联合截面(标准)施工阶段分析.docx

利用联合截面的桥梁的施工阶段分析目 录概要 错误!未定义书签。截面尺寸 错误!未定义书签。使用材料 错误!未定义书签。荷载 错误!未定义书签。施工阶段的构成 错误!未定义书签。设定建模环境、定义截面及材料 10设定建模环境 错误!未定义书签。定义材料 错误!未定义书签。定义截面 错误!未定义书签。定义时间依存材料特性 错误!未定义书签。桥梁模型 错误!未定义书签。定义组 错误!未定义书签。建立桥梁模型 错误!未定义书签。输入边界条件 错误!未定义书签。输入支撑点 错误!未定义书签。输入有效宽度 错误!未定义书签。输入荷载 错误!未定义书签。定义施工阶段 错误!未定义书签。指定结构组 错误!未定义书签。建立施工阶段 错误!未定义书签。定义各个施工阶段的联合截面 错误!未定义书签。运行分析 错误!未定义书签。查看分析结果 错误!未定义书签。查看内力 错误!未定义书签。查看应力 错误!未定义书签。 概要两种以上材料组成的联合截面，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必需要考虑混凝土的收缩和徐变。 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 联合截面三跨连续桥梁(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 在MIDAS/Civil为了进行联合截面施工阶段的的分析，提供了施工阶段联合界面功能。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，主梁或横梁都采用等截面。 材料 构件内容主梁SM520钢材横梁SM490钢材桥面板C400混凝土( .)荷载Ø 联合前恒载- 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Ø 联合后恒载-用梁单元荷载功能输入施工阶段的构成Ø 定义荷载工况及荷载组图 3. 桥面板的浇筑顺序及范围在主梁的转弯点（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)1DL(BC)1自重主梁自重DL(BC)2DL(BC)2梁单元荷载0.8 ´ L1的桥面板自重DL(BC)3DL(BC)3梁单元荷载0.2 ´ L1 + 0.8 ´ L2的桥面板自重DL(BC)4DL(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)Ø 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有效宽度系数对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有效宽度系数对有效宽度和全宽的截面惯性矩之比，CS3 区段(第一个支座，第二跨跨中)E_Width3有效宽度系数对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)Ø 施工阶段的构成施工阶段结构组边界组荷载组(激活)持续时间备注组步骤CS1SGroupBGroupDL(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)30CS2阶段联合CS3-E_Width2DL(BC)4第25天(用户步骤)30CS3阶段联合CS4-E_Width3DL(AC)第一步骤10,000CS4阶段联合 SGroup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。 以梁单元荷载施加的桥面板的自重，在拼装模板结束的时间（第25天）激活。l CS1 n 建立全垮桥梁的钢梁和横梁n 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 l CS2 n CS2 区段的截面联合n 输入CS2 区段的有效宽度比n CS3区段（图3）桥面板的自重以梁单元荷载施加l CS3 n CS3区段的截面联合 n 输入CS3区段的有效宽度比 n CS4区段(图3)桥面板的自重以梁单元荷载施加l CS4 n CS4区段的截面联合 n CS4区段的有效宽度比 n 2期荷载以梁单元荷载施加图 4. 各个施工阶段的板自重及2期荷载施加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 )设定建模环境单位体系设置为tonf(Force)，m(Length)。 工具 / 单位体系 长度>m ; 力>tonf ¿图 5. 设定单位体系对话框 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>KS-Civil(S) 数据库>SM520 ¿ ; 数据库>SM490 ¿类型>混凝土 ; 规范>KS-Civil(RC) 数据库>C400 ¿图 6. 输入材料数据定义截面 在主梁的情况为了考虑施工阶段，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, Sect 3, Sect 4)。横梁使用用户的功能输入数据。 : mm图 7. 截面数据Ø 截面区段内容备注主梁H 3200´800´900´20´32/34联合截面横梁H 800´400´20´20/20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) ² 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，所以输入为”0”。钢筋混凝土板>Bc (6.07) ; tc (0.25) ; Hh (0.028) 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>KS-Civil(RC) ; 名称>C400钢材>数据库>KS-Civil(S) ; 名称>SM520 ¿ Ds/Dc (0)² ¿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 (0.02) ; tf1 (0.02) ¿ 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(Notational size of member)计算时，桥面板的厚度假定为25cm。Ø 28天混凝土抗压强度: 4000 tonf/m2Ø 相对湿度 : 70%Ø 几何形状指数 : 2´Ac/u = (2´12.14´0.25) / (12.14+0.25)/2 = 0.245Ø 水泥种类 : 普通水泥 Ø 拆模时间 : 浇筑后3天(开始收缩时间)² 计算输入桥面板的构件理论厚度。模型 / 特性值 / 时间依存材料(徐变和收缩)名称 (Mat-1) ; 设计标准>CEB-FIP28天材龄抗压强度 (4000) 相对湿度 (40 99) (70) 构件理论厚度 (0.245)² 水泥种类>普通或早强水泥(N, R) 混凝土开始收缩时间 (3) ¿ ² 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）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. 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(C400)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:C400 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 建立桥梁模型将各个施工阶段的新添加的单元或、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）。施工阶段结构组边界组荷载组(Activation)持续时间备注组步骤CS1SGroupBGroupDL(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)30CS2区段联合CS3-E_Width2DL(BC)4第25天(用户步骤)30CS3区段联合CS4-E_Width3DL(AC)第一步骤10,000CS4区段联合组表单C组>结构组 鼠标右键 新建名称 (SGroup) C组>边界组 鼠标右键 新建名称(BGroup) 名称(E_Width) ; 后缀 (1to3) C组>荷载组 鼠标右键 新建名称(DL(BC) ; 后缀(1to4) 名称(DL(AC) ; 图 12. 定义组建立桥梁模型 输入主梁数据参照下图输入主梁数据。 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) 顶面 , 捕捉节点 (开), 捕捉单元 (开), 自动对齐 (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à线单元 单元属性>单元类型>梁单元材料>1:SM520 ; 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)窗口选择 (单元 : CS4区段的所有梁或41to66)特性值>截面>Sect 3 (拖放)² 确认各个节点间距时，可使用查询节点功能(图 15的) 。CS2 : Sect 136mDragDropCS3 : Sect 253mCS4 : Sect 356m图 15. 各个区段赋予不同的截面名称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:SM490 ; 截面>4:CBeam ; Beta角 ( 0 )节点连接( 1, 2 )8模型 / 单元 / 复制和移动 选择最新建立的个体形式>复制 ; 复制和移动>等间距dx, dy, dz ( 5, 0, 0 )8 ; 复制次数 ( 145/5 ) ¿图 16. 输入横梁输入边界条件 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 / 一般支撑 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 (节点: 22)选择>添加 ; 支撑条件类型>Dx, Dz (开) ¿ 图 17. 输入边界条件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，会在应力估算时反应。 反应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。 区段有效宽度截面惯性矩 Iyy有效宽度比,Iyy_2/Iyy_1全宽度(Iyy_1)有效宽度(Iyy_2)边跨跨中5.6530.46969050.46285850.985支座处5.1170.46969050.45307610.965中跨跨中5.8390.46969050.46597840.992 显示边界条件>All ; 一般支撑 (开) ¿ 节点号r (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 ( 0.985) ¿ 图 18. 输入随有效宽度不同的截面惯性矩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。 区段右侧梁左侧梁垂直荷载(FZ)扭矩(MX)垂直荷载(FZ)扭矩(MX)联合前荷载，DL(BC)-3.974-0.152-3.9740.152联合后荷载，DL(AC)-1.9062.008-1.906-2.008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 ) ; 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. 输入荷载工况输入联合前的固定荷载用梁单元荷载功能给梁单元输入均部荷载。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)荷载 / 自重荷载工况名称> DL(BC)1 ; 荷载组名称>DL(BC)1自重系数>Z ( -1 ) ; 操作>Add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>均布荷载方向>整体坐标系 Z ; 投影>No ; 竖值>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, 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。 CS2 53mCS3 56m图 21. CS3, CS4 区段的桥面板荷载 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 ; 竖值>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期荷载定义施工阶段定义结构组定义施工阶段分析时，使用的结构组。 组表单 全选 组>结构组>SGroup ( 拖放 )DragDrop图 23. 定义结构组施工阶段的构成按下表定义各个施工阶段。 施工阶段结构组边界组荷载组(激活)持续时间备注组步骤CS1SGroupBGroupDL(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)30CS2区段联合CS3-E_Width2DL(BC)4第25天(用户步骤)30CS3区段联合CS4-E_Width3DL(AC)第一步骤10,000CS4区段联合首先使用生成功能一次性定义所有施工阶段，然后对每个施工阶段进行修改。 荷载>施工阶段分析数据> 定义施工阶段阶段>名称 ( CS ) ; 后缀 ( 1to4 ) ; 持续时间 ( 30 )增加子步骤>时间 ( 25 ) 保存结果>施工阶段(开)，施工步骤(开) ¿图 24. 使用生成功能输入各个施工阶段修改施工阶段CS1。名称>CS1 增加子步骤>时间 ( 25 ) ; 持续时间 ( 5 )单元表单组列表>SGroup ² 被激活的材料为钢材，故材龄选择“0”。 激活>龄期 ( 0 )² ; 组列表 边界表单组列表>BGroup 激活>支撑条件/弹性支撑位置>变形后 组列表 荷载表单组列表>DL(BC)1, DL(BC)2 激活>激活时间>开始 ; 组列表 ¿ ²² 输入荷载时被激活的时间选择“开始”，表示荷载作用开始时间为相应施工阶段的持续时间的第一天。 图 25. 修改施工阶段(CS1)修改施工阶段CS2。名称>CS2 边界表单组列表>E_Width1 激活>支撑条件/弹性支撑位置>边形后 组列表 荷载表单组列表>DL(BC)3 激活>激活>25 ; 组列表 ¿ ²图 26. 修改施工阶段(CS2)CS3的情况，参照图27来修改荷载组。 图 27. 修改施工阶段(CS3)在CS4阶段，为了查看结构的长期效应，施工持续时间输入10,000天，激活2期荷载。 名称>CS4 增加子步骤>时间 ( 25 ) ; 持续时间 ( 10000 )边界表单组列表>E_Width3 激活>支撑条件/弹性支撑位置>变形后 组列表 荷载表单组列表>DL(AC) 激活>激活时间>开始 ; 组列表 ¿ ²图 28. 修改施工阶段（CS4）及定义施工阶段对话框定义各个施工阶段的联合截面指定主梁及桥面板的激活时间。被指定为联合界面类型时，原来输入的截面特性值就不能使用。参照图29指定主梁及桥面板的激活时间。在本例题所有主梁激活时间定义为CS1阶段。² 在施工阶段联合界面输入位置2的初期材龄，则在定义施工阶段时输入的材料龄期不起作用，以本对话框输入的时间为准。² 激活施工阶段为激活主梁(位置1)的时间，即CS1阶段。激活桥面板(位置2)的时间为CS2阶段。图 29. 桥面板的浇筑顺序及范围首先定义第一区段桥面板的浇筑时间。定义为联合截面时，联合形式选择为标准，则截面默认分成位置1、位置2两个部分来。如果联合截面形式选择用户，截面根据用户指定的位置数。这种情况输入截面的边缘或型心时，要以联合后的截面为基准。荷载>施工阶段分析数据> 施工阶段联合界面 激活施工阶段>CS1 ; 截面>1: Sect 1 联合形式>标准施工顺序位置>1材料类型>单元 ; 叠合阶段>激活施工阶段 ; 龄期(0)位置>2材料类型>材料 ; 材料>3:C400 ; 叠合阶段>CS2 ; 龄期(5)²¿图 30. 输入第一区段桥面板的联合截面浇筑顺序下面定义第二、第三区段的桥面板。激活施工阶段>CS1 ; 截面>2: Sect 2 联合形式>标准施工顺序位置>1材料类型>单元 ; 叠合阶段>激活施工阶段 ; 龄期 (0)位置>2材料类型>材料 ; 材料>3:C400 ; 叠合阶段>CS3 ; 龄期(5) ¿激活施工阶段>CS1 ; 截面>3: Sect 3 联合形式>标准施工顺序位置>1材料类型>单元 ; 叠合阶段>激活施工阶段 ; 龄期 (0)位置>2材料类型>材料 ;材料>3:C400 ; 叠合阶段>CS4 ; 龄期 (5) ¿图 31. 桥面板第三浇筑区段的施工阶段的定义输入施工阶段分析控制数据。分析>施工阶段分析控制数据最终施工阶段>最后施工阶段分析选项>考虑时间依存效果(累加模型)时间依存效果徐变和收缩(开) ; 类型>徐变和收缩徐变分析时的收敛控制迭代次数 (5) ; 收敛误差 (0.01)² 自动分割时间可以对较长的持续时间的施工阶段，自动生成子步骤来考虑荷载的长期效果。徐变分析加载时间步骤数 (1) 自动分割时间²抗压强度的变化 (开) ¿² 输出联合截面的各个位置的分析结果。 ² 进行施工阶段分析时除了预应力荷载和时间依存特性的所有荷载结果都会累加到CS:恒荷载中。如果想输入与CS:恒荷载不同的荷载工况，在这里可以选择特定的特定的荷载工况可以从恒荷载中分离出来，相应的结果存在CS:施工荷载中。图 32. 定义施工阶段分析控制数据对话框运行分析对联合截面的施工阶段分析的数据结束，开始运行结构分析。 分析> 运行分析s查看分析结果确认施工阶段的分析结果的方法有两种，即确认所有构件在指定施工阶段的应力以及位移的方法和以表格查看各个施工阶段的联合截面各个位置的应力的方法。 查看内力首先查看施工结束后长期损失结束后阶段（CS4）内力。 总和恒荷载+施工荷载 + 徐变二次 + 收缩二次 阶段>CS4结果 / 内力 / Beam DiagramsLoad Cases/Combination>CS:Summation ; Step>Last StepComponents>My Output Options>5 Points ; Line Filltype of Display>Contour (on) ¿图 33. CS4阶段的弯矩图查看以下各个阶段的弯矩变化。 CS1 : Summation, Last StepCS2 : Summation, Last StepCS3 : Summation, Last Step图 34. CS4阶段的弯矩图查看应力查看施工结束后长期损失结束后的阶段（CS4）的各个截面位置的应力。 （结果表格下的施工阶段联合截面的应力）Results / Result Tables / Composite Section for C.S. / Beam StressNode or Element> ; (19)Loadcase/Combination>Summation(CS) (on)Stage/Step>CS1:001(first) CS4:002(last) (on)Part Number>Part j (on) ¿图 35. 联合截面各个施工阶段内力即应力表格施工结束后施加的活荷载和一般荷载，在PostCS阶段与施工阶段结果组合后，反应在设计中即可。39