1、毕业设计铁路劲性骨架钢管拱桥施工过程仿真分析Railway CFST Arch Bridge Construction Process Simulation Analysis0000 届 土木工程 学院专 业 土木工程 学 号 00000000 学生姓名 指导老师 完成日期 2012 年 5 月 22 日摘 要劲性骨架混凝土拱桥填充的混凝土能延缓钢管的局部屈曲，钢管能加强混凝土的抗拉能力，并且提高其抗压强度和延性。此外，在施工中管也是作为一个混凝土的模板。在中国经济快速发展情况下，钢管混凝土成为一个好的钢筋混凝土拱桥或钢拱桥替代品。由于其施工过程为关键，本课题以尤溪大桥施工为背景，为了保证最终
2、的成桥线形和受力状态满足设计要求，为施工控制提供合理的科学依据，需要通过桥梁施工方法和有限元软件，对施工过程采用空间仿真计算。尤溪大桥拱圈跨度为 140m,采用内灌外包技术。分析方法采用容许应立法和应力叠加法。分析过程首先针对客观条件，选用拱桥的施工方法；其次，对施工步骤进行了合理划分，分别论述了各个步骤的内容；然后用有限元软件按照施工过程进行仿真分析。最后输出结果，完成相应计算。空间仿真计算结果表明：通过施工仿真计算不仅能对整个施工过程进行描述，反映全过程的受力行为，而且还能确定各个施工阶段的合理状态，为施工监测监控提供中间目标状态。施工仿真计算已成为现代桥梁确定静力状态的主要手段，对劲性骨
3、架混凝土拱桥建设具有一定的指导意义和参考价值。关键词： 钢管混凝土 拱桥 施工阶段 有限元分析AbstractConcrete filled steel tube arch bridge can delay the local buckling of steel tubes, and steel also reinforce tensile strength of concrete, and improve the compressive strength and ductility .Furthermore, in the construction of the pipe is also u
4、sed as a concrete template. under the condition of the rapid development of economy in China , Concrete filled steel tube as a perfect reinforced concrete arch bridge or arch replacement. As the construction is the key, the subject which use the construction of Youxi bridge as the background study t
5、he space simulation by finite element program to ensure that the final bridge line and stress state meet the design requirements ,moreover provide the rational scientific basis .Youxi bridge main span is 140m constructed by the pouring -outsourcing technology. Methods of analysis use the allowable s
6、tress of method and stress superposition method. Firstly, In view of the objective conditions, this paper select the construction method of arch bridge ; Secondly, the construction steps is divided reasonably and discusses the content of various steps; Then by using the finite element software accor
7、ding to the construction process operates simulation analysis; finally output achievements and complete the calculation.The space simulation analysis result indicate : simulation not only describe the whole construction course response the strength behavior of whole offer the middle goal state for c
8、onstructing and monitoring controllingConstruction simulation analysis has become a dominating method of static analyzing modem bridge already .It is useful for the guidance and the reference to the readers who engage in bridge construction.Key words: Concrete filled steel tube Arch bridge Construct
9、ion stage Finite element Analysis目 录第 1 章 绪 论 .11.1 钢管混凝土定义 .11.1.1 钢管混凝土拱桥截面构造形式 .11.1.2 钢管混凝土拱桥结构分类 .31.2 钢管混凝土拱桥发展状况 .31.2.1 目前国内外研究 .51.2.2 目前的施工方法 .6第 2 章 尤溪大桥设计 .72.1 尤溪大桥设计资料 .72.2 尤溪大桥施工方法 .72.3 仿真分析的意义与原则 .8第 3 章 仿真分析过程 .103.1 概述 .103.1.1 有限元的基本原理 .103.1.2 有限元的发展 .113.2 MIDAS 与 AutoCAD 之间单向
10、导入的应用 .123.2.1 坐标计算 .123.2.2 导入 .123.3 骨架边界约束定义 .143.4 悬拼过程与扣索拉力的确定 .143.5 内灌混凝土的分析 .153.6 外包混凝土的模拟 .163.6.1 混凝土与钢管之间的连接 .163.6.2 混凝土变截面与变截面组的应用 .173.7 拱上立柱施 .173.8 连续梁架设 .183.9 车道荷载加载 .193.10 施工阶段的定义 .203.11 钝化与激活的应用 .21第 4 章 有限元计算结果分析 .224.1 位移分析 .224.2 应力分析 .284.3 塔吊设计结果 .344.4 仿真分析结果总结 .35第 5 章
11、结论展望 .37参考文献 .38致 谢 .39附 录 .40附录 A .40附录 B .49毕业设计 1第 3 章 仿真分析过程3.1 概述仿真分析将在有限元软件 MIDAS/Civil 环境下模拟，结构有限元分析软件MIDAs/Civil 是一种在桥梁设计领域通用的结构分析和优化设计的有限元分析软件。MIDASCivil 不仅是通用的结构分析软件，而且还可以分析如预应力箱型桥梁、悬索桥、斜拉桥等特殊的结构形式，并且可以进行桥梁施工阶段分析、水化热分析、静力弹塑性分析、支座沉降分析、大位移分析，是强有力的土木工程分析与优化设计系统。(1)对劲性骨架混凝土拱桥施工阶段与方法进行研究，包括对劲性骨
12、架混凝土拱桥施工控制仿真分析方法原理上进行阐述。(2)以尤溪大桥为背景，详细总结和分析劲性骨架混凝土拱桥施工仿真计算结构构件的有限元模拟方法，并利用有限元计算软件 MIDAS/Civil 进行施工控制仿真计算，包括各施工阶段内力、应力、变形计算。(3)对施工控制仿真计算结果进行详细的分析，总结出劲性骨架混凝土拱桥施工控制相关参数的变化规律。3.1.1 有限元的基本原理有限元方法(finite element method) 或有限元分析(finite element analysis)，是求取复杂微分方程近似解的一种非常有效的工具，是现代数字化科技的一种重要基础性原理。将它用于在科学研究中，可
13、成为探究物质客观规律的先进手段。将它应用于工程技术中，可成为工程设计和分析的可靠工具。严格来说，有限元分析必须包含三个方面：(1) 有限元方法的基本数学力学原理，(2)基于原理所形成的实用软件，(3)使用时的计算机硬件。随着现代计算机技术的发展，一般的个人计算机就能满足第(3)方面的要求；采用有限元方法可以针对具有任意复杂几何形状的结构进行分析，并能够得到准确的结果。其原因就是有限元方法是基于“离散逼近(discretized aPProximation) ”的基本策略，可以采用较多数量的简单函数的组合来“ 近似” 代替非常复杂的原函数。一个复杂的函数，可以通过一系列的基底函数(base fu
14、nction)的组合来“ 近似”，也就是函数逼近。 基于分段的函数描述具有非常明显的优势：(1)可以将原函数的复杂性“化繁为简 ”，使得描述和求解成为可能， (2)所采用的简单函数可以人工选取，因毕业设计 2此，可取最简单的线性函数，或取从低阶到高阶的多项式函数，(3)可以将原始的微分求解变为线性代数方程。但分段的做法可能会带来的问题有：(1)因采用了“化繁为简”，所采用简单函数的描述的能力和效率都较低，(2)由于简单函数的描述能力较低，必然使用数量众多的分段来进行弥补，因此带来较多的工作量。 综合分段函数描述的优势和问题，只要采用功能完善的软件以及能够进行高速处理的计算机，就可以完全发挥“化
15、繁为简” 策略的优势，有限元分析的概念就在于此。 3.1.2 有限元的发展有限元方法的思想最早可以追溯到古人的“化整为零” 、 “化圆为直”的作法，如“ 曹冲称象”的典故，我国古代数学家刘徽采用割圆法来对圆周长进行计算；这些实际上都体现了离散逼近的思想，即采用大量的简单小物体来“冲填” 出复杂的大物体。 早在 1870 年，英国科学家 Rayleigh 就采用假想的“ 试函数” 来求解复杂的微分方程，1909 年 Ritz 将其发展成为完善的数值近似方法，为现代有限元方法打下坚实基础。20 世纪 40 年代，由于航空事业的飞速发展，设计师需要对飞机结构进行精确的设计和计算，便逐渐在工程中产生了
16、的矩阵力学分析方法；1943 年，Courant 发表了第一篇使用三角形区域的多项式函数来求解扭转问题的论文；1956 年波音公司的 Turner ， Clough ，Martin 和 Topp 在分析飞机结构时系统研究了离散杆、梁、三角形的单元刚度表达式；1960 年 Clough 在处理平面弹性问题，第一次提出并使用“有限元方法 ”(finite element method) 的名称； 1955 年德国的 Argyris 出版了第一本关于结构分析中的能量原理和矩阵方法的书，为后续的有限元研究奠定了重要的基础，1967 年 Zienkiewicz 和 Cheung 出版了第一本有关有限元分
17、析的专著；1970 年以后，有限元方法开始应用于处理非线性和大变形问题；我国的一些学者也在有限元领域做出了重要的贡献，如胡海昌于 1954 提出了广义变分原理，钱伟长最先研究了拉格朗日乘子法与广义变分原理之间关系，钱令希在 20 世纪五十年代就研究了力学分析的余能原理，冯康在 20 世纪六十年代就独立地、并先于西方奠定了有限元分析收敛性的理论基础。随着计算机技术的飞速发展，基于有限元方法原理的软件大量出现，并在实际工程中发挥了愈来愈重要的作用；目前，专业的著名有限元分析软件公司有几十家，国际上著名的通用有限元分析软件有ANSYS，ABAQUS，MSC/NASTRAN ，MSC/MARC ，AD
18、INA，ALGOR，RO/MECHANICA，IDEAS ，还有一些专门的有限元分析软件，如 LS-毕业设计 3DYNA，DEFORM ，AM-STAMP, AUTOFORM ，SUPER-FORGE 等，都为有限元应用的推广作出了很大贡献。3.2 MIDAS 与 AutoCAD 之间单向导入的应用由于仿真分析的模型比较复杂，为方便起见，我们选择在 CAD 中画出各个单元的轴线，然后再导入 MIDAS，成为梁单元，在此之前我们要做相应的准备工作。3.2.1 坐标计算首先根据设计资料将控制坐标输入到 Excel 文档中，根据几何关系计算出单元的轴线坐标。截面高度 (3-1)222131313()
19、()()Hxyz混凝土轴线(3-2)42()LXx(3-3)3341)yyYH(3-4)42(zzZL各环混凝土轴线距离骨架下边缘中心的长度(m)H骨架截面高度(m)上弦内侧钢管坐标(m)1,xyz上弦外侧钢管坐标(m)2下弦内侧钢管坐标(m)3,xyz下弦外侧钢管坐标(m)4输出坐标后，在 CAD 中画出各个梁单元的轴线，在画轴线的时候应注意以下原则：(1)不同截面的单元设为不同的图层，这是为了方便导入 MIDAS 时截面和材料的设定，并且名字用英文命名。(2)不同功能的杆件同样定义为不同图层，这是为了在画轴线时能关闭不必要的图层，方便绘图。毕业设计 4(3)画完图之后，在 CAD 的格式中
20、将单位设置成 MIDAS 默认的单位。3.2.2 导入导入后，在 MIDAS 中根据设计资料将单元定义为相应材料与截面。(如图 3-1)图 3-1 添加截面材料属性导入之后，MIDAS 会在组结构中自动生成一个以图层名的命名的结构组，为之后在视图中更好的使用钝化和激活功能，我们将这一结构组保留下来。那么导入之后的模型效果如 3-2 所示。毕业设计 5图 3-2 导入后的骨架模型3.3 骨架边界约束定义在 MIDAS 建立出劲性骨架的模型之后要定义边界组。当前要编辑的边界组有拱坐约束和扣索约束。定义约束要尽可能的符合工程实际的情况，基于此,仿真分析中把每个拱肋的四根钢管设计为固定端约束，扣索的约束点定义为固定铰约束。由于这是模拟的半跨骨架，所以在跨中将每根钢管的 Z 向位移释放。当然这只是理想化的定义，与实际会存在一定的误差。在 MIDAS 中，以上边界编辑在一般支撑中进行添加，首先要添加边界组，定义名称然后选取节点后，选中要约束的方向，最后点击适用。在定义边界组时，要把相同属性的约束定义为一个组。3.4 悬拼过程与扣索拉力的确定劲性骨架施工过程采用的是斜拉扣挂法，即在每一节骨架拼装完毕之后，加一道扣索，调整骨架的内力，直至骨架合拢才解除扣索。悬臂长度要考虑到骨架的承受能力和位移，以及扣索的极限拉力。
