN/m2（桥墩）相对湿度:RH=70%理论厚度:1m(采用程序自动计算)拆模时间:3天模型/材料和截面特性/时间依存性材料(徐变和收缩)名称(主梁收缩徐变);设计标准China(JTGD62-2004)标号强度(50000)环境年平均相对湿度(40~99)(70)构件的理论厚度(1)水泥种类系数(Bsc):5开始收缩时的混凝土材龄(3)名称(桥墩收缩徐变);设计标准China(JTGD62-2004)标号抗压强度(40000)环境年平均相对湿度(40~99)(70)构件的理论厚度(1)水泥种类系数(Bsc):5开始收缩时的混凝土材龄(3)截面形状比较复杂时，可使用模型材料和截面特性值修改单元材料时间依存特性的功能来输入h值。图13.定义主梁的徐变和收缩特性图14.定义桥墩的徐变和收缩特性参照图15将一般材料特性和时间依存材料特性相连接。即将时间依存材料特性赋予相应的材料。模型/材料和截面特性/时间依存材料连接时间依存材料类型徐变和收缩主梁徐变和收缩选择指定的材料材料1:主梁选择的材料时间依存材料类型徐变和收缩桥墩徐变和收缩选择指定的材料材料2:桥墩选择的材料图15.连接时间依存材料特性4.建立结构模型利用建立节点和扩展单元的功能来建立单元。模型节点建立节点坐标(0,0,0)模型单元扩展单元全选扩展类型节点线单元单元类型梁单元;材料1:主梁;截面1:跨中生成形式复制和移动复制和移动等间距dx,dy,dz(1,0,0)复制次数(110)图16.建立几何模型根据桥梁所处位置给各桥梁段赋予实际的截面信息。参照前面的图1可以看到，本桥在边跨的端部为等截面，中跨的挂梁部分为等截面，其他主梁为变截面，各截面对应的单元编号如下表所示——截面名称单元编号跨中1to13，98to110支座30318081跨中-支座14to2964to79支座-跨中32to4782to97跨中挂梁48to63以修改截面由低变高梁段，即“跨中-支座”梁段截面信息为例，首先通过窗口选择单元14~29以及单元64~79，或者直接在单元选择框内输入单元编号“14to2964to79”回车，则模型窗口中显示“14to2964to79”单元被选中，然后在树形菜单中选择“跨中-支座”截面，按下鼠标左键不放，拖放至模型窗口，松开鼠标左键，则原模型窗口中被选择的单元的截面信息被重新赋予为“跨中-支座”截面，如下图所示——图17.选择要修改截面信息的单元图18.修改截面信息后单元选择框多种选择和解除选择方式对于变截面构件需要定义每个单元适用的变截面信息，而对于一组变化规律相同的单元，使用变截面组功能更快更方便的定义一组变截面单元修改截面信息后会发现对应变截面梁段截面变化不连续，因此需要对变截面梁段定义变截面组.模型/材料和截面特性/变截面组组名称跨中-支座单元列表14to2964to79(可以直接输入单元编号,也可以在模型窗口中选择单元)截面形状的变化z轴多项式（1.6），对称平面，i，距离：0my轴线性添加则该段变截面梁段的形状改变如下图所示——图19.定义变截面组后结构显示形状按照如上所述方法，修改中墩墩顶单元截面信息、截面由高变低（即截面“支座-跨中”梁段截面信息及变截面组信息），其中“支座-跨中”梁段的变截面组信息参考如下：模型/材料和截面特性/变截面组组名称支座-跨中单元列表32to4782to97截面形状的变化z轴多项式（1.6），对称平面，j，距离：0my轴线性添加建立桥墩单元选择墩顶处对应的主梁节点31和81，通过建立墩顶节点和扩展单元的功能建立桥墩单元。模型/节点/复制和移动形式复制复制和移动等间距间距：（0，0，-3.5）复制次数：1次适用图20.复制墩顶主梁节点选择复制生成的主梁底部节点，沿桥横向复制生成墩顶节点视图选择新近建立的个体（或者直接在窗口选择复制生成的节点112，113）模型/节点/复制和移动形式复制复制和移动任意间距方向：y间距：（2,-4）适用注意输入间距时，中间的逗号不能用中文逗号,必须使用英文逗号。图21.复制生成墩顶节点选择新建项目，节点114to117模型/单元/扩展扩展类形节点-〉线单元单元属性梁单元材料2:桥墩截面5:矩形桥墩复制和移动等间距(0,0,-1)复制次数15适用图22.扩展生成桥墩修改单元的理论厚度主梁和桥墩建立完成后，就可以通过程序自动计算每个单元的构件理论厚度——模型/材料和截面特性/修改单元的材料时间依存特性选项添加/替换单元依存材料特性构件的理论厚度自动计算(开)规范中国标准公式为：a(0.5)全选适用图23.修改单元理论厚度定义结构组、边界组和荷载组为了进行施工阶段分析，将在各施工阶段(constructionstage)所要激活和钝化的单元、边界条件、荷载定义为组，并利用组来定义施工阶段。组结构租新建…定义结构组名称(墩与悬臂1)名称(悬臂段2)名称(主梁)名称（挂梁段）名称（边跨满堂）组边界租新建…定义边界组名称(墩底固结)；名称(墩顶连接)；名称(边跨滑动支座)；名称（中跨临时固定）；名称（体系转换）；名称（满堂支撑）；名称（挂孔）；图24.结构组列表图25.边界组列表为了利用桥梁内力图功能查看分析结果而将所有主梁单元定义为一个结构组。组荷载租新建…定义荷载组名称(自重)；名称(二期)；名称(满堂段预应力)；名称（悬臂段预应力）后缀（1to2）；图26.荷载组列表输入边界条件因为主梁截面的偏心点选择的是中上部，而支座位于主梁的底部，因此需要在主梁的底部建立支座节点，并在支座节点上定义约束内容，并将支座节点与主梁节点通过刚臂进行连接。对于边跨满堂支架施工段，在施工过程中，梁底部有支架的临时支撑作用，对支架采用只受压弹性连接模拟，支架底部采用固结。因此需要定义满堂施工梁段梁底节点，可以通过对主梁节点进行复制生成，如下所示——单元号(关);节点号(开)模型/节点/复制和移动选择节点（1to11，101to111）形式复制复制和移动复制,间距:(0,0,-2)复制次数:1次适用图27.复制生成满堂支架临时支撑点定义边跨永久滑动支座，使用一般支承方式定义边跨永久滑动支座。模型/边界条件/一般支承单选(节点:178199)边界组名称边跨滑动支座选择添加支承条件类型Dy,Dz,Rx(开)图28.定义边跨滑动支