1、使用建模助手做悬臂法(FCM)桥梁施工阶段分析2北京迈达斯技术有限公司目 录概 要1桥梁基本数据以及一般截面 2悬臂法（FCM）的施工顺序以及施工阶段分析4使用材料以及容许应力 6荷载 7设定建模环境 9定义截面及材料10使用悬臂法建模助手建模12输入数据模型. 12预应力箱型截面数据的输入16预应力钢束的布置18编辑和添加数据24查看施工阶段24修改施工阶段26时间依存性材料特性的定义和连接31分解变截面组35运行结构分析36查看分析结果38使用图形查看应力和内力38使用表格查看应力43查看预应力的损失44查看钢束坐标45查看钢束伸长量46查看预拱度47查看预拱度管理图48查看荷载组合作用下
2、的内力495-1概 要预应力箱型梁桥(PSC BOX Bridge)的施工方法一般有顶推法(ILM)、悬臂法(FCM)、移动支架法(MSS)等。悬臂法是由桥墩向跨中方向架设悬臂构件的方法，该方法不用水上作业，也不需要架设大量的临设和脚手架，因此可以灵活使用桥下空间。另外，因为不直接与桥下河流或道路接触，因此被广泛使用于高桥墩、大跨度桥梁中。使用悬臂法(FCM)施工的预应力箱型梁桥，因为各施工阶段的结构体系不同，所以只有对各施工阶段做结构分析才能最终确定截面大小。另外，为了正确分析混凝土材料的时间依存特性和预应力钢束的预应力损失，需要前阶段累积的分析结果。用户在本章节中将学习使用悬臂法桥梁建模助
3、手建立悬臂法(FCM)各施工阶段和施工阶段分析的步骤，以及确认各施工阶段应力、预应力损失和挠度的方法。例题中的桥梁为按悬臂法施工的现浇桥梁。图1 分析模型(竣工后)2桥梁基本数据以及一般截面桥梁基本数据如下：桥 梁 类 型 : 三跨预应力箱型连续梁桥(FCM)桥 梁 长 度 : L = 85.0 + 130.0 + 85.0 = 300.0 m桥 梁 宽 度 : B = 12.7 m (2车道)斜 交 角 度 : 90(正桥)图2 纵向剖面图3 标准截面OF BXLC4501.2850472503768732501.846731.741.6275 30.518.085.027 274桥梁始点
4、桥梁终点5-3图4 钢束布置简图150.019.0 12 4.750 =57.056789101121.06-19P12.0 12 4.750 =57.0 7.07.012110987654321 1234 CL6-19 6-19 FCM FCM FSM Key Seg Key Seg上 部 钢 束下 部 钢 束一端张拉两端张拉一端张拉两端张拉一 端 张 拉 FCM 区段FSM 区段 FCM 区段 零号块合龙段 合龙段4悬臂法(FCM)的施工顺序以及施工阶段分析悬臂法(FCM)的施工顺序一般如下： 桥梁例题为三跨连续梁使用了4台挂篮(F/T)，因此不必移动挂篮。同时进行施工下部工程 制作及拼装
5、挂篮分阶段施工下部工程架设零号块的临设并设置临时固结措施在零号块上布置挂篮拼装模板，布置钢筋和钢材(需七天)混凝土的浇筑及养护、张拉钢束(需五天)移动挂篮到下一个桥梁段施工完第一中间跨，移动挂篮施工边跨(FSM工法)施工合龙段(Key Seg.)布置永久支座，张拉下部钢束施工桥面收 尾5-5悬臂法施工阶段分析应该正确反应上面的施工顺序。施工阶段分析中各施工阶段的定义，在MIDAS/Civil里是通过激活和钝化结构组、边界组以及荷载组来实现的。下面将MIDAS/Civil中悬臂法桥梁施工阶段分析的步骤整理如下。1. 定义材料和截面2. 建立结构模型3. 定义并构建结构组4. 定义并构建边界组5.
6、 定义荷载组6. 输入荷载7. 布置预应力钢束8. 张拉预应力钢束9. 定义时间依存性材料特性值并连接10. 运行结构分析11. 确认分析结果悬臂法建模助手能帮助用户自动生成上述28项步骤。使用一般功能完成28项步骤的方法将在使用一般功能的悬臂法施工阶段分析里做详细介绍。在本指南中将介绍利用悬臂法建模助手做悬臂法施工阶段分析的方法。6使用材料以及容许应力 上部结构混凝土材料强度标准值 : 2/40mNfck初始抗压强度 : 5i弹性模量 : E c=3,000Wc1.5 f ck+ 70,000 = 3.07105kgf/cm2容 许 应 力 容许应力 施加预应力初期 预应力损失之后压 缩张
7、拉2cicacm/kgf5.148f.0fit 3 2ckcacm/gf0.16f4.ft 3 下部结构混凝土材料强度标准值 : 2/Nfck弹性模量 : 5ckgf103.2E 预应力钢束(KSD 7002 SWPC 7B-15.2mm (0.6 钢束)屈服强度 : 2pym/f6f strand/of6.Py抗拉强度 : uk9u截面面积 : c7.138A弹性模量 : 26p/gf0E张拉力 : pujf2.f锚固端滑移 : s摩擦系数 : rad/3.: m06k容许应力最大控制应力 张拉初期( )pof预应力损失之后2py/kgf14f9.02pu/kg13f7.02pym/kgf1
8、8f.05-7荷 载 永久荷载结构重力 在程序中以自重输入二期恒载 m/tonf432.w 预应力荷载钢束( )196.0(.15截面面积 : 2pcm3587.A孔道直径 : /张拉力 : 施加72%抗拉强度的张力 2pupj /kgf60,13f72.0fton5.APjj张拉初期的损失(由程序计算)摩擦损失 : )kL(0)X(eP顶板束 : , 2.01.底板束 : , 36锚固端滑移量 : m6Ic混凝土弹性压缩预应力损失 : 损失量, SPEAf预应力长期损失(由程序计算)应力松弛 徐变和收缩引起的损失 徐变和收缩条件水泥 : 普通水泥施加持续荷载时混凝土的材龄 : 日5ot混凝土
9、暴露在大气中时的材龄 : 日3s相对湿度 : %70RH8大气或养生温度 : C20T适用标准 : 道桥设计标准 (中国规范)徐变系数 : 由程序计算混凝土收缩应变 : 由程序计算 挂篮(form traveller)荷载假设挂篮自重如下 tonf0.8Pm52etf.M图5 挂篮自重5-9设定建模环境为了做悬臂法桥梁的施工阶段分析首先打开新项目( 新项目)以FCMwizard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 ( FCMwizard )工具 / 单位体系 长度 m ; 力 tonf 图6
10、 设定单位体系 单位体系也可以使用程序窗口下端的状态条中的按钮( )选择修改。105-11定义截面及材料定义上部结构和下部结构以及预应力钢束的材料特性。模型 / 材料和截面特性 / 材料设计类型 混凝土 ; 规范 GB-Civil(RC)数据库 C40 设计类型 混凝土 ; 规范 GB-Civil(RC)数据库 C25 名称 (钢束) ; 设计类型 用户定义 ; 规范 无分析数据弹性模量 (2.0e7)线膨胀系数 (1.0e-5) 图7 定义材料特性对话框 同时定义多种材料时，使用按钮会更方便一些。12将桥墩的截面特性定义为用户类型。 模型 / 材料和截面特性 / 截面数据库 / 用户表单截面
11、号 (1) ; 名称 (桥墩)截面形状 实腹长方形截面 ; 用户 H (1.8), B(8.1) 图8 定义截面特性对话框 因为预应力箱型截面的特性将在悬臂法建模助手中定义，所以不必在此另外定义。5-13使用悬臂法建模助手建模使用MIDAS/Civil的悬臂法建模助手功能建模。悬臂法建模助手由模型、截面、钢束三个表单组成。输入模型数据在悬臂法建模助手的模型表单中，我们将定义桥梁的材料、基本数据、桥梁段的划分(参见图10)、零号块的大小、桥墩类型和尺寸等，另外还将定义每个桥梁段的施工持续时间(12天 )。模型 / 结构建模助手 / 悬臂法（FCM）桥梁建模助手 模型表单材料 (主梁) 1: C4
12、0 ; 材料 (桥墩) 2: C25桥墩数 ( 2 ) ; 桥墩截面 1: 桥墩 ; 施工阶段持续时间 (12)构件制作方法 现浇零号块 P.T. ( 14 ) ; B ( 6 )合龙段 K1 ( 2 ) ; K2 ( 2 )桥墩 H ( 40 ) ; C ( 4.2 )满堂支架法(FSM) FSM(左) ( 2, 44.25 ) ; FSM(右) ( 2, 44.25 ) Zone1 ( 124.75 ) ; Zone2 ( 124.75 ) 本桥梁例题将支膜和绑扎钢筋、布置钢束管道的时间定为7天，浇筑混凝土以及养生的时间定为5天，因此将施工一个桥梁段的时间设定为12天。 选择详细开关并按
13、，即可建立非对称施工的桥梁或各跨长度不同的悬臂法桥梁模型。 满堂支架法(FSM)区段要考虑钢束的锚固，合理地划分单元。(参照图10)。 选择半径开关并输入半径，即可建立曲线变截面悬臂法桥梁模型。14图9 悬臂法桥梁建模助手的模型表单图10 桥梁段的划分120987654321 FSM PFSM 120987654321P012=0.4 50=721 =.4 50=72.134516781920234P.0.1 4=5LC 13451678192023 P2. 4=Segmnt 0.0.0Segmnt Segmnt Segmnt 1 .0.0 .043Keyg KeySgKeyg31209876
14、54321234567891021098765432123456789102ASEG (12DAY/)FM PRT71452369087654321 SEG (12DAY/)P PAFSM PARTPIR TBLIEFOTINGF/NK-N KEY-GNKEY-SMNTG (12DA/) S (12D/)PIER TABLIFOTINGF/N8CLOF IER CLOF IER5-15图11 施工工序计划表16悬臂法的施工工期与桥墩数量和投入的作业车辆(挂篮等)有关。因为各桥墩的悬臂部分并不是同时施工的，所以施工合龙段时合龙段两侧悬臂桥梁段的混凝土材龄是不同的。由于两侧悬臂桥梁段混凝土材龄的差
15、异，引起同一施工阶段内施工的悬臂桥梁段的徐变和收缩以及预应力钢束的预应力损失量的差异。也就是说，施工合龙段时合龙段两侧的截面应力和位移是不同的，施工阶段分析时一定要考虑到这种情况。 在MIDAS/Civil中，通过施工阶段时间荷载 功能决定单元的材料时间依存特性，合龙段两侧桥梁段的材龄差异，由施工完两桥墩的零号块之后施工第一个桥梁段的时间差异来体现。在图11的预定施工工序中以一行为15天来表示施工桥梁所需时间以及预定的工序。根据预定的工序，两桥墩第一个桥梁段的开始施工时间差为60天。 点击， 输入两桥墩零号块的施工时间差。P.T. P.T. 2Day ( 60 ) ; 图12 输入桥墩零号块的
16、施工时间差 关于施工阶段时间荷载功能的使用方法请参照“使用一般功能做悬臂法施工阶段分析”中的说明或参照“用户在线手册”中的“CIVIL的功能荷载 施工阶段时间荷载。5-17混凝土是具有时间依存特性的材料，混凝土的强度、徐变和干缩系数都随时间而变化。混凝土的材龄越小，混凝土的时间依存特性值的变化越大。在施工阶段分析中，因为混凝土一般都处于早期材龄状态，为了正确地反映混凝土的材料时间依存特性，需要正确输入混凝土初始材龄的信息。初始材龄是指在混凝土养生期间拆模之后，开始施加持续荷载时的混凝土材龄。程序将利用输入的初始材龄计算混凝土的弹性系数、徐变系数、干缩系数。主要构件的初始材龄从施工工序计划表中构
17、件的施工持续时间里扣除支模和绑扎钢筋所需时间而得。 FSM 区段 : 60 天 合龙段(Key Seg.) : 10 天 零号块 : 15 天 一般桥梁段 : 5 天 桥墩 : 100 天点击 ，输入各主要构件的初期材龄。FSM ( 60 ) ; Segment ( 5 ) ; Key Seg ( 10 )Pier ( 100 ) ; Pier Table ( 15 ) 图13 输入各主要构件的初期材龄 考虑湿混凝土自重的桥梁段和合龙段的初期材龄应该比一个桥梁段的施工持续时间短。详细的内容参见“预应力箱型截面” 章节。18预应力箱型截面数据的输入为了能承受悬臂法施工时的弯矩和剪力，FCM桥梁的
18、截面一般设计成支座截面高于跨中截面的变截面梁。在悬臂法建模助手中，用户只需输入跨中截面和支座处截面，程序将自动生成截面高度按二次方程变化的曲线桥梁。 参照图14的截面图形输入截面尺寸。输入完截面尺寸以后在查看选项中选择实际截面，可以观察到实际输入的截面形状。挂篮的荷载应该输入包含模板的重量以及偏心距离，程序将自动转换成垂直荷载和弯矩。如果选择考虑混凝土湿重的话，则在支模和绑扎钢筋之后 (默认为从桥梁段的施工持续时间中扣除桥梁段的初期材龄时间)，程序将自动施加混凝土湿重。在结构体系不变的情况下，如果已经施加挂篮荷载(包括模板重量)而由于不可知的原因没有立即施加混凝土湿重时，不需要另外建立施工阶段
19、，只需利用添加步骤功能输入一个步骤即可。 截面表单单箱单室 (开) H1( 0.25 ) ; H2( 2.19 ); H3( 0.26 ) ; H4( 0.35 )H5( 0.325 ); H6( 0.25 ); H2-1( 5.9 ); H3-1( 0.85 ) B1( 2.8 ) ; B2( 0.45 ); B3( 3.1 ) ; B4( 1.75 ) ; B5 ( 1.75 )B6( 1.25 )挂篮荷载 (包含模板荷载) 考虑混凝土湿重 (开)P ( 80 ) ; e ( 2.5 )查看选项 实际截面 关于添加步骤的详细事项参见用户在线手册中的 “CIVIL的功能荷载施工阶段分析数据定
20、义施工阶段” 。 参见用户在线手册中的 “CIVIL的功能模型特性值变截面群” 。5-19图14 预应力箱型截面OF BXLC4501.28504032579825032.1906531.741.471.7 在悬臂法建模助手中预应力箱型梁的刚度中心的偏心自动设置为中央-顶。这是考虑了变截面的实际变化形状。因此也将按中央- 顶为基准计算刚度并适用于分析。可以确认截面形状 选择单箱双室时，可以建立中间有腹板的双格预应力箱型截面。20图15 输入截面尺寸预应力钢束的布置在预应力钢束表单中将输入钢束在横截面上的位置以及在各桥梁段锚固的钢束数量。输入了钢束在各横截面上的位置以及锚固数量后，程序将自动生成
21、预应力钢束的形状。 预应力钢束在横截面方向上的布置在建模助手中只能按等间距布置，因为预应力钢束在横截面方向的间距对整个施工阶段分析的结果影响不大，所以当钢束在横截面方向上的布置不是等间距时，可以输入各钢束距离的平均值。 钢束表单预应力钢束和预应力 (开) 截面类型 单箱单室H1 ( 0.17 ) ; H2 ( 0.32 ) ; H3 ( 0.29 ) ; H4 ( 0.14 )W1 ( 0.1 ) ; W2 ( 0.1 ) ; W3 ( 0.06 ) ; S ( 0.175 )DX1 ( 0.1 ) ; DY1 ( 0.3 ) ; DX2 ( 0.1 )DY2 ( 0.3 ) ; DX3 (
22、0.3 ) ; DY3 ( 0.19 )相等 (开)N1 ( 7 ) ; N2 ( 3 ) ; N3 ( 6 ) ; N4 ( 3 ) ; N5 ( 2 )N6 ( 7 ) ; N7 ( 2 ) ; N8 ( 5 ) 即使不选择预应力钢束和预应力选项，也可以利用菜单中预应力钢束形状功能输入钢束信息。 N7和N8 是FSM区段的下部预应力钢束数量。5-21图16 边跨预应力钢束的布置 图17 中间跨预应力钢束的布置图18 预应力钢束在横截面方向的布置4175=0517=8406.6396175=.04517=8406.39 在钢束数量对话框中选择不等选项时，可以在各跨各桥墩中输入不同的预应力钢束
23、数量。22下面输入预应力钢束的特性值和预应力钢束的张力。因为顶板束和底板束的预应力损失量不同，所以应分别定义顶板束和底板束。钢束张力设定为极限强度的72%。因为底板束的锚固位置有可能不在桥梁段的端部而在任意的位置，因此将底板束的锚固位置定义为与桥梁段的比例长度。预应力钢束的特性值 ; 钢束名称 ( 顶板束 ) ; 钢束类型 内部（后张）材料 3: 钢束 钢束截面面积 (0.) 或按 钢绞线公称直径 15.2mm(0.6) 钢绞线股数 (19) 孔道直径 (0.103) ; 松弛系数 (45) 钢束与孔道壁的摩擦系数 (0.2) 孔道每米长度局部偏差的摩擦系数 (0.001)极限强度 () ;
24、屈服强度 ()粘结类型 粘结 锚具变形及钢筋回缩值 始点 (0.006) ; 终点 (0.006) 钢束名称 ( 底板束 ) ; 钢束类型 内部（后张）材料 3: 钢束 钢束截面面积 (0.) 或按 钢绞线公称直径 15.2mm(0.6) 钢绞线股数 (19)孔道直径 (0.103) ; 松弛系数 (45)钢束与孔道壁的摩擦系数 (0.3) 孔道每米长度局部偏差的摩擦系数 (0.0066)极限强度 () ; 屈服强度 ()粘结类型 粘结 锚具变形及钢筋回缩值 始点 (0.006) ; 终点 (0.006) 顶板束 顶板束 ; 底板束 底板束张拉应力 顶板束( 0.72 ) ( Su ) ; 底
25、板束( 0.72 ) ( Su )底板束锚固位置 x1顶板束孔道注浆 每 ( 1 ) 个施工阶段 计算预应力钢束的预应力松弛损失时，一般使用Magura公式。松弛系数是包含在公式中的反应钢束品种松弛特性的常数。对一般钢束常数为10，低松弛钢束松弛系数为45。关于松弛系数的详细内容请参照土木结构分析中的“预应力损失”章节。 将顶板束孔道注浆设定为每1施工阶段时，张拉钢束之后在施工阶段将按注浆后的截面特性计算应力。5-23图19 输入钢束特性值图20 预应力钢束布置图(纵向)150.019.0 12 4.750 =57.056789101121.06-19P12.0 12 4.750 =57.0
26、7.07.012110987654321 1234 CL6-19 6-19Botm Tendon (Segment 1)segment 6 10 Botm Tendon (Segment 2) 2 顶 板 束底 板 束在桥梁段610 内各锚固2个钢束底板束(桥梁段1) 底板束(桥梁段2)24因为弯矩随悬臂长度增加而增大，所以所需钢束数量也将增多，从而也会产生一个桥梁段内锚固两个钢束的情况。 参照图20输入锚固在各桥梁段的钢束的数量。 钢束锚固数量相等 (开)桥梁段 P.T, Seg6, Seg7, Seg8, Seg9, Seg10 锚固数量 ( 2 ) ; 相等 (开) ; 桥梁段 Seg1
27、, Seg2, Seg3, Seg4, Seg12锚固数量 ( 0 ) ; 相等 (开) ; 桥梁段 Seg1, Seg2, Seg3, Seg4, Seg12锚固数量 ( 0 ) ; 桥梁段 Seg5, Seg11锚固数量 ( 2 ) ; 图21 输入各桥梁段锚固数量 按住Ctrl 键，可以同时选取多个桥梁段。5-25输入完所有数据之后按 键结束悬臂法桥梁建模助手并确认建立的模型。确认建立的桥梁模型和预应力钢束的布置情况。可以利用 窗口缩放功能和对齐缩放功能详细确认指定部位。 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)显示综合表单钢束形状
28、(开) 边界条件表单一般支承 (开) ; 弹性连接 (开) 对齐缩放, 消隐 (开)图22 由悬臂法桥梁建模助手生成的桥梁模型缩放窗口 在悬臂法桥梁建模助手中自动将各边界条件定义成如下: 桥梁两端为可移动铰支座，桥墩底部为固定支座，桥墩和预应力箱型梁用具有强大刚度的弹性单元连接。弹性连接26编辑和添加数据查看施工阶段在定义了施工阶段之后，MIDAS/CIVIL将在两个作业模式(基本阶段和施工阶段)内工作。在基本阶段模式中，用户可以输入所有结构模型数据、荷载条件以及边界条件，但不在此阶段做结构分析。施工阶段模式是指能做结构分析的模式。在施工阶段模式中，除了各施工阶段的边界条件和荷载之外，用户不能
29、编辑修改结构模型。 施工阶段不是由个别的单元、边界条件或荷载组成的，而是将单元群、边界条件群以及荷载群经过激活和钝化处理后形成的。在施工阶段模式中可以编辑包含于处于激活状态的边界群、荷载群内的边界条件和荷载条件。 可以在施工阶段工具条和工作树形表单中查看施工阶段信息。用户在施工阶段工具条中选择基本阶段以外的施工阶段后，可以在工作树形表单中一目了然地查看当前施工阶段中被激活和钝化了的结构群、边界群和荷载群。另外，用户通过在施工阶段工具条中变换施工阶段，可以在模型空间中即时查看施工阶段的变化情况。 在施工阶段模式中不能修改或删除节点和单元。除了处于激活状态的边界条件和荷载条件以外，其它数据的修改和删除只能在基本阶段模式中进行。
