1、 利用联合截面的桥梁的施工阶段分析 目 录 概要 1 截面尺寸 3 材料 3 荷 载 3 施工 阶段的 构成 4 设定建模环境及定 义截面/ 材料 7 设定建模环境 7 定 义材料 8 定 义截面 9 时间 依存材料特性 11 建立桥梁模型 14 定 义组 14 建立 桥梁模型 16 输入 边界 条件 20 输入支撑位置 20 输入有效宽度 21 输入荷载 23 定 义施工阶段 27 定 义结构组 27 施工 阶段的 构成 28 定 义各 个施工阶段的联合截面 33 运行分析 37 查看分析结果 38 查看 内力 38 查看 应力 40 注意事 项 41 联合截面施工阶段分析 概要 两种以上材
2、料组成的联合截面，要进行考虑联合效果后的结构分析。特别是包含混凝土的联合截面考虑混凝土的收缩和徐变时必须要使用施工阶段联合截面功能。 本例题为混凝土桥面板和工字钢梁组成的联合截面桥梁，使用 联合截面 功能和 施工阶段 功能建立模型和查看结果。 桥梁基本数据如下： 桥 梁 类 型 : I-girder 联合截面三跨连续梁桥 (PSC桥面板) 桥 梁 长 度 : L = 45.0 + 55.0 + 45.0 = 145.0 m 桥 梁 宽 度 : B = 12.14 m 斜 交 角 度 : 90 (直桥) 图 1. 分析模型 1 APPLICATION TUTORIAL 在MIDAS/Civil为
3、了进行联合截面施工阶段的的分析，提供了 施工阶段联合截面 功能。通过本例题学习包括施工阶段和联合截面同时存在的结构分析方法。 联合截面桥梁的施工阶段分析步骤如下： 1. 定义材料及截面 2. 定义结构组、边界组、荷载组 3. 定义施工阶段 4. 各个施工阶段的边界组、荷载组的激活 5. 各个施工阶段的桥面板的激活 6. 查看各个施工阶段的结果 2 联合截面施工阶段分析 截面尺寸 单位 : mm 图 2. 标准断面图 在本例题为了建模方便，主梁和横梁都采用等截面。 材料 构件 内容 备注 主梁 Q345 钢材 横梁 Q345 钢材 桥面板 C40 混凝土(考虑时间依存性) 荷载 联合前恒载 -
4、钢材自重 : 用程序的 自重 功能自动输入 - 桥面板自重 : 用 梁单元荷载 功能输入 联合后恒载 -用 梁单元荷载 功能输入 3 APPLICATION TUTORIAL 施工阶段的构成 定义荷载工况及荷载组 0.8L1=36m0.2L1+0.2L2=20m 0.2L2+0.2L3=20mCS2 CS3 CS40.6L2=33m 0.8L3=36 mL2 = 5 5 mL1 = 45m L3 = 45m145m图 3. 桥面板的浇筑顺序及范围 在主梁的反弯点（距离内部支座0.2L的位置）即应力最小的位置做桥面板的新旧混凝土的连接点。 荷载工况名称 荷载组 荷载类型 备注 DL(BC)1 D
5、L(BC)1 自重 主梁自重 DL(BC)2 DL(BC)2 梁单元荷载 0.8 L1的桥面板自重 DL(BC)3 DL(BC)3 梁单元荷载 0.2 L1 + 0.8 L2的桥面板自重 DL(BC)4 DL(BC)4 梁单元荷载 0.2 L2 + L3的桥面板自重 DL(AC) DL(AC) 梁单元荷载 2期荷载(桥面铺装, 栏杆, 防撞墙) 定义边界组 边界条件 边界条件种类 备注 BGroup 一般支撑 支座 E_Width1有效宽度系数 有效宽度和全宽的截面惯性矩之比， CS2 区段(第一跨跨中) E_Width2有效宽度系数 有效宽度和全宽的截面惯性矩之比， CS3 区段(第一个支座
6、，第二跨跨中) E_Width3有效宽度系数 有效宽度和全宽的截面惯性矩之比， CS4 区段(第二个支座，第三跨跨中) 4 联合截面施工阶段分析 施工阶段的构成 荷载组(激活) 施工阶段 结构组 边界组 组 步骤 持续时间 备注 CS1 SGroup BGroup DL(BC)1DL(BC)2第一步骤 第一步骤 5 非联合截面CS2 - E_Width1 DL(BC)3第25天 (用户步骤) 30 CS2阶段联合CS3 - E_Width2 DL(BC)4第25天 (用户步骤) 30 CS3阶段联合CS4 - E_Width3 DL(AC) 第一步骤 10,000 CS4阶段联合 SGroup
7、为包含所有单元（主梁、横梁）的结构组。 因结构物的几何形状不随施工阶段变化，故只定义一个结构组。 随桥面板的浇筑顺序变化的截面联合/非联合情况，用 施工阶段联合截面 功能输入。 桥面板的拼装模板时间为25天，桥面板的初期强度龄期为5天，总施工时间为30天。 以梁单元荷载施加桥面板的自重，在拼装模板结束时（第25天）激活。 z CS1 建立全跨桥梁的钢梁和横梁 施加主梁的自重，CS2区段（图4）桥面板的自重以梁单元荷载施加 z CS2 CS2 区段的截面联合 输入CS2 区段的有效宽度比 CS3区段（图3）桥面板的自重以梁单元荷载施加 z CS3 CS3区段的截面联合 输入CS3区段的有效宽度比
8、 CS4区段(图3)桥面板的自重以梁单元荷载施加 z CS4 CS4区段的截面联合 CS4区段的有效宽度比 二期荷载以梁单元荷载施加 5 APPLICATION TUTORIAL CS1CS2CS3CS4Slab W eightAdditional L o a d图 4. 各个施工阶段的板自重及二期荷载施加 6 联合截面施工阶段分析 设定建模环境及定义截面/材料 为了建立桥梁模型，首先打开新项目( 新项目 )以I-Girder Composite Bridge 为名字保存( Save)文件。 文件 / 新项目 文件 / 保存 ( I-Girder Composite Bridge ) 设定建模
9、环境 单位体系设置为tonf(力)，m(长度) 工具 / 单位体系 长度m ； 力tonf 图 5. 设定单位体系对话框 7 APPLICATION TUTORIAL 定义材料 利用MIDAS/Civil程序内部材料数据库定义主梁和横梁及桥面板的材料。 模型/ 材料和截面特性/ 材料 类型钢材 ； 规范GB03(S) 数据库Q345 类型混凝土 ； 规范JTG04(RC) 数据库C40 图 6. 输入材料数据 8 联合截面施工阶段分析 定义截面 对于主梁截面，为了考虑施工阶段，各个阶段定义不同名字的截面特性值。本例题主梁采用等截面，所以截面特性相同，只名 称不同(Sect-1, Sect-2,
10、 Sect-3)。横梁使用 用户 的功能输入数据。 图 7. 截面数据 单位: mm 截面 区段 内容 备注 主梁 H 32008009002032/34 联合截面 横梁 H 8004002020/20 用户类型截面 模型 /特性值 / 截面 联合截面 截面号 (1) ； 名称 (Sect 1) ； 偏心中心-中心 截面类型钢-工字型 ； 板宽度 (12.14) ； 梁数量 (2) ； CTC (6.15) 钢筋混凝土板Bc (6.07) ； tc (0.25) ； Hh (0.028) 使用联合截面时，混凝土的自重是以梁单元荷载施加，所以为了在考虑材料自重时防止重复考虑混凝土的自重，所以输入
11、为”0” 。 梁Hw (3.2) ； tw (0.02) ； B1 (0.8) ； tf1 (0.032) ； B2 (0.9) ； tf1 (0.034) 材料 混凝土材料数据库JTG(RC) ； 名称C40 钢材数据库GB03(S) ； 名称Q345 Ds/Dc (0) 9 APPLICATION TUTORIAL 截面号 (2) ； 名称 (Sect 2) 截面号 (3) ； 名称 (Sect 3) 图 8. 输入截面对话框 数据库/用户表单 截面号 (4) ； 名称 (CBeam) ； 偏心中心-中心 截面形状工字型截面 ； 用户 H (0.84) ； B1 (0.4) ； tw (0
12、.02) ； tf1 (0.02) 10 联合截面施工阶段分析 时间依存材料特性 为了考虑弹性模量变化及收缩、徐变对混凝土强度的影响，需要另外定义时间依存材料特性值。 本例题时间依存材料特性值采用CEB-FIP标准中的规定。构件理论厚度计算时，桥面板的厚度假定为25cm。 修改力单位体系为KN。 28天混凝土抗压强度: 40000 KN/m2 相对湿度 : 70% 几何形状指数 : 2 Ac/u = (212.140.25) / (12.14+0.25)/2 = 0.245 水泥种类 : 普通水泥 拆模时间 : 浇筑后3天(开始收缩时间) 模型 / 特性值 / 时间依存材料(徐变和收缩) 名称
13、 (Mat-1) ； 设计标准China（JTG D62-2004） 28天材龄抗压强度 (40000) 相对湿度 (40 99) (70) 构件理论厚度 (0.245)水泥种类系数 (5) 混凝土开始收缩时间 (3) 计算输入桥面板的构件理论厚度。 点击 可以查看定义的徐变和收缩图形。 图 9. 定义混凝土时间依存材料特性（收缩/徐变） 11 APPLICATION TUTORIAL 浇筑混凝土后，随时间的推移混凝土逐渐硬化，强度也逐渐在增加。本例题使用是CEP-FIP标准中定义的混凝土强度进展函数，输入的数据为定义徐变和收缩时使用的数据。 模型 /特性值 / 时间依存材料特性(Comp.
14、Strength) 名称 (Mat-1) ； 类型设计规范 强度进展规范CEB-FIP 混凝土28天抗压强度(S28) (4000) 水泥种类(a)N, R : 0.25 ； 图 10. 定义强度进展函数 12 联合截面施工阶段分析 在MIDAS/Civil中，时间依存材料特性与一般材料特性是分别定义的，最后要将两种材料特性连接起来。 下边将桥面板构件的材料(C40)赋予时间依存材料特性。 模型 / 特性值 / 时间依存材料特性连接 时间依存材料类型徐变/收缩Mat-1 抗压强度Mat-1 选择分配的材料材料 3:C40 选择的材料 ； 操作 图 11. 连接一般材料特性和时间依存材料特性 1
15、3 APPLICATION TUTORIAL 建立桥梁模型 将各个施工阶段新添加的单元或边界条件、荷载条件定义为组，通过激活和钝化相应的组建立施工阶段。在本例题学习使用 联合截面 功能定义施工阶段的方法。 定义组 参照下表，定义各个施工阶段必要的组（结构组、边界组、荷载组）。 荷载组(Activation) 施工阶段 结构组 边界组 组 步骤 持续时间 备注 CS1 SGroup BGroup DL(BC)1DL(BC)2第一步骤 第一步骤 5 非联合截面CS2 - E_Width1 DL(BC)3第25天 (用户步骤) 30 CS2区段联合CS3 - E_Width2 DL(BC)4第25天
16、 (用户步骤) 30 CS3区段联合CS4 - E_Width3 DL(AC) 第一步骤 10,000 CS4区段联合组表单 组结构组 鼠标右键 新建 名称 (SGroup) 组边界组 鼠标右键 新建 名称(BGroup) 名称(E_Width) ； 后缀 (1to3) 组荷载组 鼠标右键 新建 名称(DL(BC) ； 后缀(1to4) 名称(DL(AC) ； C C C 14 联合截面施工阶段分析 图 12. 定义组 15 APPLICATION TUTORIAL 建立桥梁模型 输入主梁数据 参照下图输入主梁数据。 0.8L1=36m0.2L1+0.2L2=20m 0.2L2+0.2L3=2
17、0mCS2 CS3 CS40.6L2=33m 0.8L3=36 mL2 = 5 5 mL1 = 45m L3 = 45m145m图 13. 桥面板的浇筑顺序及范围 横梁间距为5m，桥面板的浇筑阶段如图13，考虑主梁的有效宽度可按照下表输入。 CS2 范围 : 75 + 1 = 36m (采用截面 : Sect 1) CS3 范围 : 4 + 35 +1 + 3 + 65 = 53m (采用截面: Sect 2) CS4 范围 : 1 + 35 + 4 + 1 + 75 = 56m (采用截面: Sect 3) 16 联合截面施工阶段分析 顶面 , 捕捉节点 (开), 捕捉单元 (开), 自动对
18、齐 (开) 模型/节点/ 建立节点 坐标 ( 0, 0, 0 ) 复制复制次数 (1) ； 距离 (0, 6.15, 0) 模型 / 单元 / 扩展单元 全选 扩展类型节点 线单元 单元属性单元类型梁单元 材料1:主梁 ； 截面1 : Sect 1 生成类型移动 复制和移动任意间距 方向x ； 间距 (75,1,4,35,1,4,55,4,1,35,4,1,75) 图 14. 建立主梁 17 APPLICATION TUTORIAL 给CS3, CS4区段的主梁，使用拖放的功能赋予截面特性。 工作表单 窗口选择 (单元 : CS3区段的所有梁或17to40) 特性值截面Sect 2 ( 拖放
19、) 窗口选择 (单元 : CS4区段的所有梁或41to66) 特性值截面Sect 3 ( 拖放 ) 确认各个节点间距时，可使用查询节点功能( 图 15的 ) 。 CS2 区段 : Sect 1 36m CS4 区段 : Sect 3 56m CS3 区段 : Sect 2 53m 放拖 图 15. 各个区段赋予不同的截面名称 18 联合截面施工阶段分析 输入横梁 输入横梁的数据。 节点号 (开) 模型 / 单元/ 建立单元 单元类型一般梁/变截面梁 材料2:横梁 ； 截面4:CBeam ； Beta角 ( 0 ) 节点连接( 1, 2 )模型 / 单元 / 复制和移动 选择最新建立的个体 形式
20、复制 ； 复制和移动等间距 dx, dy, dz ( 5, 0, 0 )； 复制次数 ( 145/5 ) 图 16. 输入横梁 19 APPLICATION TUTORIAL 输入边界条件 输入支撑位置 结构物的所有边界条件一次性在CS1阶段被激活，所以定义所有边界条件都属于BGroup边界组。 模型 / 边界条件 / 一般支承 边界组名称BGroup 单选 (节点 : 21) 选择添加 ； 支撑条件类型D-ALL (开) 单选 (节点 : 1, 47, 67) 选择添加 ； 支撑条件类型Dy, Dz (开) 单选 (节点 : 2, 48, 68) 选择添加 ； 支撑条件类型Dz (开) 单选
21、 (节点: 22) 选择添加 ； 支撑条件类型Dx, Dz (开) 图 17. 输入边界条件 20 联合截面施工阶段分析 输入有效宽度 首先估算主梁的有效宽度，输入随有效宽度不同的截面惯性矩之比。在MIDAS/Civil中输入 有效宽度系数 ，会在应力估算时有所体现。 考虑有效宽度来估算应力时，在 有效宽度系数 功能里输入全截面的Iyy值和有效宽度的Iyy值之比即可。 截面惯性矩 Iyy 区段 有效宽度 全宽度(Iyy_1) 有效宽度(Iyy_2) 有效宽度比, Iyy_2/Iyy_1 变跨跨中 5.653 0.4696905 0.4628585 0.985 支座处 5.117 0.46969
22、05 0.4530761 0.965 中跨跨中 5.839 0.4696905 0.4659784 0.992 显示 边界条件全部 ； 一般支撑 (开) 节点号n (关), 单元号 (开) 模型 / 边界条件 / 有效宽度系数 边界组名称E_Width1 单选 (单元 : 116) 系数 Iy ( 0.985) 边界组名称E_Width2 单选 (单元 : 1726) 系数 Iy ( 0.965) 单选 (单元 : 2740) 系数 Iy ( 0.992) 边界组名称E_Width3 单选 (单元 : 4150) 系数 Iy ( 0.965) 单选 (单元 : 5166) 系数 Iy ( 0.
23、985) 21 APPLICATION TUTORIAL 图 18. 输入随有效宽度不同的截面惯性矩 22 联合截面施工阶段分析 输入荷载 在本例题使用梁单元荷载输入联合前的荷载和联合后的荷载。参照下图输入各个施工阶段的荷载。 右侧梁 左侧梁 区段 垂直荷载(FZ) 扭矩 (MX) 垂直荷载(FZ) 扭矩 (MX) 联合前荷载，DL(BC) -3.974 -0.152 -3.974 0.152 联合后荷载，DL(AC) -1.906 2.008 -1.906 -2.008 定义荷载工况时，荷载类型选择施工阶段荷载。 首先定义荷载工况。 荷载 / 静力荷载工况 名称 ( DL(BC)1 ) ；
24、类型 施工阶段荷载 (CS) 名称 ( DL(BC)2 ) ； 类型 施工阶段荷载 (CS) 名称 ( DL(BC)3 ) ； 类型 施工阶段荷载 (CS) 名称 ( DL(BC)4 ) ； 类型 施工阶段荷载 (CS) 名称 ( DL(AC) ) ； 类型 施工阶段荷载 (CS) 图 19. 输入荷载工况 23 APPLICATION TUTORIAL 输入联合前的恒载 用 梁单元荷载 功能给梁单元输入均布荷载。 图 20. 输入CS1区段的桥面板联合前的荷载 标准视图, 单元号 (关) 力单元体系：tonf 荷载 / 自重 荷载工况名称 DL(BC)1 ； 荷载组名称DL(BC)1 自重系
25、数Z ( -1 ) ； 操作添加 荷载 / 梁单元荷载 选择单元属性 选择类型截面 ； 1:Sect 1 荷载工况名称 DL(BC)2 ； 荷载组名称DL(BC)2 荷载类型均布荷载 24 联合截面施工阶段分析 方向整体坐标系 Z ； 投影No ； 数值相对值 x1 ( 0 ) ； x2 ( 1 ) ； w ( -3.974 ) 多边形选择 (单元 : 2to16by2, 左侧主梁的第一个桥面板的浇筑区段 ) 荷载类型均布弯矩/扭矩 方向整体坐标系 X ； 投影No ； 数值相对值 x1 ( 0 ) ； x2 ( 1 ) ； w ( 0.152 ) 多边形选择 (单元 : 1to15by2,
26、右侧主梁的第一个桥面板的浇筑区段 ) x1 ( 0 ) ； x2 ( 1 ) ； w ( -0.152 ) 按上述方法输入CS2区段的(DL(BC)3)和CS3区段的(DL(BC)4)的联合前的荷载。 CS3 施工区段 53m CS4 施工区段 56m 图 21. CS3, CS4 区段的桥面板荷载 25 APPLICATION TUTORIAL 输入联合后的固定荷载 使用 梁单元荷载 功能，给梁单元输入均布荷载。 荷载 / 梁单元荷载 选择单元属性 选择类型截面 ； 1:Sect 1, 1:Sect 2, 1:Sect 3 荷载工况名称 DL(AC) ； 荷载组名称DL(AC) 荷载类型均布荷载 方向整体坐标系 Z ； 投影否 ； 数值相对值 x1 ( 0 ) ； x2 ( 1 ) ； w ( -1.906 ) 多边形选择 (单元: 2to62by2, 左侧主梁 ) 荷载类型均布弯矩/扭矩 方向整体坐标系 X ； 投影No ； 数值相对值 x1 ( 0 ) ； x2 ( 1 ) ； w ( -2.008 ) 多边形选择 (单元 : 1to61by2, 右侧主梁 ) x1 ( 0 ) ； x2 ( 1 ) ； w ( 2.008 ) 图 22. 输入2期荷载 26
