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Midas桥梁施工阶段分析


Midas桥梁施工阶段分析

使用建模助手做悬臂法(FCM)桥梁施工阶段分析

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使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

概 要
预应力箱型梁桥(PSC BOX Bridge)的施工工法一般有顶推法(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,该工法不用水 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)

1

高级应用例题

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)

桥梁始点 ? ? ? ?
275 85.000

300.550 130.000
2.700 7.000

桥梁终点 ? ? ? ?
85.000 275

图2 纵向剖面

2.000 600 1.050 1.750

450

3.500 1.750

12.700 500 1.350 1.350

3.500 1.750

450

2.000 600 1.750 1.050

C L OF BOX

275

275

350 80 250

250

40.000

7.130 5.680

850

450 1.250

250

1.850 7.100

1.850

1.250 450

图3 标准截面

2

260 1.840 350 80 2.700 250

250

325

250

使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

φ - 19 6?
???? 一端张拉 ???? 两端张拉

C L

? 上 部 钢? ? ?? 束

150.000 19.000 2.000 12 @ 4.750 = 57.000 7.000 7.000 12 @ 4.750 = 57.000 1.000

FSM 区段

F S M ??

合龙段
12

K ey S eg
11 10 9 8

FCM 区段
7 6 5 4 3 2 1

F C M ??

???

零号块
1 2 3 4

FCM 区段
5 6 7 8 9 10

F C M ??

合龙段
11 12

K ey S eg

φ - 19 6?
一端张拉
????

P1

φ - 19 6?
???? 一端张拉 ???? 两端张拉

?下 部? ? ? ? 钢束

图4 钢束布置简图

3

高级应用例题

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:

同时进行 施工下部工程 制作及拼装挂篮

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 ※ 本悬臂法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。

4

使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

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群、边界群以及荷载群来实现的。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. 定义并构建结构群 4. 定义并构建边界群 5. 定义荷载群 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2?8项步骤。使用一般功能完成2?8项步 骤地方法将在‘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。

5

高级应用例题

使用材料以及容许应力
? 上部结构混凝土 材料强度标准值 : fck ? 400 kgf / cm 2 初始抗压强度 : fci ? 270 kgf / cm 2 弹性模量 : Ec=3,000Wc 容 许 应 力
容许应力 压 张 缩 拉 施加预应力初期
' fca ? 0.55fci ? 148.5 kgf / cm 2
1.5

√fck+ 70,000 = 3.07×10 kgf/cm

5

2

预应力损失之后

fca ? 0.4fck ? 160.0 kgf / cm 2

f ? 0.8 fci ? 13.1 kgf / cm
' ta

2

fta ? 1.6 fck ? 32.0 kgf / cm2

?

下部结构混凝土 材料强度标准值 : fck ? 270 kgf / cm 2 弹性模量 : E c ? 2.35 ? 10 5 kgf / cm 2

?

预应力钢束(KSD 7002 SWPC 7B-Φ 15.2mm (0.6? 钢束) 屈服强度 抗拉强度 截面面积 弹性模量 张拉力 摩擦系数 容许应力
最大控制应力 张拉初期( fpo )
2

: fpy ? 160 kgf / mm 2 → Py ? 22.6 tonf / strand : fpu ? 190 kgf / mm 2 → Pu ? 26.6 tonf / strand : A p ? 138.7 cm 2 : E p ? 2.0 ? 10 6 kgf / cm 2 : fpj ? 0.72fpu ? 137 kgf / mm 2 : ? ? 0.30 / rad : k ? 0.006 / m

锚固端滑移 : ?s ? 6 m m

预应力损失之后
2

0.9fpy ? 144 kgf / mm

0.7 fpu ? 133 kgf / mm

0.8fpy ? 128 kgf / mm 2

6

使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

荷 载
? 永久荷载 结构重力 在程序中以自重输入 二期恒载

w? 3.432tonf / m
? 预应力荷载 钢束( ?15.2 m m ? 19 ( ?0.6?? ? 19) ) 截面面积 : A p ? 1.387 ? 19 ? 26.353 cm 2 孔道直径 : 100 / 103 m m 张拉力 : 施加72%抗拉强度的张力
fpj ? 0.72fpu ? 13,680 kgf / cm2
Pj ? A p ? fpj ? 360.5 tonf

张拉初期的损失(由程序计算) 摩擦损失 : P( X ) ? P0 ? e ?( ?? ?kL ) 顶板束 : ? ? 0.20 , k ? 0.001 底板束 : ? ? 0.30 , k ? 0.006 锚固端滑移量 : ?I c ? 6 m m 混凝土弹性压缩预应力损失 : 预应力长期损失(由程序计算) 应力松弛 徐变和干缩引起的损失 ? 徐变和干缩 条件 水泥 : 普通水泥 施加持续荷载时混凝土的材龄 : 混凝土暴露在大气中时的材龄 : 相对湿度 : RH ? 70 % 大气或养生温度 : T ? 20 ?C 适用标准 : 道桥设计标准 (CEB-FIP) 损失量, ?PE ? ?fP ? A SP

to ? 5 日 ts ? 3 日

7

高级应用例题

徐变系数 : 由程序计算 混凝土干缩应变 : 由程序计算 ? 挂篮(form traveller)荷载 假设挂篮自重如下
P ? 80.0 tonf
e ? 2.50 m M ? P ? e ? 200.0 tonf

P M

e

图5 挂篮自重

8

使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

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( 名字保存(

新项目)以‘FCMwizard’

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 / 文件 /

新项目 保存 ( FCMwizard )
?

?

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。

工具 / 单位体系 长度 > m

;

力 > tonf

?

图6 设定单位体系

9

高级应用例题

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 / 特性值 /

材料
规范 > KS-Civil(RC)
?

类型 > 混凝土 ;

?

同时定义多种材 料时,使用 按钮会更方便一些。

数据库 > C400 ? 类型 > 混凝土 ; 数据库 > C270 ? 名称 (钢束) ; 分析数据

规范 > KS-Civil(RC)

类型 > 用户定义

;

规范 > None

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

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使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

?

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。

将桥墩的截面特性定义为用户类型。 模型 / 特性值 / 截面号 (1) ;

?

截面
名称 (桥墩) ; 用户 > H (1.8), B(8.1) ?

数据库 / 用户表单 截面形状 > 实心矩形

图8 定义截面特性对话框

11

高级应用例题

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

?

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。

工持续时间(12天 )。

?

?

满堂支架法(FS M)区段要考虑钢束的 锚 固,合 理地划分 单 元。(参照图10)。

模型 / 结构建模助手 / 悬臂法建模助手 模型表单 材料 (主梁) > 1: C400 ; 材料 (桥墩) > 2: C270 桥墩数 ( 2 ) ; 桥墩截面 > 1: 桥墩 ; 施工阶段持续时间 (12) 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, 4@4.25 ) ; FSM(右) ( 2, 4@4.25 ) Zone1 ( 12@4.75 ) ; Zone2 ( 12@4.75 )

?

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。

?

选择详细开关并 按 ,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。

图9 悬臂法桥梁建模助手的模型表单

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使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

85.000 2.000 4 @ 4.250 = 17.000 2.000 12 @ 4.750 = 57.000 4.000 3.000

零号块 ???
12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

Key Seg 1

合龙段 1 FSM区段 FSM ?? 桥梁段 11 Segment
P1 2.100

130.000 65.000 3.000 4.000 12 @ 4.750 = 57.000 1.000 1.000
C L

65.000 12 @ 4.750 = 57.000 4.000 3.000

零号块 ???
13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13

零号块 ???

Key Seg 2

合龙段 2
P2

P1 2.100

桥梁段 2 Segment 2

桥梁段 22 Segment
2.100 85.000

3.000 4.000

12 @ 4.750 = 57.000

2.000

4 @ 4.250 = 17.000

2.000

零号块 ???
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Key Seg 3

合龙段 3
P2 2.100

桥梁段 1 Segment 1

FSM区段 FS M ??

图10 桥梁段的划分
A1 P1
CL O F PI R E
12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

P2
CL O F PI R E
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

A2

18 17 16 15 14 13 FS M P A R T 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 FO O TI G N S E G (12D A Y /S E G ) S E G (12D A Y /S E G )

KEY-SEG M EN T KEY-SEG M EN T

KEY-SEG M EN T

FS M P A R T

S E G (12D A Y /S E G )

S E G (12D A Y /S E G )

F/T S E TTI G N P I R TA B LE E F/T S E TTI G N P I R TA B LE E

PI R E

PI R E FO O TI G N

图11 施工工序计划表

13

高级应用例题

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异,引起同一施工阶段内施工的悬臂桥 梁段的徐变和干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,
?

?

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。

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. 2 Day ( 60 ) ; ?

图12 输入桥墩零号块的施工时间差

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使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

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件的施工 持续时间里扣除支模和绑扎钢筋所需时间而得。 ? ? ? ? ? 点击 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 ,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。

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

15

高级应用例题

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

?

参见用户在线手 册中的 “CIVIL的功 能>模型>特性值>变截 面群”。

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,只需利用添加步骤功能输入一个 步骤即可。
?

?

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>定义施工 阶段”。

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 ) 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 ) ; B5 ( 1.75 )

查看选项 > 实际截面

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使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

1.050

1.750

450

1.750

1.350

1.350

1.750

450

1.750

1.050

C L OF BOX

275

275

250

350

325

2.190

260

250

350 250

1.050

1.750

450 1.250

1.850

1.850

1.250 450

1.750

1.050

图14 预应力箱型截面

?

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。

?

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

图15 输入截面尺寸

850

5.900

250

17

高级应用例题

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

?

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。

预应力钢束和预应力 (开) 截面类型 > 单箱单室 H1 ( 0.17 ) ; W1 ( 0.1 ) ; DX1 ( 0.1 ) ; DY2 ( 0.3 ) ;

?

H2 ( 0.32 ) W2 ( 0.1 ) DY1 ( 0.3 ) DX3 ( 0.3 )

; H3 ( 0.29 ) ; W3 ( 0.06 ) ; DX2 ( 0.1 ) ; DY3 ( 0.19 )

; H4 ( 0.14 ) ; S ( 0.175 )

相等 (开) N1 ( 7 ) ; N2 ( 3 ) ; ; N7 ( 2 ) ; N3 ( 6 ) ; N8 ( 5 )
?

N4 ( 3 )

;

N5 ( 2 )

?

N7 和 N8是 F SM 区段 的下部预应 力钢 束数量。

N6 ( 7 )

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使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

6@ 175= 1.050

100

450 100

5@ 175= 875

6@ 175= 1.050

100

450 100

5@ 175= 875

300

300

170

170
150

450 300

450 300

140 150

140 150

190

450 60

4@ 175= 700

450 60

6@ 175= 1.050

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

?

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 力钢束数量。

图18 预应力钢束在横截面方向的布置

190

150

19

高级应用例题

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 ) 材料 > 3: 钢束 钢束截面面积 (0.0026353) 或按 钢绞线公称直径 > 15.2mm(0.6") 钢绞线股数 (19) ? 松弛系数 (45) ; ; 钢束类型 > 内部

?

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。

孔道直径 (0.103)

;

?

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 (190000) ; 荷载类型 > 后张 锚具变形及钢筋回缩值 > 始点 (0.006) 钢束名称 ( 底板束 ) 材料 > 3: 钢束 钢束截面面积 (0.0026353) 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 (190000) ; 屈服强度 (160000) 荷载类型 > 后张 锚具变形及钢筋回缩值 > 始点 (0.006) ; 终点 (0.006) ? ; ; 终点 (0.006) ? 屈服强度 (160000)

钢束类型 > 内部

?

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。

顶板束 > 顶板束 锚具位置 ( 1 )

;

底板束 > 底板束 ; 底板束( 0.72 ) × ( Su )
?

张拉应力 > 顶板束( 0.72 ) × ( Su ) 顶板束孔道注浆 > 每 ( 1 ) 个施工阶段

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使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

图19 输入钢束特性值
φ - 19 6?

C L

?顶 板 ? ? ?? 束

在桥梁段6~10内各 segm ent 6 ~ 10 锚固2个钢束 ? ?? 2? ??

150.000 19.000 2.000 12 @ 4.750 = 57.000 7.000 7.000 12 @ 4.750 = 57.000 1.000

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

φ - 19 6?

P1

φ - 19 6?

? ? ?束 ? 底 板 ?
Bottom Ten don (S egment 1) 底板束(桥梁段1) Bottom Ten don (S egment 2)

底板束(桥梁段2)

图20 预应力钢束布置图(纵向)

21

高级应用例题

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 相同 (开) ? 桥梁段 > P.T, Seg6, Seg7, Seg8, Seg9, Seg10 锚固数量 ( 2 ) ; ?

?

按住[Ctrl]键 , 可以 同时选取多 个桥 梁段。

相同 (开) ; 桥梁段 > Seg1, Seg2, Seg3, Seg4, Seg12 锚固数量 ( 0 ) ; ?

相同 (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

22

使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

输入完所有数据之后按 型。

键结束悬臂法桥梁建模助手并确认建立的模

确认建立的桥梁模型和预应力钢束的布置情况。可以利用 齐缩放功能详细确认指定部位。

窗口缩放功能和



点栅格 (关), 捕捉节点 (开), 显示
杂项表单

捕捉点栅格 (关), 捕捉单元 (开)

捕捉轴网 (关),

钢束形状 (开) ? 边界条件表单 支撑 (开) ; 弹性连接 (开) ?

对齐缩放,

消隐 (开)

?

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。

缩放窗口

弹性连接

图22 由悬臂法桥梁建模助手生成的桥梁模型

23

高级应用例题

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。
?

?

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。

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。

24

使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

在施工阶段工具条中选择各施工阶段确认各施工阶段的荷载。

显示
荷载表单 荷载工况 > 节点荷载 (开) ? 树形菜单 > 工作表单

?

在光标处于施工 阶段 工具条中的 状态 下, 使用键盘内 的向 上或 向下移动键 按顺 序确认各施工阶段。

施工阶段 > CS4

?

施工阶段信息

图23 施工阶段4的结构体系

25

高级应用例题

修改施工阶段
在悬臂法桥梁建模助手中,我们曾将桥梁段的施工持续时间统一设定为12天。在 图11的预定工程表中预定合龙段的施工持续时间为30天。因此桥梁段12被激活后施工 合龙段的准备时间为30-10(合龙段的初期材龄)=20天。在桥梁段12处于激活状态的施 工阶段(CS13)的施工阶段持续时间修改为30天,将合龙段混凝土湿重(KeyWetConc1?3) 加载时间利用添加步骤功能设定为阶段内的一个步骤并设定加载时间为第20天。

消隐 (关)

?

因为只有在基本 模式 内才能修改 施工 阶段 的信息,所 以将 施工 阶段转换到 基本 模式状态。

施工阶段 > 基本阶段 名称 > CS13 ;

?

荷载 / 施工阶段分析数据 /

定义施工阶段

施工阶段 > 持续时间 ( 30 ) 添加步骤 > 步骤 > 1 荷载表单 激活 ; ; 时间 ( 20 ) ;

?

合龙段2的混凝 土湿 重应加载于 施工 阶段15,所以在施工 阶段13中将其删除。

群列表 > 名称 > KeyWC2 激活日期 > 20 群列表 > 名称 > KeyWC1, KeyWC3

?

?

?

由悬臂法桥梁建 模助 手自动生成 的单 元群 、边界条件 群、 荷载 群的名称说 明参 见用 户在线帮助 手册 中 “定义结构(边界、 荷载)群”章节。

图24 修改施工阶段13的信息

26

使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

使用与施工阶段13相同的方法修改施工阶段15。根据施工工序计划表合龙段2的施 工持续时间为30天,所以将施工阶段15的施工阶段持续时间修改为30天。 荷载 / 施工阶段分析数据 / 名称 > CS15 ; 施工阶段 > 持续时间 ( 30 ) 添加步骤 > 时间 ( 20 ) 荷载表单 群列表 > KeyWC2 激活 激活日期 > 20 ?

定义施工阶段

图25 修改施工阶段15的信息

27

高级应用例题

当所有的合龙段的连接(钢束连接)最终完成之后,加载桥面铺装、栏杆、护墙等 二次设计恒载。将二次设计恒载加载至10000天,在考虑了徐变和干缩的影响后生成预 拱度控制图。将二期恒载加载到施工阶段CS16,并把CS16的施工持续时间设置为10000 天。为了加载二期恒载,要先定义荷载条件并生成荷载群。 荷载 / 静力荷载工况 名称 ( 2nd ) ; 类型 > 施工阶段荷载


C 群 / 荷载群 / 新建 ( 2nd )
Entterrr 键 En te 键 En e 键

图26 定义荷载条件以及生成荷载群

28

使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

将二期恒载施加给预应力箱型粱。二期恒载的大小为tonf/m,加载方向为–Z方 向。

显示
荷载表单 荷载工况 > 节点荷载 (关) 杂项表单 钢束形状 (关) 边界表单 一般支撑 (关) ; 荷载 / 梁单元荷载 弹性连接 (关) ?

窗口选择 (图27的①部分)
荷载工况名称 > 2nd ; 选项 > 添加 数值 > 相对值 ; 方向 > 全局坐标 Z ; 荷载群名称 > 2nd 投影 > 否 x2 ( 1 ), W ( -3.432 ) ? 荷载群 > 均布荷载 ; x1 ( 0 ),



图27 施加二期恒载

29

高级应用例题

在施工阶段16里将荷载群2nd激活,并将施工阶段16的施工持续时间设定为10000天。 荷载 / 施工阶段分析数据 / 名称 > CS16 施工阶段 > 持续时间 ( 10000 ) 结果输出方式 > 施工阶段 (开) 荷载表单 群列表 > 名称 > 2nd 激活 激活日期 > 开始 ? ; 添加步骤 (开)

定义施工阶段

图28 修改施工阶段16的信息

30

使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

时间依存性材料特性的定义和连接
建立了上部和下部混凝土结构的模型之后,我们将定义各截面的混凝土材料时间 依存特性(强度发展曲线、徐变系数、干缩系数)。
?

?

因为徐变和干缩 系数是构件形状指数 (Notational Size of Member)的函数,所以 需要定义了变截面 尺 寸之 后再输入混 凝土 的时 间依存性材 料特 性。

根据道桥设计规范和CEB-FIP的规定,当构件的尺寸不同时混凝土的徐变系数和干 缩系数将不同。因此为了在分析时能正确考虑材料的时间依存特性,必须分别计算各 构件的材料时间特性,也就是说必须定义相当于不同截面单元总数的材料并赋予材料 不同的时间依存特性值。MIDAS/CIVIL根据各单元的材龄自动计算材料的时间特性。使 用修改单元依存材料特性值功能可以生成符合CEB-FIP规定的材料时间依存特性以及与 此相对应的材料,并能自动赋予各相关单元以该材料特性值。
?

使用修改单元依存材料特性值功能生成变截面单元的徐变系数和干缩系数的步骤

?

为了自动将材料 和时 间依存性材 料特 性值 连接起来, 应该 使用数据库/用户类型 或PSC类型定义截面 特性值。

如下。 1. 定义CEB-FIP规定的徐变和干缩材料特性 2. 将时间依存性材料特性与实际定义的材料连接 3. 使用修改单元依存材料特性值功能,将与构件尺寸有关的系数(构件几何形状 指数)赋予各单元 实行上述步骤的话,在施工阶段分析中凡是由 修改单元依存材料特性值功能修改 的单元的构件几何形状指数均按步骤3的结果计算(步骤1中定义的构件几何形状指数将 被替代)徐变和干缩。

31

高级应用例题

参照下面数据输入时间依存材料特性值。 ? 28天强度 ? 相对湿度 : fck = 400 kgf/cm (预应力箱型梁), 270 kgf/cm (桥墩) : RH = 70 %
2 2

? 几何形状指数 : 输入任意值 ? 混凝土种类 ? 拆模时间 : 一般混凝土 (N.R)

: 3天

模型 / 特性值 / 名称 (C400)

时间依存材料(徐变和干缩)
; 设计标准 > CEB-FIP
?

?

将28天强度换算 成当 前使用的单 位体 系后再输入。

混凝土28天抗压强度 (4000) 相对湿度 (40 ? 99) (70) 构件几何形状指数 (1)

混凝土种类 > 普通或速凝混凝土 (N, R) 拆模时间(开始发生干缩时的混凝土材龄) (3) 名称 (C270) ; 设计标准 > CEB-FIP ?

混凝土28天抗压强度 (2700) 相对湿度 (40 ? 99) (70) 构件几何形状指数 (1) 混凝土种类 > 普通或速凝混凝土 (N, R) 拆模时间(开始发生干缩时的混凝土材龄) (3) ?

图29 定义徐变和干缩材料特性

32

使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

混凝土材料具有随时间的发展逐渐硬化的特性,本例题使用CEB-FIP规定的混凝土 强度发展曲线来体现混凝土材料强度随时间变化的特性。输入的数值参见定义徐变和 干缩时输入的数值。 模型 / 特性值 / 名称 (C400) ;

时间依存材料(抗压强度)
类型 > 设计标准

强度发展曲线 > 设计标准 > CEB-FIP 混凝土28天抗压强度(S28) (4000)

?

N,R: 0.25中0.25 为a值。

混凝土类型(a) (N, R : 0.25) 模型 / 特性值 / 名称 (C270) ;

?

时间依存材料(抗压强度)
类型 > 设计标准

强度发展曲线 > 设计标准 > CEB-FIP 混凝土28天抗压强度(S28) (2700) 混凝土类型(a) (N, R : 0.25) ?

图30 定义随时间变化的强度发展函数

33

高级应用例题

将时间依存性材料特性连接到对应的材料上。

模型 / 特性值 /

时间依存材料连接

时间依存性材料类型 徐变/干缩 > C400 抗压强度 > C400 选择连接材料 材料 > 1:C400 时间依存性材料类型 徐变/干缩 > C270 抗压强度 > C270 选择连接材料> 材料 > 2:C270 选择的材料 选择的材料

图31 连接时间依存材料特性和材料

34

使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

如果使用修改单元依存材料特性值功能输入构件的几何形状指数(h,构件的几何 形状指数)时,在定义时间依存性材料特性时输入的几何形状指数将被修改单元依存材

料特性值中定义的各单元的几何形状指数替代,程序将使用替代后的几何形状指数计
算徐变和干缩。

模型 / 特性值 /

修改单元依存材料特性值

全选
选项 > 添加/替换 单元依存材料

?

选择自动计算 时, 由程序自动 计算 各种 截面的几何 形状 指数(h),并使用于徐 变和 干缩计算中 ;选 择用 户输入时, 将使 用输 入的几何形 状指 数计算徐变和干缩。

构件的几何形状指数 > 自动计算

?

?

图32 输入构件的几何形状指数

35

高级应用例题

分解变截面群
使用悬臂法建模助手中的变截面群 功能,可以自动生成变截面单元。在变截面群 功能中,用户只需输入两个端部截面,程序将自动计算出内部变截面各部分的截面特 性值。MIDAS/CIVIL在分析具有变截面群的结构模型时,在分析之前要重新计算变截面

群 内各单元的截面特性值,然后生成分析数据。所以如果在结构分析之前将变截面群
分解后将截面数据赋予各单元,将会缩短计算分析时间。 模型 / 特性值 /

?

在下部的列表框 中选择TSGroup1?4。

变截面群 ? 名称 > TSGroup1 ? 4
新开始截面号 ( 1 )
?

?

?

输入随着变截面 群的 分解生成的 新的 变截 面数据的起 始号 码。

图33 分解变截面群

36

使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

运行结构分析
建立了结构模型和施工阶段数据之后,分析之前用户需决定在施工阶段分析中是 否考虑时间依存材料特性、是否考虑预应力钢束的预应力损失量,并且要输入徐变计 算所需的收敛条件和计算迭代次数。 分析 / 施工阶段分析控制 最终阶段 > 最后阶段 分析选项 > 考虑时间依存材料特性 (开) 时间依存材料特性 徐变和干缩 (开) 徐变计算收敛条件 迭代次数 ( 5 ) ; 容许应力 ( 0.01 )
?

;

类型 > 徐变和干缩

?

选择对较大时间 间 隔自动 划分 时间步 骤时 ,当 施工阶 段的 持续 时间超过一 定限 度(参见图34)时程序 内部 将自动划分 时间 步骤。

对较大时间间隔自动划分时间步骤 (开) 钢束预应力损失 (徐变和干缩) (开) 抗压强度的变化 (开) 钢束预应力损失 (弹性收缩) (开) ?

图34 设置施工阶段分析考虑事项

37

高级应用例题

当结构建模和施工阶段的构成以及分析选项均结束后,开始运行结构分析。 分析 /

运行分析

38

使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

查看分析结果
确认施工阶段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

?

参见用户在线手 册的“CIVIL的功能> 结果>桥梁主梁应力图 形” 。

及位移的方法 和确认指定单元在各施工阶段的应力以及位移的变化的方法 分析结果。

?

?



在MIDAS/CIVIL中,用户可以使用上述两种方法以图形和表格的形式查看施工阶段

?

参见用户在线手 册的“CIVIL的功能> 结果>施工阶段/步骤 时程图形”。

使用图形查看应力和内力
下部翼缘在施工阶段13受最大压应力,使用图形查看施工阶段13下部翼缘应力。 施工阶段 > CS13 结果 / 桥梁应力图形 荷载工况/荷载组合 > 荷载工况: 组合 (开) ; 步骤 > 最后步骤
? ?

?

选择轴力、弯矩 My, 弯矩 Mz时,可 以确 认截面上下 翼缘 和左右端的应力。

图形类型 > 应力 (开) ; X-轴类型 > 节点 (开) 内力成分 > 轴力 (开) ; 弯矩 Mz (关) ; 弯矩 My (开) > -z 桥梁单元群 > 桥梁主梁
?

画容许应力线 (开) > 抗压强度 ( 1600 ) ;

抗拉强度 ( 320 )

?

?

在悬臂法桥梁建 模助 手中可以自 动生 成确 认应力所需 的结 构群 。桥梁主梁 是主 梁所属的结构群。

?

打开画容许应力 线, 输入抗压、 抗拉 的容 许应力值时 ,在 图形 中将用虚线 显示 容许应力位置。

图35 施工阶段13时下翼缘的应力图形 39

高级应用例题

如果要详细查看指定位置的应力图形,将鼠标放在图形的指定位置按住鼠标拖 动,则鼠标滑过的范围将被放大。在图形中按鼠标右键选择全部放大则图形将恢复到 最初状态。

拖动鼠标

图36 放大应力图形

40

使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

使用结果/施工阶段/步骤时程图形功能查看零号块端部(单元19的i端)在各施工阶 段的应力变化图形。
?

?

因为施工阶段/ 步 骤时程 图形只有 在 模 型空间 才能使用 , 所 以需要 转换到模 型 空间。

模型空间

结果 / 施工阶段/步骤时程图形 定义函数 > 梁单元内力/应力 梁单元内力/应力 > 名称 ( Top ) ; 单元号 ( 19 ) ; 应力 (开) 节点 > I-节点 ; 内力组成 > 弯应力(+z) 考虑轴力 (开) ? 梁单元内力/应力 > 名称 ( Bot ) ; 单元号 ( 19 ) ; 应力 (开) 节点 > I-节点 输出模式 > 多函数 ; ; 内力组成 > 弯应力(-z) 考虑轴力 (开) ? 步骤选项 > 所有步骤 ; Bot (开) 选择输出函数 > Top (开) 荷载工况/荷载组合 > 组合 图形标题 ( 应力时程 )

图37 各施工阶段应力变化图形

41

高级应用例题

在施工阶段/步骤时程图形上按鼠标右键将弹出关联菜单。使用关联菜单中以文本 形式保存图形功能将各施工阶段应力的变化保存为文本形式。 C 以文本形式保存图形 文件名称(N) ( StressHistory )

?

图38 以文本形式保存各施工阶段的应力

42

使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

使用结果/施工阶段/步骤时程图形功能查看零号块端部(单元19的i端)各施工阶段 内力变化图形。 模型空间 结果 /施工阶段/步骤时程图形 定义函数 > 梁单元内力/应力 梁单元内力/应力 > 名称 ( Moment ) ; 单元号 ( 19 ) ; 内力 (开) 节点 > I-节点 选择输出荷载工况 自重 (开) ; 恒荷载 (开) ; 钢束张拉荷载 (开) 钢束次生荷载 (开) ; 定义的函数 > 弯矩 图形标题 ( 弯矩 ) 徐变和干缩荷载 (开) ; 内力组成 > 弯矩-y ; 步骤选项 > 最后步骤 输出模式 > 多荷载工况

徐变和干缩次生荷载 (开) ; 组合 (开)

图39 各施工阶段构件内力图形

43

高级应用例题

使用表格查看应力
使用表格查看施工阶段分析时,可以利用纪录激活对话框 按单元、荷载、施工阶 段、单元上应力输出位置等分类查看。使用表格查看零号块端部各施工阶段应力的变 化。 结果 / 结果表格 / 梁单元 / 应力 节点或单元 > 单元 ( 19 ) 荷载工况/荷载组合 > 组合(工况) (开)

?

按 住 Shif t 键 选 择CS1和CS16,则 CS1和 CS16之 间 的所有施工阶段将 同时被选择。

施工阶段/步骤 > CS1:001(first) ? CS16:002(last) (开) 位置号 > 位置 i (开) ?

?

图40 各施工阶段应力表格

44

使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

查看预应力的损失
查看各施工阶段钢束在考虑预应力损失后的张力变化。因为 钢束随时间预应力损

失图形对话框中只能查看包含在当前施工阶段的钢束,所以为了查看指定的钢束首先 要转换到包含该钢束的施工阶段,然后选择 钢束随时间预应力损失图形 命令。钢束在
各施工阶段张力的变化可以点击 施工阶段 > CS16 结果 / 钢束随时间预应力损失图形 钢束 > Top1-1 图标用动画查看。

图41 预应力图形

45

高级应用例题

查看钢束坐标
在MIDAS/CIVIL中可以用表格查看钢束单元四等分点的坐标。 结果 / 结果表格 / 钢束 / 钢束坐标

图42 钢束坐标表格

46

使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

查看钢束伸长量
使用表格查看钢束的伸长量。 结果 / 结果表格 / 钢束 / 钢束伸长量

图43 钢束伸长量表格

47

高级应用例题

查看预拱度
为了输出预拱度,首先应定义梁、支撑节点、合龙段的单元群和节点群。在悬臂 法桥梁建模助手中自动生成输出预拱度所需的群。结束钢束随时间预应力损失图形对 话框后指定悬臂法预拱度控制群查看预拱度。

结果 / 悬臂法预拱度 / 悬臂法预拱度 桥梁单元群 > 桥主梁 支撑节点群 > 支撑节点 合龙段单元群 > 所有合龙段 ?

结果 / 悬臂法预拱度 / 查看悬臂法预拱度图形 预拱度荷载工况 > 组合 (开) ?

图44 预拱度图形

48

使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

查看预拱度管理图
查看悬臂法施工管理所需的预拱度管理图。预拱度表格按满堂支架法(FSM)桥梁段 和桥墩输出预拱度。本例题桥梁将输出桥梁两边跨的满堂支架法桥梁段(表格的第1、4 页)和桥墩1、2(表格的第2、3页)的预拱度管理图。 结果 / 悬臂法预拱度 / 悬臂法预拱度表格 预拱度荷载工况 > 组合 (开) ?

图45 预拱度管理图

49

高级应用例题

查看荷载组合作用下的内力
当预应力箱型桥梁竣工之后,应该使用活荷载、温度荷载、支座沉降以及恒荷载 组合下的设计荷载对竣工后的桥梁做承载能力极限状态验算。非施工阶段荷载的结构 分析将在最终施工阶段(Final Stage)进行并可以和施工阶段荷载的分析结果组合。本 例题因为没有输入非施工阶段荷载,所以只定义施工阶段荷载的荷载组合并查看其内 力。首先定义荷载组合。

?

定义和删除荷载 组 合只能 在基本阶 段 和 最终阶 段进行, 所 以转换到最终阶段。

施工阶段 > 最终 结果 / 荷载组合 激活 (开)

?

;

名称 ( 恒荷载 )

;

类型 > 累加

荷载工况 > 自重(工况) 荷载工况 > 恒荷载(工况)

; 分项系数 ( 1.3 ) ; 分项系数 ( 1.3 ) ; 分项系数 ( 1.0 )

荷载工况 > 钢束次生荷载(工况)

荷载工况 > 徐变/干缩次生荷载(工况); 分项系数 ( 1.3 )

图46 定义荷载组合

50

使用建模助手做悬臂法(FCM)施工阶段分析

查看分项系数荷载组合的弯矩。 结果 / 内力 /

梁单元内力图

荷载工况/荷载组合 > 荷载组合: 恒荷载 内力组合 > My 显示选项 > 5点 (开)、填充线 (开)、比例 ( 1.0 ) 显示类型 > 等高线 (开) ; 图例 (开) ?

图47 弯矩图

51

高级应用例题

南方独家总代理 北京迈达斯技术有限公司 宁波市江东阳光软件开发中心 地址:宁波市中兴路269号世纪龙腾406室 电话:0574-87771215 87771216 邮政编码:315040 网址:http://www.midasuser.com 网址:http://www.nbsunsoft.com 电子邮件:h996@nbip.net

52


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