预应力混凝土梁施工阶段分析

预应力混凝土梁的施工阶段分析CONTENTS概要1桥梁概况及一般截面2预应力混凝土梁的分析顺序3使用的材料及其容许应力4荷载5设置操作环境6定义材料和截面7定义截面8定义材料的时间依存性并连接9建立结构模型12定义结构组、边界条件组和荷载组13输入边界条件16输入荷载17输入恒荷载18输入钢束特性值19输入钢束形状20输入钢束预应力荷载23定义施工阶段25输入移动荷载数据30运行分析34查看分析结果35通过图形查看应力35定义荷载组合39利用荷载组合查看应力40查看钢束的分析结果44查看荷载组合条件下的内力471概要本例题使用一个简单的两跨连续梁模型（图1）来重点介绍MIDAS/Civil的施工阶段分析功能、钢束预应力荷载的输入方法以及查看分析结果的方法等。主要包括分析预应力混凝土结构时定义钢束特性、钢束形状、输入预应力荷载、定义施工阶段等的方法，以及在分析结果中查看徐变和收缩、钢束预应力等引起的结构的应力和内力变化特性的步骤和方法。图1.分析模型212m6m6mL=30mL=30mCS1CS23m1.5m0.2m0.2m0.2m0.2m1.8m2m桥梁概况及一般截面分析模型为一个两跨连续梁，其钢束的布置如图2所示，分为两个阶段来施工。桥梁形式：两跨连续的预应力混凝土梁桥梁长度：L=2@30=60.0m区分钢束坐标x(m)0122430364860钢束1z(m)1.50.22.61.8钢束2z(m)2.02.80.21.5图2.立面图和剖面图1.5m0.2m0.20.2m3m2m3预应力混凝土梁的分析步骤预应力混凝土梁的分析步骤如下。1.定义材料和截面2.建立结构模型3.输入荷载恒荷载钢束特性和形状钢束预应力荷载4.定义施工阶段5.输入移动荷载数据6.运行结构分析7.查看结果4使用的材料及其容许应力混凝土设计强度：2ckcm/kgf400=f初期抗压强度：2cicm/kgf270=f弹性模量：Ec=3,000Wc1.5√fck+70,000=3.07×105kgf/cm2容许应力：容许应力预应力作用后（瞬间）预应力损失发生后（最终）抗拉抗压2ci'cacm/kgf5.148=f55.0=f2ci'tacm/kgf1.13=f8.0=f2ckcacm/kgf0.160f4.0f2cktacm/kgf0.32=f6.1=f预应力钢束(KSD7002SWPC7B-Φ15.2mm(0.6˝strand)屈服强度：2pymm/kgf160=f→strand/tonf6.22=Py抗拉强度：2pumm/kgf190=f→strand/tonf6.26=Pu截面面积：2387.1cmAp弹性模量：26pcm/kgf10×0.2=E张拉力：fpi=0.7fpu=133kgf/mm2锚固装置滑动：mm6=sΔ磨擦系数：rad/30.0=μm/006.0=k容许应力张拉时的最大应力锚固瞬间(pof)应力损失后使用状态2pymm/kgf144=f9.02pumm/kgf133=f7.02pymm/kgf128=f8.05荷载恒荷载自重在程序中按自重输入预应力钢束(φ15.2mm×31(φ0.6˝-31))截面面积:Au=1.387×31=42.997cm2孔道直径:133mm张拉力:抗拉强度的70%fpj=0.7fpu=13,300kgf/cm2Pi=Au×fpj=405.8tonf张拉后的瞬间损失（程序自动计算）摩擦损失:)(0)(kLXePP30.0=μ,006.0=k锚固装置滑动引起的损失:mm6=IΔc弹性收缩引起的损失:损失量SPPEAfP最终损失（程序自动计算）钢束的松弛（Relaxation）徐变和收缩引起的损失徐变和收缩条件水泥:普通硅酸盐水泥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大气或养护温度:C°20=T适用规范:CEB-FIP徐变系数:程序计算混凝土收缩变形率:程序计算活荷载适用规范：城市桥梁设计荷载规范荷载种类：C-ALC-AD(20)6设置操作环境打开新文件(新项目)，以‘PSCbeam’为名保存(保存)。将单位体系设置为‘tonf’和‘m’。该单位体系可根据输入数据的种类任意转换。File/NewProjectFile/Save(PSCbeam)Tools/UnitSystemLengthm;Forcetonf图3.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。7定义材料和截面下面定义PSCbeam所使用的混凝土和钢束的材料特性。Model/Properties/MaterialTypeConcrete;StandardKS-civil(RC)DBC400Name(Tendon);TypeUserDefined;StandardNoneAnalysisDataModulusofElasticity(2.1e7)图4.定义材料对话框同时定义多种材料特性时，使用键可以连续输入。8定义截面PSCbeam的截面使用比较简单的矩形截面来定义。Model/Properties/SectionDB/UserSectionID(1);Name(Beam)SectionTypeSolidRectangleUserH(3);B(2)OffsetCenter-Bottom图5.定义截面的对话框9定义材料的时间依存性并连接为了考虑徐变、收缩以及抗压强度的变化，下面定义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。28天强度:fck=400kgf/cm2相对湿度:RH=70%理论厚度:1.2m(2Ac/u=2x6/10=1.2)混凝土种类:普通水泥(N.R)拆模时间:3天Model/Property/TimeDependentMaterial(Creep&Shrinkage)Name(Creep/Shrinkage);CodeCEB-FIPCompressivestrengthofconcreteattheageof28days(4000)Relativehumidityofambientenvironment(40~99)(70)Notationalsizeofmember(1.2)TypeofcementNormalorrapidhardeningcements(N,R)Ageofconcreteatthebeginningofshrinkage(3)图6.定义材料的徐变和收缩特性截面形状比较复杂时，可使用模型材料和街面特性值修改单元材料时间依存特性的功能来输入h值。10混凝土浇筑后随时间变化而逐渐硬化，时间越长其强度越大。本例题根据CEB-FIP所规定的混凝土强度发展函数考虑了混凝土的这一特性。Model/Property/TimeDependentMaterial(Comp.Strength)Name(Comp.Strength);TypeCodeDevelopmentofStrengthCodeCEB-FIPConcreteCompressiveStrengthat28Days(S28)(4000)CementType(a)(N,R:0.25)图7.定义随时间变化的混凝土强度发展函数11参照图8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。Model/Property/TimeDependentMaterialLinkTimeDependentMaterialTypeCreep/ShrinkageCreep/ShrinkageComp.StrengthComp.StrengthSelectMaterialforAssignMaterials1:C400SelectedMaterials图8.连接时间依存材料特性12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。PointGrid(off);PointGridSnap(off);LineGridSnap(off)FrontView;AutoFittingModelNodesCreateNodesCoordinates(0,0,0)ModelElementsExtrudeElementsSelectAllExtrudeTypeNodeLineElement.ElementTypeBeam;Material1:C400;Section1:BeamGeneralTypeTranslateTranslationEqualDistancedx,dy,dz(2,0,0)NumberofTimes(30)图9.建立几何模型13定义结构组、边界条件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和边界条件定义为组，并利用组来定义施工阶段。GroupStructureGroupNew…DefineStructureGroupName(S-G);Suffix(1to2)DefineStructureGroupName(All)ElementNumber(on)SelectWindow(Elements:1to18)GroupStructureGroupS_G1(Drag&Drop)SelectWindow(Elements:19to30)GroupStructureGroupS_G2(Drag&Drop)SelectAllGroupStructureGroupAll(Drag&Drop)图10.定义结构组(StructureGroup)CDrag&DropS-G1S-G2为了利用桥梁内力图功能查看分析结果而将其定义为组。14新建边界组边界组名称的建立方法如下。GroupBoundaryGroupNew…DefineBoundaryGroupName(B-G);Suffix(1to2)图11.建立边界组(BoundaryGroup)C15新建荷载组恒荷载组和预应力荷载组名称的新建方法如下。GroupLoadGroupNew…DefineLoadGroupName(Selfweight)DefineLoadGroupName(Tendon);Suffix(1to2)图12.建立荷载组(LoadGroup)C16输入边界条件边界条件的输入方法如下。ElementNumber(off);NodeNumber(on)Model/Boundary/SupportsSelectSingle(Nodes:1)BoundaryGroupNameB-G1OptionsAddSupportTypeDy,Dz,Rx(on)SelectSingle(Nodes:16)BoundaryGroupNameB-G1OptionsAddSupportTypeDx,Dy,Dz,Rx(on)SelectSingle(Nodes:31)BoundaryGroupNameB-G2OptionsAddSupportTypeDy,Dz,Rx(on)图13.定义边界条件17输入荷载本例题针对恒荷载和预应力荷载进行施工阶段分析。移动荷载分析则需另行输入移动荷载数据。Load/StaticLoadCasesName(恒荷载)Type(ConstructionStageLoad)Name(Prestress1)Type(ConstructionStageLoad)Name(Prestress2)Type(ConstructionStageLoad)图14.输入静力荷载工况的对话框18输入恒荷载使用自重功能输入恒荷载。Load/SelfWeightLoadCaseName恒荷载LoadGroupNameSelfweightSelfWeightFactorZ(-1)图15.输入恒荷载19输入钢束特性值Load/PrestressLoads/T