2 / 53 释放梁端约束的含义及输入方式的比较

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4 释放梁端约束的含义及输入方式的比较 迈达斯桥梁产品网络课堂开课通知 尊敬的 MIDAS 用户 : 您好! 非常感谢您对 MIDAS 桥梁产品一如既往的关心与支持! 为满足广大用户对 MIDAS 桥梁系列软件的学习要求, 北京迈达斯技术有限公司技术中心产品部将在 2015 年全年举办 30 余场网络专题培训, 软件涉及 Civil SmartBDS FEA, 欢迎您届时参加! 11 月份的内容及时间安排如下 : 培训时间培训内容产品类型主讲人 2015/11/20 FEA- 斜交箱梁桥后处理 FEA 朱亦雄 2015/11/24 细说新规范 之承载能力部分 Civil 唐晓东 2015/11/27 剪力柔性梁格法建模前处理 Civil 田亚宁 参加方法 : 首先需要到该网站进行报名, 申请参会, 按照附件中 参会申请人信息 表格形式, 填写好您的基本信息并提交 经审查合格后, 您将收到参会的视频会议密码 然后按照附件 webex 视频会议参加方法 进行设置即可 请提前 30 分钟进入, 进行网络调试, 以确保您能够正常参加 技术中心产品部 2015 年 11 月 15 日 4 / 53

5 目录 midas Civil 01. 钢 - 混凝土组合桥梁分析实例... 朱锋 [06] 02. 利用 Civil 做 Pushover 分析的流程... 裴小吟 [14] 03. 关于预拱度的问题... 田亚宁 [22] 04. 梁单元施加 梁单元荷载 和 节点荷载 的区别... 雷晋芳 [29] 05. 介绍一种桩土接触的模拟方法... 林丹 / 裴小吟 [34] midas FEA A. 连续刚构桥零号块精细化分析实例... 朱亦雄 [39]

6 01. 钢 - 混凝土组合桥梁分析实例 具体问题 : 本桥为某高速路联络线匝道桥中的一联, 桥梁全宽 10.5m 本联上部结构采用( )m 钢混组合连续梁, 下部结构桥墩为柱式, 基础为承台接灌注桩 ; 桥台为肋板式, 基础为承台接灌注桩 主梁为单箱双室, 梁高 2m 宽 10.22m, 预制高 1.65m, 钢箱底板厚 30mm, 上翼板厚 25mm, 腹板厚 16mm, 钢材均采用 Q345, 分 4 段预制后现场采用高强螺栓拼接 钢箱顶部混凝土桥面板厚 0.27m, 采用 C50 无收缩混凝土现浇 顶板混凝土预应力钢束采用高强低松弛钢绞线, 管道采用金属波纹管成型 设计摩阻系数 μ=0.25, 孔道偏差系数 K= 如下图 1.1 所示 : 图 1.1 桥梁结构图 解决方法 : 本桥建模过程 : 1 单元划分及 SPC 导入联合截面 建立单元节点 图 1.2 建立单元节点 注意事项 : a. 曲线桥梁可以通过导入 CAD 线形的方法建立单元节点 6 / 53

7 b. 导入技巧 : 节点位置 : 支撑线 截面变化位置 加载荷载位置 ( 隔板 横梁等 ) CAD 根据上述内容分层,Civil 程序可根据图层将导入内容分组 节点最终位置通过连接节点位置得到 (Civil 程序不能识别圆曲线 ) 导入 CAD 图形的绘制单位应与 Civil 一致 可绘制辅助线 ( 支撑线, 加载点等 ) 一并或分批导入便于后续操作 图 1.3 图层分组 2 单元划分及 SPC 导入联合截面 SPC 导入联合截面 7 / 53

8 钢 - 混凝土组合桥梁分析实例 图 1.4 SPC 导入联合截面 3 边界及施工荷载 图 1.5 边界定义 8 / 53

9 a. 边界定义时的注意事项 : 1. 永久边界应根据施工图设置约束方向 ( 固定支座, 单向固定支座, 双向固定支座, 一般橡胶支座 ) 2. 复制支座上下节点时, 可通过点选辅助单元确定任意复制方向 3. 弹性连接为单元局部坐标,SDx 为支座抗压 ( 拉 ) 刚度 4. 临时边界要保证施工阶段分段几何不可变 ( 不是机动体系 ) b. 施工荷载定义时的注意事项 : 图 1.6 施工荷载的定义 利用辅助单元很容易得到隔板位置, 横梁位置, 支撑线位置等等, 便于加载 9 / 53

10 钢 - 混凝土组合桥梁分析实例 图 1.7 施工阶段联合截面的定义 c. 施工阶段联合截面定义时的注意事项 : 1. 施工阶段联合截面设置以截面为对象进行相关的设置 2. 施工阶段设置的材料理论厚度龄期的优先级高于定义单元时赋予的值 3. 一般截面类型根据激活施工阶段不同程序可以自动识别同样截面不同的单元 4. 混凝土湿重模拟桥面板形成过程注意将材料的容重改为 0 5. 定义收缩徐变函数时注意标号强度为 N mm 单位体系 4 使用阶段荷载 温度 图 1.8 温度梯度示意图 10 / 53

11 图 1.9 梁截面温度的定义 温度定义时的注意事项 : 1. 组合截面整体升降温即使连续梁也有自应力 2. 温度梯度要综合考虑截面宽度的变化以及温度梯度折线的变化 3. 不同材料应分别输入其弹性模量及膨胀系数 4. 注意温度梯度一般输入的参考位置是顶 5 使用阶段荷载 活载及沉降 图 1.10 活载示意图 11 / 53

12 钢 - 混凝土组合桥梁分析实例 活载定义时的注意事项 : 1. 车道数量根据规范表 及行车道宽度确定 2. 一般结构考虑内偏外偏及中载计算足以 3. 直桥可进建立一个车道通过定义荷载工况时输入比例系数调整为多车道 图 1.11 车道及车辆荷载的定义 图 1.12 支座沉降的定义 6 分析控制定义移动荷载分析控制及特征值分析控制, 其操作步骤可参考一般连续梁桥, 此处省略 最后运行查看分析结果 12 / 53

13 结论 : 1. 组合结构的最终应力状态与施工阶段相关, 通过各阶段累加可以得到最终效应, 但各阶段的截面特性因根据具体的施工工艺确定 2. 混凝土桥面板升降温可以通过等效荷载法计算 3. 混凝土收缩同样可以根据等效荷载法计算, 但需计算混凝土有效弹性模量 4. 从校核计算结果考虑可以用混凝土降温模拟收缩效应 5.Civil 程序计算有效刚度下的收缩 徐变效应仅需将混凝土弹性模量修改为有效弹性模量 13 / 53

14 02. 利用 Civil 做 Pushover 分析的流程 具体问题 : 公路桥梁抗震设计细则 JTG/T B 和 城市桥梁抗震设计规范 CJJ 中在进行 E2 地震作用下验算桥墩墩顶位移时, 针对双柱墩 排架墩的横桥向容许位移, 提出可以采用非线性静力分析 ( 即 Pushover) 进行求解 图 2.1 E2 地震作用下规则桥梁墩顶位移验算流程 图 2.2 城市桥梁抗震设计规范 CJJ 规范中的说明 解决方法 : 对于双柱墩进行 Pushover 分析的流程, 可参见下图 2.3 所示 14 / 53

15 图 2.3 双柱墩 Pushover 分析流程图 在 Pushover 分析中, 每一次迭代都会得到新的一组桥墩轴力和墩顶剪力值, 根据力的平衡, 墩顶剪力值之和即为盖梁处施加的水平推力, 当多次迭代后, 水平推力值的误差能够控制在 10% 以内时, 认为此时 Push over 分析得到的容许曲率值是合理的 下面以一个双柱式墩为例进行具体流程说明 图 2.4 有盖梁双柱墩模型 工程概况 : 桥墩盖梁均采用 C40 混凝土 ; 盖梁采用实腹矩形截面 变截面 ; 桥墩采用 1.3m 1.6m 的实心矩形截面 墩底固结, 盖梁与桥墩, 桥墩与承台, 承台与桩之间的连接均为刚性连接, 用节点弹性支承模拟桩土作用 Pushover 分析前考虑了自重荷载 上部结构恒载等初始荷载 塑性铰采用弯矩 - 曲率 ( M-Φ 分布 ), 骨架曲线采用三折线型 15 / 53

16 利用 CIVIL 做 PUSHOVER 分析的流程 操作步骤 : 1 建立基本模型 : 建立节点单元 材料 截面 边界条件等, 过程与普通梁桥建模一样, 此处省略 将上部结构的重量通过节点荷载施加到盖梁上 2 定义静力荷载工况定义自重 二期以及水平推力荷载工况 水平推力以节点荷载的形式施加到盖梁中心位置处 荷载大小可以以单位力 ( 一般为 100KN) 来加载 图 2.5 水平推力荷载 3 添加 Pushover 荷载工况首先在 Pushover 主控数据中选择考虑自重 上部恒载等初始荷载 即 : 推之前已经有恒载作用 其余参数可以不用修改 其次, 定义 Pushover 荷载工况, 如图 2.7 所示 图 2.6 Pushover 主控数据 16 / 53

17 图 2.7 添加 Pushover 荷载工况 注意 : 这里实际设定如下几个关键参数 : (1) 如何推 : 通过指定推的荷载工况, 程序将以此为 变力 推结构 (2) 推到什么时候为止 : 通过制定某一位置最大位移达到某设定值 (3) 分多少步推 : 指定荷载工况分多少步达到设定最终的位移限值 (4) 实际此功能还可以实现荷载控制功能, 但桥梁求解横向容许位移, 显然位移控制更合理 4 定义及分配 Pushover 铰特性值 图 2.8 定义铰特性值 17 / 53

18 利用 CIVIL 做 PUSHOVER 分析的流程 注意 : (1) 桥梁结构所指的铰一般都是指弯矩铰 (2) 默认铰特性值有些粗糙, 可通过 M-Ф 曲线计算所得特性将其修订为实际配筋计算所得铰特性 (3)P1 对应输入初始屈服弯矩 ;P2 对应输入屈服弯矩 ;α1 对应刚度折减系数 ;α2 由于计算原理实际采用 0 近似模拟 (4)M-Ф 曲线可通过工具计算得出 其轴力的大小可由恒载下的墩底轴力得到 如图 2.9 所示 : 图 2.9 弯矩 - 曲率曲线 图 2.10 分配塑性铰 18 / 53

19 5 运行 Pushover 分析 Pushover 是一个单独的模块, 点击运行后必须再次点击 Pushover 的运行分析 6 查看塑性铰曲率结果 图 2.11 运行 Pushover 分析 7 迭代计算最终确定极限横向允许位移 图 2.12 Pushover 分析铰状态结果 图 2.13 迭代之后确定合理的横向允许位移 19 / 53

20 利用 CIVIL 做 PUSHOVER 分析的流程 8 验算 E2 地震作用下的桥墩墩顶横向位移 在 Civil 中输入相应的参数如下 : 图 2.14 输入抗震设计构件参数 相关知识 : 对于抗震设计除了可以用 Civil 中的, 编者更推荐大家使用 Civil Designer, 针对公路及城市桥梁抗震设计, Civil Designer 软件操作方面更加简便, 且自带更强大的计算书输出功能 20 / 53

21 图 2.15 Civil Designer 相关功能 21 / 53

22 03. 关于预拱度的问题 具体问题 : 对于广大用户一直关心的如何在程序中设置预拱度的问题, 下面给出详细的解释说明 解决方法 : 1) 预拱度介绍 公路桥涵施工技术规范 (JTJ ) 中第 条给出了预拱度的术语定义 : 为抵消梁 拱 桁架等结构在荷载作用下产生的位移 ( 挠度 ), 而在施工或制造时所预留的与位移方向相反的校正量 可见桥梁设置预拱度目的是为了抵消下挠变形, 使线形平顺, 行车通畅安全 2) 规范中的相关规定 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 (JTG D )( 以后简称 04 混规 ) 中关于预拱度设置规定如下 : 图 3.1 规范中预拱度的设置 1 钢筋混凝土受弯构件 : 较为常见, 如需设置预拱度, 值为结构自重和 1/2 可变荷载效应计算的长期挠度之和 2 预应力混凝土构件 : 一般来讲, 张拉钢束会产生反拱值, 对抵消结构下挠变形有利 还应注意以下三个问题 i. 预加力产生的长期反拱值 = 预加力反拱值 长期增长系数预加力反拱值 = 钢束一次 变形值 ( 程序提供, 见图 3. 3) 长期增长系数 = 参照 04 混规 条 ii. 荷载短期效应组合 : 考虑结构重力 汽车荷载 ( 不计冲击力 ) 人群荷载等直接作用于结构的荷载, 不考虑混凝土收缩及徐变 基础变位 温度等间接作用于结构的作用 作用短期效应 22 / 53

23 组合 与 荷载短期效应组合 是两个不同的概念, 可参照 04 通规 P74 详细说明 这里要提醒一下, 就是在悬臂施工时, 计算变形时也要考虑混凝土的徐变问题 iii. 荷载短期效应组合下长期挠度值 = 荷载短期效应组合下以及 04 混规 规定刚度下挠度值 挠度长期增长系数 3) Civil 中的施工阶段预拱度处理方式设置预拱度方法为荷载 - 施工阶段 - 施工阶段预拱度 有以下三种设置形式 : 图 3.2 预拱度设置方式 1 变形预拱度变形预拱度 = 施工阶段所发生的累积变形的反量 产生变形的荷载主要包括 : 施工过程中的恒荷载 预应力 收缩徐变, 并未计入在施工中使用的支架 施工设备等引起的塑形变形, 因为这些内容只有在施工方法和详细施工方案确定后经过实验确定的值 可以在 用户自定义 中与其余变形一并考虑 用户选择设置 变形预拱度 时, 程序内部自动处理 23 / 53

24 关于预拱度的问题 图 3.3 变形预拱度 2 关键节点预拱度内插 如果预拱度值符合二次抛物线规律, 用户只需输入每跨关键节点以及最大值, 其余节点程序自 动内插计算 图 3.4 关键节点预拱度内插示意 3 用户自定义当考虑车辆荷载 人群荷载等因素预拱度值时, 可采用开放每个节点的自定义输入方式 24 / 53

25 点击 可查看所输入值 图 3.5 用户自定义输入示意 4) 结合规范和 Civil 程序举例说明悬臂法梁桥预拱度设计方法 1 变形预拱度操作方式 : 后处理状态 -> 荷载 - 施工阶段 -> 施工阶段预拱度 -> 变形预拱度 -> 选择单元 -> 点击 确定 -> 再次执行分析 ( 施工阶段控制数据需勾选考虑预拱度 )-> 查看位移 ( 勾选考虑预拱度的位移 ) 图 3.7 和图 3.8 比较, 可以看出未考虑预拱度时结构呈下挠变形 ; 考虑预拱度后变形上扬, 添加二期后变形基本为 0 图 3.6 施工阶段分析控制数据 25 / 53

26 关于预拱度的问题 图 3.7 未考虑预拱度结构变形 图 3.8 考虑预拱度之后变形 2 用户自定义 某悬臂浇注全预应力混凝土连续箱梁, 根据 04 混规 计算预拱度, 部分表格及详细说明如 下图 3.9 所示 : 26 / 53

27 图 3.9 自定义预拱度计算表格图中 :1 恒荷载作用下变形 : 程序提供 ; 2 徐变一次作用下变形 : 程序提供 ; 3 收缩一次作用下变形 : 程序提供 ; 4 挂篮变形, 根据工程情况考虑 ; 5 汽车荷载下变形 : 程序提供 ; 6 荷载效应下累计变形 : 根据规范 = 倍 5; 7 考虑刚度折减后累计变形 =6/0.95; 8 钢束一次下变形, 程序提供 ; 9 预加应力长期反拱值 ; 10 荷载效应下长期挠度值 =7 挠度长期增长系数 ( 根据 04 混规 条内插得到 ); 11 预拱度 =10-9; 注 : 程序提供变形值未考虑刚度折减, 用户可直接折减变形值, 两种方法等效 输入用户预拱度后变形如下图 3.10 所示 : 图 考虑用户输入预拱度后变形图 27 / 53

28 关于预拱度的问题 结论 : 1 预拱度值的计算, 对跨径不大 预应力钢筋张拉一次完成 一次成桥的预应力混凝土桥梁手算不太困难, 但对大跨径桥梁往往采用悬臂分段浇筑施工方法, 割断采用不同根数的预应力钢筋, 混凝土加载龄期不同, 预应力损失也不同, 还有体系转换等, 所以计算结构变形值和预加力反拱值比较复杂 Civil 程序中输出预拱度值, 并有表格和图形两种形式 2 对于分阶段施工的桥梁涉及施工阶段 桥体合龙以及使用阶段由预加力和荷载引起的变形计算, 计算过程是连续的, 不能将其分为所谓的 施工预拱度 和 成桥预拱度, 况且规范中也并未对其进行专业术语的定义 但是在 Civil 程序中, 可以分别查看各项荷载引起的变形值, 引入预拱度功能后, 各阶段可得到考虑预拱度的真实变形及内力的状态 对施工监控而言, 工程师可以知道考虑预拱度的施工成桥线形是否是与设计线形一致 并且, 对每个施工阶段, 程序计算的位移结果是否与施工实测值一致 3 为了便于施工监控, 实际将这些预拱度值结合施工现场情况转变为 高程 施工时以各控制点高程来监控实际梁段是否达到要求, 或者不断调整实际梁段高度以符合高程要求即可 28 / 53

29 04. 梁单元施加 梁单元荷载 和 节点荷载 的区别 具体问题 : midas 中存在节点荷载和梁单元荷载, 有的工程师会存在疑问, 施加到梁单元上的节点荷载和梁单元荷载是否会有同样的效果? 节点荷载和梁单元荷载中的 集中荷载 ( 如图 4.1 所示 ) 有什么区别? 图 4.1 梁单元荷载中的集中荷载和节点荷载 解决方法 : 在不考虑偏心的情况下, 这两种荷载是没有区别的 对图 4.2 所示的模型分别施加 梁单元集中荷载 和 节点荷载, 其他条件都一致 此时, 两种荷载下的内力结果是一样的 如果考虑梁单元截面偏心, 两者是有区别的, 因为梁单元荷载实质是作用在截面质心, 而节点荷载是作用在节点上的 图 4.2 测试模型及不考虑偏心时两种荷载方式的内力结果 29 / 53

30 梁单元施加 梁单元荷载 和 节点荷载 的区别 1 梁单元荷载梁单元荷载输入时, 作用在梁单元上, 实际作用于截面质心 测试用梁截面 (400mmx600mm) 均考虑左上部 - 偏心, 施加荷载类型如图 4.3 所示, 施加之后的情况如图 4.4 所示 图 4.3 对比几种荷载偏心情况 图 4.4 几种荷载偏心施加后情况考虑四种情况 :(a) 定义梁单元荷载 -10kN/m, 不选择 偏心 ;(b) 定义梁单元荷载 -10kN, 选择 偏心, 以 中心 为基准, 偏心为 0;(c) 定义梁单元荷载 -10kN/m, 选择 偏心, 以 中心 为基准, 偏心为 0.1m;(d) 定义梁单元荷载 -10kN/m, 选择 偏心, 以 偏心 为基准, 偏心为 0.1m 从图 4.4 中, 可以看出, 不勾选 偏心, 梁单元荷载施加在节点上, 勾选 偏心 ( 偏心 -> 中心 ) 后, 梁单元荷载显示的偏心是以质心为基准的 分别勾选以 中心 偏心 为基准偏心 0.1m, 会相应的显示以梁截面质心 初始 左上部 偏心位置为基准进行偏离 0.1m 分析结果如图 4.5 图 4.6 所示 30 / 53

31 图 4.5 设置不同偏心的弯矩 -y 的结果 图 4.6 设置不同偏心的弯矩 -z 的结果从图 4.5 和图 4.6 可知 : 对比 (a)(b) 荷载的施加方式, 是否设置偏心, 对梁单元荷载的作用效应没有影响, 因为梁单元荷载是默认施加在单元的截面质心上的 从 (c)(d) 的施加方式可以看出, 工程师可以根据工程实际需求, 灵活施加梁单元荷载 2 节点荷载节点荷载, 顾名思义, 施加在梁单元的节点上的 给上述框架梁截面考虑以下三种情况 : 左上部 - 偏心 不偏心 左上部 - 偏心 0.1, 如图 4.7 所示 计算后, 结果如图 4.8 所示 (a) 左上部 - 偏心 (b) 不偏心 (c) 左上部 - 偏心 0.1 图 4.7 三种截面偏心下的节点荷载 31 / 53

32 梁单元施加 梁单元荷载 和 节点荷载 的区别 (a) 设置不同偏心的弯矩 -y 结果 (b) 设置不同偏心的弯矩 -z 结果图 4.8 不同工况下的计算结果从图 4.7 和图 4.8 可知, 无论如何修改截面偏心, 节点荷载都施加在梁单元的节点上 相关知识 : 思考 : 同样的模型, 都施加 -10KN 的均布线荷载, 都施加在质心, 只是施加的方式不一样, 一个是梁单元荷载, 一个是节点荷载, 为什么支反力不一样呢? 图 4.9 节点荷载和梁单元荷载的对比 32 / 53

33 原因 : 梁单元荷载的支反力 :10KN/mx1.5mx4/2=30KN( 与单元长度有关 ) 节点荷载的支反力 :10KNx5/2=25KN( 与节点数有关 ) 本文摘自 结构帮 2015 年刊 33 / 53

34 05. 介绍一种桩土接触的模拟方法 具体问题 : 在 Civil 中, 模拟桩土相互作用通常采用节点弹性支承功能施加在模拟桩的梁单元的节点上 其实还可以直接利用桩弹性支承来自动添加桩基础的边界, 这样可以大大减少工程师的工作量, 为广大工程师带来方便 图 5.1 节点弹性支承 图 5.2 桩弹性支承 解决方法 : 桩弹性支承在 Civil 中可以通过边界 -> 整体式桥梁弹性支承 -> 桥墩弹性支承来操作 如图 5.2 所示 接下来, 详细讲述一下各个参数的输入方法 34 / 53

35 图 5.3 不同土质的桩弹性支承 1 土壤类型 : 指定土壤类型 砂 软土 硬土, 不同土的刚度计算方法不一样 2 地面标高 : 根据实际情况填写 3 静止土压力系数 K0: 参见图 5.4 一般可按照经验公式 K 0 =1-sin ϕ,ϕ 为内摩擦角 图 5.4 静止土压力系数 4 地基反力系数 : 指地基竖向抗力系数, 可按 公路桥涵地基及基础设计规范 JTG D 附录 P 确定 5 初始土模量 k1: 根据相对密度计算的系数, 用于计算桩周横向土弹簧的刚度 见表 5.1 表 5.1 初始土模量 K1 相对密度 k1(kn/cm3) 松散 5.43 中等 密实 三轴试验最大应力点 1/2 应变值 (e50): 通过三轴试验来得到 7 无排水粘聚力 : 通过三轴试验得到不排水抗剪强度 Cu 35 / 53

36 介绍一种桩土接触的模拟方法 图 5.5 节点弹性支承数据程序中自动生成的弹簧刚度共分为两类 一类是用对称的非线性弹性支承代表水平向的弹簧刚度 ; 另一类是用线性弹性支承代表竖向的弹簧刚度 添加完成后, 可以在节点弹性支承表格中查看自动计算的弹簧刚度 相关知识 : 1. 多层土的桩土接触作用模拟方法 由于选择不同土壤类型时弹簧刚度计算方法不同, 所以每次只能选择一种土壤类型来定义, 但是实际情况中, 往往桩会贯穿多个土层 当多土层时, 首先在不同土层交界处分割桩单元, 然后根据不同的土壤类型, 分别选择土层对应的单元施加桩弹性支承 2. 对于程序自动计算出来的弹性支承刚度, 可参考帮助文件中的说明 36 / 53

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38 介绍一种桩土接触的模拟方法 图 5.6 帮助文件中的说明 38 / 53

39 A. 连续刚构桥零号块精细化分析实例 具体问题 : 由于连续刚构桥中的零号块构造较为复杂, 受力也相对复杂, 当采用杆系单元来模拟时, 限于纵向整体计算分析, 零号块与桥墩刚性连接, 因此无法得到零号块处真实的应力结果 但是, 当用实体单元来模拟时, 可以针对零号块位置处进行仿真分析, 可以真实的反映腹板加腋 横隔板 过人洞 墩梁连接处受力状态, 获得真实的应力分布, 以此来指导设计 图 A.1 零号块模型图 解决方法 : 在 FEA 中通过建立几何模型 -> 生成网格 -> 施加荷载 -> 运行分析 -> 查看结果 操作流程图如下图 A.2 所示 图 A.2 操作流程图 39 / 53

40 连续刚构桥零号块精细化分析实例 具体步骤如下 : 1 建立模型 a. 导入控制断面 b. 利用放样 扫描 扩展等功能, 建立实体模型 FEA 中提供了多种建立模型的方式, 可以在 FEA 中直接建立几何模型, 或导入 CAD 图形, 或可以把 midas Civil 中的整桥杆系模型及钢束形状通过 杆系转换为实体 的命令直接导入 c. 利用布尔差并集命令建立最终实体模型 d. 定义混凝土及钢筋材料与特性 图 A.3 建立实体模型 图 A.4 布尔差并集生成最终实体 40 / 53

41 图 A.5 定义材料与特性 2 网格划分 首先分割实体, 方便施加温度梯度 再使用 FEA 中的自动网格划分功能, 将主梁实体划分 3 维网格单元 六面体主导 并在支座处优化网格质量 41 / 53

42 连续刚构桥零号块精细化分析实例 图 A.6 划分网格 3 边界条件 对于边界荷载的施加, 我们选用刚性连接添加集中力的形式 首先在边界处析取出二维网格, 而后在网格 上确定其质心, 将质心与本截面上其他节点连接, 从而使整个截面的受力形式相同 42 / 53

43 图 A.7 边界条件 - 析取 43 / 53

44 连续刚构桥零号块精细化分析实例 图 A.8 质心的确定 图 A.9 创建连接单元 4 添加荷载 a. 定义自重 b. 定义二期荷载 因为二期荷载是属于局部结构直接承受的荷载, 所以可以直接加载到结构表面上 44 / 53

45 图 A.10 定义二期 - 压力荷载 c. 定义预应力 对于钢束一次产生的内力, 可先建立出锚固在零号块中的钢束, 再从整体 Civil 模型中提取穿过局部结构的钢束内力 ; 对于钢束二次力, 因多余约束造成, 需从整体 Civil 模型中提取钢束二次效应下的零号块断面上的内力值 图 A.11 锚固在零号块中的钢束 然后, 通过 自动网格线 功能, 自动划分钢束曲线的 1 维网格, 并指定前面定义的钢束特性 最后, 定义预应力荷载, 输入张拉控制应力 45 / 53

46 连续刚构桥零号块精细化分析实例 图 A.12 建立钢筋单元 d. 添加温度荷载 图 A.13 定义温度梯度 ( 节点温度 ) 当箱梁没有横坡时, 可通过 Excel 表格导入节点温度, 根据节点 z 坐标计算好节点温度值 有横坡时, 可在平行于表面的各层上施加温度梯度 e. 添加移动荷载 分两种移动荷载工况 : 活荷载工况 1: 零号块墩顶所受最大负弯矩受力状态 ; 活荷载工况 2: 零号块墩顶所受最大剪力的受力状态 在 Civil 整体模型中移动荷载追踪器追踪到最不利加载位置, 转换为静力荷载加载到结构上, 得到两种工况下零号块两端同时发生的内力状态 46 / 53

47 注意 : 1 零号块两个断面上内力是同时发生的 ;2 一个断面上的各个内力是同时发生的 图 A.14 两种移动荷载工况 5 查看分析结果 荷载组合分为 3 类 : 1 施工阶段最大悬臂段组合;2 使用阶段正应力组合;3 使用阶段主应力组合 图 A.15 荷载组合 图 A.16 过人洞应力分布 47 / 53

48 连续刚构桥零号块精细化分析实例 图 A.17 腹板应力分布 图 A.18 墩梁连接处的应力分布 结论 : 应力结果对比 1 零号块隔板位置处 48 / 53

49 图 A.19 FEA 零号块隔板处的应力分布 图 A.20 Civil 零号块隔板处的上翼缘应力 (MPa) 图 A.21 Civil 零号块隔板处的腹板应力 (MPa) 49 / 53

50 连续刚构桥零号块精细化分析实例 图 A.22 Civil 零号块隔板处的下翼缘应力 (MPa) 将 Civil 的结果与 FEA 的结果进行比较, 可以看到墩顶上下翼缘的应力值,Civil(-5.4MPa,-7.2MPa) 与 FEA(-3.7MPa,-5.8MPa) 模拟结果有所差异, 腹板中部差异较小, 为 -6.3MPa 和 -5.7MPa 零号块截面全截面受压, 但在过人洞附近存在拉应力, 需布置额外的构造钢筋, 这一点在 Civil 模型中无法体现 2 零号块箱室位置处 图 A.23 FEA 零号块箱室处的应力分布 50 / 53

51 图 A.24 Civil 零号块箱室处的上翼缘应力 (MPa) 图 A.25 Civil 零号块箱室处的下翼缘应力 (MPa) 对于零号块两墩中间部分上下翼缘的应力值,Civil(-4.2MPa,-6.8MPa) 与 FEA(-3.6MPa,-5.6MPa) 模拟结果有所差异, 但腹板中部基本相同, 为 -5.3MPa 和 -5 MPa 可以看到, 桥墩对于零号块的受力有着不可忽视的影响, 在桥墩处两个模型分析结果差异较大 两墩之间的误差相对较小, 尤其在腹板处几乎相同 由此可见, 单梁模型不能很好地模拟几何构造复杂的零号块, 根据实体模型分析结果, 在过人洞处需要配置额外的抗拉构造钢筋 相关知识 : 零号块分析一般有两个难点 第一个难点就是分析模型的尺寸 图 A.25 分析模型的尺寸示意图 根据圣维南原理, 集中荷载作用截面眼神的一倍构件截面高度范围内为应力扰动区 (D 区 ), 所以在 51 / 53

52 连续刚构桥零号块精细化分析实例 取分析模型尺寸时, 多取零号块 一倍高度 长的梁段 (1 号块,2 号块 ) 此时, 零号块部分避开了外力的干扰而只有自身几何形状的干扰 取而代之的是 1 号块,2 号块受外荷载的干扰较多 第二个难点就是 : 什么力需要施加? 什么力不用施加? 根据分析可得 : 局部结构直接承重, 直接加载 : 例如自重, 二期荷载对于预应力一次荷载 : 内部 : 在 FEA 中建出锚固在零号块中的钢束, 添加钢筋预应力 ; 外部 : 从整体 Civil 模型中提取局部模型两端的内力 ; 对于预应力二次荷载 : 内部 : 由多与约束造成, 在 FEA 中难以直接表达 但由于其在零号块处的效果是压应力, 不考虑时可被认为偏安全考虑 ; 外部 : 从整体 Civil 模型中提取局部模型两端的内力 ; 梯度升温 ( 降温 ): 按照 FEA 桥梁建模常规方式建立 移动荷载 : 考虑两种荷载工况 : 零号块墩顶所受最大负弯矩受力状态和零号块墩顶所受最大剪力的受力状态 Civil 整体模型中移动荷载追踪器追踪到最不利加载位置, 转换为静力荷载加载到结构上, 得到两种工况下零号块两端同时发生的内力状态 52 / 53

53 . 迈达斯技术中心产品部电话 : 邮箱 : peixy@midasuser.com 53 / 53

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