悬索桥的成桥阶段和施工阶段分析

悬索桥的成桥阶段和施工阶段分析目录概要1桥梁基本数据/2建立成桥阶段模型3建立结构模型/3设定建模环境/4定义构件材料/5定义截面特性值/6初始平衡状态分析/8输入边界条件/21输入加劲梁质量数据/25输入特征值分析数据/27输入静力荷载/28运行结构分析(成桥阶段分析)30查看成桥阶段分析结果31静力分析结果/31特征值分析结果/37建立各施工阶段分析模型41设定建模环境/42定义施工阶段名称/44指定结构群/45指定边界群/53定义各施工阶段荷载和荷载群/63定义施工阶段/66输入各施工阶段分析数据/71运行结构分析(施工阶段分析)71查看各施工阶段分析结果72查看变形形状/72查看弯矩/76查看输出文件/77使用变形形状动画/79悬索桥的成桥阶段和施工阶段分析1概要悬索桥是由主缆、索鞍、加劲梁、吊杆、塔墩、锚碇等主要构件组成的较柔性的结构形式，广泛应用于大跨度桥梁中。悬索桥的结构分析主要分为成桥阶段分析和施工阶段分析两部分。成桥阶段分析是指在所有工程竣工后，即在成桥状态下分析桥梁的静力和和动力反应。悬索桥在成桥状态下处于结构自重平衡状态，又称为悬索桥的初始平衡状态，计算初始平衡状态下主缆的坐标和张力称为初始平衡状态分析。成桥阶段分析包括初始平衡状态分析以及在其它外力作用下的结构效应分析。悬索桥在施工阶段具有很明显的非线性反应，但在给主缆以及吊杆施加了足够的张力的成桥阶段，其它荷载(车辆荷载、风荷载等)作用下的结构效应显示为线性。所以可以将初始平衡状态下的主缆和吊杆的张力转换为几何刚度，对于其它静力荷载可以做线性化的分析。将初始平衡状态下构件的内力转换为几何刚度后做线性化分析的方法称为线性化有限位移法。因为线性化有限位移法在成桥阶段分析中具有足够精确的解，所以在成桥阶段分析中采用线性化有限位移法。为了确认施工时的安全性以及施工时临设的设计，需要对各施工阶段做施工阶段分析。因为在各施工阶段结构的位移很大，所以要对各施工阶段使用大位移理论(几何非线性理论)建立针对变形后的平衡方程组。悬索桥的施工阶段分析是从成桥阶段采用逆施工顺序(或称倒退循环)进行的。本例题桥梁为它承重式悬索桥，在本章节中将详细介绍成桥阶段和施工阶段的建模方法和确认结果方法。高级应用例题2图1分析模型桥梁基本数据如图1为桥长650m的它承重式悬索桥，详细的桥梁基本数据参见图2。图2纵向立面图10@12.5=125m32@12.5=400m10@12.5=125m2%直线坡形2%直线坡形(纵向)1%抛物线坡形40.08m33.8m桥梁跨度组成:L=125.0+400.0+125.0=650m桥梁宽度:B=11.0m20.72mXZ悬索桥的成桥阶段和施工阶段分析3建立成桥阶段模型建立结构模型本例题中建立悬索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，昀后使用其它名称做施工阶段分析。建立悬索桥成桥阶段模型的详细步骤如下。1.定义材料以及截面特性值2.初始平衡状态分析3.为生成索塔水平杆件分割索塔构件4.连接索塔和加劲梁5.修改加劲梁位置6.复制主缆、吊杆和索塔7.生成索塔水平构件8.刚性连接加劲梁和吊杆9.输入边界条件10.输入中间跨跨中支撑11.输入质量数据(加劲梁的回转质量)12.输入特征值分析数据13.输入静力荷载高级应用例题4设定建模环境打开新项目(新项目)，以‘Suspension.mcb’文件名保存(保存)文件，指定单位体系。文件/新项目文件/保存(Suspension)工具/单位体系长度m;力tonf↵图3设定单位体系本例题将做三维空间分析，程序自动将自重转换为节点质量。模型/结构类型结构类型3-D将模型重量转换为质量转换方向X,Y,Z重力加速度(9.806)↵图4指定分析条件悬索桥的成桥阶段和施工阶段分析5定义构件材料定义主缆(cable),吊杆(hanger),加劲梁(deck),索塔(tower)的材料。模型/特性值/材料名称主索类型用户定义弹性模量(2.0e+7)比重(8.267)↵图5定义构件材料参照表1按上述方法输入吊杆、加劲梁、索塔的材料。表1构件材料项目主缆吊杆加劲梁索塔类型用户定义用户定义用户定义用户定义弹性模量2.0x1071.4x1072.1x1072.1x107比重8.2677.857.857.85[单位:tonf,m]高级应用例题6定义截面特性值参照图6和表2，按下列步骤输入截面特性值。模型/特性值/截面特性值表单截面号(1);名称(主索)尺寸D(0.23);计算特性值Area(0.04178)↵表2材料以及截面特性值项目加劲梁主索吊杆索塔索塔水平构件Area0.53950.041780.002090.169060.1046Ixx0.4399000.15400.1540Iyy0.1316000.14500.1080Izz3.2667000.11430.0913图6输入截面特性值(主缆)[单位:m]悬索桥的成桥阶段和施工阶段分析7参照图7和图8输入其它构件的截面特性值。图7输入截面特性值(吊杆、加劲梁)图8输入截面特性值(索塔、索塔水平构件)高级应用例题8初始平衡状态分析悬索桥的成桥阶段在加劲梁自重作用下发生位移后，处于平衡状态。初始平衡状态下的主索坐标和张力不能由用户任意输入，需要通过力的平衡状态计算。用户在悬索桥建模助手中只需输入悬索桥的垂度、吊杆间距等基本数据以及各吊杆上作用的荷载，程序将自动计算出初始平衡状态下主缆的坐标和主索、吊杆的初拉力。然后将计算出的主缆和吊杆的张力转换为几何钢度初始荷载，并用其自动构成几何刚度。图9悬索桥二维基本形状作用于各吊杆上的结构物自重垂度(sag)悬索桥的成桥阶段和施工阶段分析9为了计算初拉力和成桥阶段基本形状，参照图10在悬索桥建模助手中输入基本数据。模型/结构建模助手/悬索桥建模助手类型对称桥梁X(m)Z(m)A(0)(20.48)A1(3.6)(20.72)B(128.6)(60.8)C(328.6)(27)索塔高度(60.8)材料主缆(1:主缆);吊杆(2:吊杆)加劲梁(3:加劲梁);索塔(4:索塔)截面主缆(1:主缆);吊杆(2:吊杆)加劲梁(3:加劲梁);索塔(4:索塔)选择主缆和吊杆单元类型只受拉单元(索单元)加劲梁形状左侧坡度(%)(2);弧形坡度弦长(m)(400)吊杆间距和荷载左侧跨(10@12.5);(9@30.89)中间跨(32@12.5);(31@30.89)↵作用于吊杆的恒荷载加劲梁:Wd/2xLd=4.235/2x12.5=26.469tonf主缆:WcxLc=0.3454x12.8=4.4421tonf合计:30.89tonf在此Wd(加劲梁单位长度重量):4.235tonf/m(假设)Wc(主缆单位长度重量):0.3454tonf/m(假设)Ld(吊杆纵向间距):12.5mLc(吊杆间主索平均长度):12.8m忽略吊杆自重选择只受拉单元(索单元)时，主缆和吊杆将被定义为索单元。索单元在线性分析时自动按等效桁架单元计算，非线性分析时自动按弹性悬索单元计算。高级应用例题10如前所述，悬索桥的几何形状尤其是主缆的坐标不能由用户任意输入，而应该通过悬索平衡条件计算。悬索桥建模助手利用内含的悬索公式计算自动计算出悬索桥的几何形状和初拉力。如图10所示，用户只需输入索塔的坐标、垂度(B-C)、加劲梁的坡度、吊杆间距以及作用在吊杆上的结构自重，程序将自动计算出包含主索坐标在内的所有坐标。图10悬索桥建模助手对话框悬索桥的成桥阶段和施工阶段分析11图11是使用悬索桥建模助手功能生成的二维悬索桥模型。主缆和吊杆生成为索单元，加劲梁和索塔生成为梁单元。如图11所示，程序自动给出了成桥阶段主缆的坐标以及主缆、吊杆、索塔的内力。内力将自动转换为几何刚度初始荷载形成几何刚度。在模型空间确认几何刚度初始荷载的方法如下。显示杂项表单几何刚度初始荷载(开)窗口缩放↵荷载/荷载表格/几何刚度初始荷载图11使用悬索桥建模助手做初始平衡状态分析窗口缩放高级应用例题12为生成索塔水平杆件分割索塔构件为生成索塔水平杆件如图12分割索塔构件。模型/单元/分割单元单选(单元:154,155)分割单元类型杆系不等间距(1.25,18.75,17.58)↵收缩单元图12分割索塔构件从索塔顶端开始输入索塔水平构件。154155悬索桥的成桥阶段和施工阶段分析13连接索塔和加劲梁在索塔和加劲梁相交的地方合并节点，将加劲梁和索塔连接起来。索塔-加劲梁连接位置的建模将在定义边界条件时再详细说明。模型/节点/合并节点窗口选择(节点:图13的①、②)合并选择删除重复节点(开)↵图13合并索塔和加劲梁连接位置的节点①②高级应用例题14修改加劲梁位置因为将加劲梁按一个梁建模，所以将加劲梁的位置移动到桥梁中心线位置。加劲梁与吊杆为刚性连接，详细内容后面将有介绍。标准模型/单元/移动和复制选择属性-单元选择类型材料3:Deck↵模式移动间距等间距dx,dy,dz(0,5.5,0)↵图14修改加劲梁位置为了建模方便，忽略加劲梁的高度，将加劲梁中和轴的位置与吊杆下端的位置看成在同一高度位置。悬索桥的成桥阶段和施工阶段分析15复制主缆、吊杆和索塔复制主缆、吊杆和索塔，复制距离为桥梁宽度，形成三维悬索桥空间模型。模型/单元/移动和复制选择平面平面XZ平面;Y轴位置(0)↵模式复制间距等间距dx,dy,dz(0,11,0)复制单元属性(开)↵图15复制主缆、吊杆和索塔复制时连同主缆、吊杆、索塔的几何刚度初始荷载一同复制。复制高级应用例题16生成索塔水平构件按下列步骤生成索塔水平构件。窗口缩放(如图16所示，放大左侧索塔部分)模型/单元/建立单元单元类型一般梁/变截面梁材料4:索塔;截面5:索塔水平构件交叉分割节点(开);单元(开)连接节点(273,64);(272,112);(270,111)↵图16生成索塔水平构件(左侧索塔)27364272270111112悬索桥的成桥阶段和施工阶段分析17生成右侧索塔水平构件。对齐缩放窗口缩放(如图17所示，放大左侧索塔部分)模型/单元/建立单元单元类型一般梁/变截面梁材料4:Tower;截面5:索塔水平构件交叉分割节点(开);单元(开)连接节点(276,97);(275,114);(271,113)↵图17生成索塔水平构件(右侧索塔)27697275271113114高级应用例题18刚性连接加劲梁和吊杆使用弹性连接中的刚性连接类型将加劲梁和吊杆刚接。为了正确输入弹性连接，只激活吊杆下部节点和加劲梁。如图18所示，首先使用窗口缩放和窗口选择功能选择吊杆下部节点和加劲梁，然后将其激活。正面窗口缩放窗口选择激活图18为连接加劲梁和吊杆选择节点窗口缩放悬索桥的成桥阶段和施工阶段分析19激活所要连接的加劲梁和吊杆下部节点后，使用弹性连接功能将其刚接。顶面模型/边界条件/弹性连接边界群名称内定值选项添加/替换连接类型刚性连接复制弹性连接(开)复制轴向(y);距离(5.5)2点(55,115)↵2点(56,117)↵2点(57,118)↵::按上述步骤连接中间跨和右边跨的加劲梁和吊杆。图19刚性连接加劲梁和吊杆窗口缩放中间跨右边跨左边跨XY高级应用例题20图20显示的是吊杆和加劲梁刚性连接后的状态。在显示选项里将弹性连接的颜色调整为在模型空间中容易查看的颜色。显示边界条件弹性连接(开)显示选项颜色边界条件弹性连接颜色↵图20调整弹性连接的显示颜色悬索桥的成桥阶段和施工阶段分析21输入边界条件输入索塔、主缆锚碇、边跨端部的边界条件。主缆锚碇:固端(节点:1,168,53,220)索塔底部:固端(节点:109,274,110,277)边跨端部:约束垂直、桥梁纵向、桥梁横向(铰支)(节点:115,167)标准;全部激活;窗口缩放模型/边界条件/支撑单选(节点:1,168,109,274,110,277,53,220)边界群名称内定值选项添加支撑类型D-ALL(开);R-ALL(开)对齐缩放;窗