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斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

目 录

概 要
桥梁基本数据 / 2 荷载 / 2 设定建模环境 / 3 定义材料和截面的特性值 / 4

1

成桥阶段分析
结构建模 / 7 生成二维模型 / 8 建立索塔模型 / 10 建立三维模型 / 13 建立主梁横向系梁 / 15 建立索塔横梁 / 17 生成索塔上的主梁支座 / 19 生成桥墩上的主梁支座 / 23 输入边界条件 / 25 计算拉索初拉力 / 28 输入荷载条件 / 29 输入荷载 / 30 运行结构分析 / 34 建立荷载组合 / 34 计算未知荷载系数 / 35

6

查看成桥阶段分析结果
查看变形形状 / 39

39

施工阶段分析

40

施工阶段分类 / 41 逆施工阶段分类 / 42 逆施工阶段分析 / 43 输入拉索初拉力 / 45 定义施工阶段 / 49 定义结构群 / 50 指定边界群 / 53 指定荷载群 / 56 建立施工阶段 / 59 输入施工阶段分析数据 / 61 运行结构分析 / 61

查看施工阶段分析结果
查看变形形状 / 62 查看弯矩 / 63 查看轴力 / 64 施工阶段分析变化图形 / 65

62

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

概 要
斜拉桥将拉索和主梁有机地结合在一起,不仅桥型美观,而且根据所选的索塔型 式以及拉索的布置能形成多种多样的结构形态,易与周边环境融合,是符合环境设计 理念的桥梁形式之一。 斜拉桥对设计和施工技术的要求非常严格,斜拉桥的结构分析与设计与其它桥梁 形式有很大不同,设计人员需具有较深厚的理论基础和较丰富的设计经验。在斜拉桥 设计中,不仅要对恒荷载和活荷载做静力分析,而且必须做特征值分析、移动荷载分 析、地震分析和风荷载分析。 为了决定各施工阶段中设置拉索时的张力,首先要决定在成桥阶段自重作用下的 初始平衡状态,然后按顺序做施工阶段分析。 在本例题中将介绍建立斜拉桥分析模型的方法、计算拉索初拉力的方法、施工阶 段分析的步骤以及查看分析结果的方法。本例题中的桥梁模型如图1所示为三跨连续斜 拉桥,中间跨径为220m、边跨跨径为100m。

图1 斜拉桥分析模型

1

高级应用例题

桥梁基本数据
为了说明斜拉桥分析的步骤,本例题桥梁采用了比较简单的分析模型,可能与实 际桥梁设计内容有所不同。 本例题桥梁的基本数据如下。 桥梁形式: 桥梁等级: 桥梁全长: 桥梁宽度: 设计车道: 三跨连续斜拉桥(自锚式) 1级 100.0 m + 220.0 m + 100.0 m = 420.0 m 15.6 m 2车道

m

m

m

5%

圆曲线

5%

2@ 3 + 8@ 10 + 14 =

m

14 + 9@ 10 + 12 + 9@ 10 + 14 = m

m

14 + 8@ 10 + 2@ 3 =

m

图2 斜拉桥纵向立面图

荷载
自重: 由程序内部自动计算 二期恒载: 桥面铺装、护墙荷载等 拉索初拉力: 满足成桥阶段初始平衡状态的拉索张力
使用CIVIL中内 含 的优化 法则计算 出 拉索的初拉力。 拉索的初拉力。

图3 索塔

2

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

设定建模环境
为了做斜拉桥的成桥阶段分析首先打开新项目( 字保存(

新项目)以‘cable stayed’名 ‘ stayed’

保存)文件。

然后将单位体系设置为‘tonf tonf’和‘m’。该单位体系可以根据输入的数据类型随 tonf m 时随意地更换。

文件 / 文件 /

新项目 保存 (cable stayed )

工具 / 单位体系 长度 > m ; 力 > tonf ?

图4 设定单位体系

3

高级应用例题

定义材料和截面的特性值
输入拉索、主梁、索塔、横向系梁、索塔横梁的材料特性值。在特性值对话框中 的材料表单里点击 键。

模型 / 特性值 / 名称 (拉索) 拉索) 类型 > 用户定义

材料

弹性模量 (2.0e7) ;
定义多种材料 时 , 使用 钮 会更方便一些。 会更方便一些。

泊松比 (0.3)

比重 (7.85) ? 按上述方法参照表1输入主梁、索塔、主梁横向系梁、索塔横梁等的材料特性值。 表1 材料特性值
号 1 2 3 4 5 项 目 拉索 主梁 索塔 主梁横向系梁 索塔横梁 弹性模量 (tonf/m2) 2.0×10 2.1×10 2.0×10
7

泊松比 0.3 0.3 0.17 0.3 0.17

比重 (tonf/m3) 7.85 7.85 2.5 7.85 2.5

7

6

2.0×107 2.0×106

图5 定义材料特性对话框

4

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

输入拉索、主梁、索塔、主梁横向系梁、索塔横梁等的截面特性值。在特性值对 话框中的截面表单里点击 键。

模型 / 特性值 / 特性值表单

截面

截面号 (1) ; 名称 (拉索) 拉索) 截面形状 > 实心长方形 计算特性值 > Area (0.0052) ?

按上述方法参照表2输入主梁、索塔、主梁横向系梁、索塔横梁等的截面特性值。 表2 截面特性值
号 1 2 3 4 5 项 目 拉索 主梁 索塔 主梁横向系梁 索塔横梁 Area (m2) 0.0052 0.3902 9.2000 0.0499 7.2000 Ixx (m4) 0.0 0.007 19.51 0.0031 15.79 Iyy (m4) 0.0 0.1577 25.5670 0.0447 14.4720 Izz (m4) 0.0 4.7620 8.1230 0.1331 7.9920

图6 定义截面特性对话框

5

高级应用例题

成桥阶段分析
本例题在建立了成桥阶段模型后将计算因自重和二期恒载引起的拉索初拉力。然 后利用拉索的初拉力做成桥阶段初始平衡状态分析。 首先使用MIDAS/CIVIL提供的斜拉桥建模助手功能生成二维斜拉桥模型,然后利用 二维模型通过复制等手段建立三维斜拉桥模型。 使用包含有优化法则的未知荷载系数 功能可以很方便地求出成桥阶段的拉索初拉 力。 斜拉桥成桥阶段模型参见图7。

图7 斜拉桥成桥阶段模型

6

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

结构建模
本例题中建立斜拉桥模型的步骤是首先建立成桥阶段模型,然后做成桥阶段分 析,最后使用其它名称做施工阶段分析。 建立斜拉桥成桥阶段模型的详细步骤如下。

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

生成斜拉桥二维模型: 利用斜拉桥建模助手 建立索塔模型 扩建为三维模型 建立主梁横向系梁 生成索塔上的主梁支座 生成桥墩上的主梁支座 输入边界条件 计算拉索初拉力: 利用未知荷载系数功能 输入荷载及荷载条件

10. 运行结构分析 11. 计算未知荷载系数

7

高级应用例题

生成二维模型
在MIDAS/CIVIL提供的斜拉桥建模助手中输入结构的一些基本数据,程序将自动生 成斜拉桥的二维模型。 在斜拉桥建模助手中输入下面数据。

正面 捕捉轴网 (关)
只要在斜拉桥建 模 助手中 输入拉索 、 主 梁 、 索 塔的材料 和 截 面特性 值以及基 本 布 置 , 程 序将自动 生 成斜拉桥二维模型。 成斜拉桥二维模型。

点栅格 (关) 捕捉节点 (开) 斜拉桥建模助手

捕捉点栅格 (关) 捕捉单元 (开)

模型 / 结构建模助手 / 类型 > 对称桥梁

A > X(m) (0) ; Z(m) (25) ; 索塔高度 > H1(m) (90) 材料 > 拉索 > 1:拉索 ; 1:拉索 截面 > 拉索 > 1:拉索 ; 1:拉索

B > X(m) (100) ; Z(m) (90) 索塔 > 3:索塔 3:索塔 索塔 > 3:索塔 3:索塔

主梁 > 2:主梁 ; 2:主梁 主梁 > 2:主梁 ; 2:主梁

将拉索和吊杆的 单 元类型 选择为桁 架 单 元时 , 拉索和吊 杆 将 按桁架 单元单元 计 算 ; 选择 为只受拉 单 元 (索 单元 )时 ,线 性 分 析时拉 索按等效 桁 架 单元计 算 , 非线 性 分 析时拉 索按弹性 悬 索单元计算。 索单元计算。

选择拉索和吊杆的单元类型 > 桁架单元 桥面形状 (开) > 左侧坡度(%) (5) ; 弧形坡度弦长(m) (220) 拉索间距和高度 左边跨 (3, 8@10, 14) ; (1.2, 3@1.5, 3@2, 2@2.3, 45) 中间跨 (14, 9@10, 12, 9@10, 14) ?

两侧边跨坡度为 5%, 5%, 中间跨为与两边 跨相切的圆弧曲线。 跨相切的圆弧曲线。

在查看选项中选 择 实际图 形时 , 在 建 模 助手窗 口中将显 示 实 际输入 的斜拉桥 二 维模型形状。 维模型形状。

图8 斜拉桥建模助手对话框

8

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

使用斜拉桥建模助手 建立斜拉桥模型时,边跨和中间跨主梁均被建成为简支梁, 所以在主梁与索塔相交处,将生成重复的节点。因为本例题桥梁为自锚式斜拉桥,所 以主梁应为三跨连续梁形式,重复的节点需使用合并节点功能删除,从而使主梁满足 连续条件。

节点号 (开) 模型 / 单元 / 合并 > 全部

正面 合并节点

合并误差 ( 0.001 ) 删除重复节点 (开) ?

合并了节点34和35

的模型

口缩

合并了节点34和 合并了节点34和35 的模型 34 合并了节点34和35 的模型

图9 生成斜拉桥二维模型

9

高级应用例题

建立索塔模型
本例题斜拉桥模型索塔顶部宽度为15.6m、底部宽度为19.6m。为了建立倾斜的索 塔模型使用移动和复制节点功能将索塔底端向Y轴方向移动–2m。

左面
模型 / 节点 /

自动对齐

节点号 (关)

移动和复制节点
间距 > 不等间距

窗口选择 (节点: 图10的①) ①
模式 > 移动 ; 方向 > y ; 距离(m) ( -2 ) ?

移动索塔底端节点– 移动索塔底端节点–2m


选择节点70、 选择节点70、71 70

图10 倾卸布置索塔

10

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

倾斜布置的索塔构件的单元坐标轴因节点的移动发生了变化。这是因为MIDAS/CIVIL根
关于Beta Beta角的详 关于 Beta角的详 细说明请参照“ 细说明请参照 “三维框 架例题” 架例题 ”或土木结构分 析中的“ 析中的 “单元类型以及 主要考虑事项” 主要考虑事项 ”章节中 桁架单元”部分。 “桁架单元”部分。

据单元的布置方向决定Beta角。 Beta角 为了容易查看分析结果,将索塔构件的Beta角修改为-90°,使索塔上部和下部单 Beta角 元的单元坐标轴一致。

显示
单元 > 局部坐标轴 局部坐标轴(开) ? 模型 / 单元 /
参数类

修改单元特性值 交叉选择 (单元: 图11的①) ①
> Beta角 角

Beta角(度) ( -90 ) ?

修改成与索塔顶端 单元坐标轴一致

修改单元坐标轴



交叉选择

图11 修改索塔构件的单元坐标轴

11

高级应用例题

为了建立索塔横梁,使用分割单元功能沿Z轴方向分割单元。

模型 / 单元 /

分割单元


选择前次
> 单 > 杆系(开 ) ; 杆系 ? 等间 距(开 ) x(m) ( 10, 36 )
10.0 m

36.0 m

分割索塔构件

前次选择

图12 分割索塔构件

12

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

建立三维模型
因为桥梁宽度为15.6m,所以首先将二维斜拉桥模型沿Y轴方向移动-7.8m。

模型 / 节点 /

移动和复制节点


全选
> > y ; ;
间距 >

等间 距 ( -7.8 ) ?-



(m)

-7.8m

垂直桥梁方向中心线

图13 将二维斜拉桥模型沿Z轴方向移动–7.8m

13

高级应用例题

使用镜像单元 功能将拉索、主梁、索塔单元以垂直桥梁方向中心线镜像复制。为 了使复制的索塔的单元坐标系与原来的一致,应打开镜像Beta角选项。 镜像Beta Beta角

模型 / 单元 /

镜像单元

全选
模式 > 复制 镜像面 > z-x平面(m) ( 0 ) 镜像Beta角 (开) ? 镜像Beta角 Beta

7.8m -7.8m

镜像

垂直桥梁方向中心线

图14 建立斜拉桥三维模型

14

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

建立主梁横向系梁
关闭显示单元坐标轴,使用扩展单元 中由节点生成线单元的功能建立主梁的横向 系梁。

顶面 显示
单元 > 局部坐标轴 局部坐标轴(关) ? 模型 / 单元 /

扩展单元 选择属性 - 节点
选择类型 > 材料 节点 (开) ; 单元 (关) (2: 主梁) ?

解除选择窗口 (节点: 图15的①) ①
扩展类型 > 节点 → 线单元 单元属性 > 单元类型 > 梁单元 材料 > 4: 主梁的横向系梁 截面 > 4: 主梁的横向系梁 生成方式 > 复制 间距 > 等间距 ; dx, dy, dz (0, -15.6, 0) 复制次数 (1) ?

15

高级应用例题



图15 建立主梁的横向系梁单元

16

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

建立索塔横梁 建立索塔横梁
为了提高建立模型的效率,在建立索塔横梁模型之前只将索塔构件激活。

正面 窗口选择 (图16的①) ① 激活





激活索塔构件

第1号索塔

第2号索塔

图16 选择索塔构件

17

高级应用例题

使用建立单元功能建立索塔横梁单元。

标准
模型 / 单元 /

节点号 (开) 建立单元

捕捉单元(关)

单元类型 > 一般梁/变截面梁 一般梁/ 材料 > 5: 索塔横梁 截面 > 5: 索塔横梁 连接节点 (144,74) (142,72) (145,73) (144,74) (147,75)

建立索塔横梁模型

图17 建立索塔横梁模型

18

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

生成索塔上的主梁支座
使用投影节点功能,设置主梁在索塔上的支座位置。

模型 / 节点 /

投影节点
投影类型 > 投影节点到线上 ; P2 (73) ; 方向 > 法向

窗口缩放 (图18的①) ①
模式 > 复制 ;

窗口选择 (节点: 图18的②) ②
定义基准线 > P1 (145) 合并重复节点 (开) ?

窗口缩放 (图18的③) ③
模式 > 复制 ; 投影类型 > 投影节点到线上

窗口选择 (节点: 图18的④) ④
定义基准线 > P1 (147) 合并重复节点 (开) ? ; P2 (75) ; 方向 > 法向

③ ①
窗口选择 窗口选择





图18 生成索塔上的主梁支座节点

19

高级应用例题

因为使用投影节点复制到索塔横梁单元上的节点并没有和横梁单元连接(只是投影
以投影在索塔横 梁 上的节 点为分割 点 分割单元。 分割单元。

在横梁单元上),所以应使用分割单元功能分割索塔横梁单元。

捕捉单元(开)
模型 / 单元 /

单元号(开)
分割单元

用鼠标选择或直 接 输入欲 分割的单 元 号 , 然后 选择分割 点 分割单元。 分割单元。

窗口缩放 (图19的①) 单元类型 > 杆系 (开) ; 被节点分割 (开)
被分割的单元 (267 267) 267 被分割的单元 (267 267) 267
单 单

; ; ; I ; I

分割点 (149 149) 149 分割点 (150 150) 150 (151) (152) ? ?

? ?

窗口缩放 (图19的②)
(269) (269)

② ①
窗口选择 窗口选择

264 269 262 267

图19 分割索塔横梁

20

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

使用移动和复制节点功能,在索塔的主梁支座位置生成节点。

单元号(关)
模型 / 节点 /

移动和复制节点
(图20的①) (节点: 150, 149) 149 (图20的②) (节点: 152, 151) 151 间距 > 等间距

窗口缩放 窗口选择 窗口缩放 窗口选择

模式 > 复制 ;

dx, dy, dz ( 0,0,0.27) ?

`




窗口选择

窗口选择

图20 生成索塔上的主梁支座节点

21

高级应用例题

使用弹性连接单元(Elastic Link)模拟索塔上的支座。 支座的基本数据如下。 SDx : 20,367,407 tonf/m, SDy : 7,483 tonf/m, SDz : 7,483 tonf/m

模型 / 边界条件 / 弹性连接

窗口缩放 (图21的①)
选项 > 添加/替换 ; 添加/
输入索塔间距 塔间距220 输入索塔间距220 m, 同时输入两个索塔 上的弹性连接单元。 上的弹性连接单元。

连接类型 > 一般类型 一般类型

SDx (tonf/m) (20367407) ; SDy(tonf/m) (7483) ; SDz(tonf/m) (7483) 复制弹性连接(开) > 方向 > x ; 2点 (150,154) 2点 (149,153)

距离s(m) (220)


窗口选择

图21 生成索塔上的主梁支座

22

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

生成桥墩上的主梁支座
使用移动和复制节点功能,在桥墩上的主梁支座位置生成节点 。

全部激活
模型 / 节点 /

移动和复制节点 窗口缩放 (图22的①) 单选 (节点: 76, 24 ) 窗口缩放 (图22的②) 单选 (节点: 135, 68)
间距 > 不等间距 不等间距 距离(m) ( -4.5, -0.27 ) ;

模式 > 复制 ; 方向 > z

② ①
窗口选择

窗口选择

图22 生成桥墩节点和主梁在桥墩上的支座节点

23

高级应用例题

使用弹性连接单元(Elastic Link)模拟桥墩上的支座。 支座的基本数据如下。 SDx : 20,367,407 tonf/m, SDy : 7,483 tonf/m, SDz : 7,483 tonf/m

自动对齐
模型 / 边界条件 / 弹性连接

窗口缩放 (图23的①)
选项 > 添加/替换 ; 添加/
同时生成右侧桥 墩 的弹性 连接单元 。 桥墩间距为420 420桥墩间距为 420- 3ⅹ2 = 414 m

连接类型 > General 类型

SDx (tonf/m) (20367407) ; SDy(tonf/m) (7483) ; SDy(tonf/m) (7483) 复制弹性连接 (开) > 方向 > x ; 2点 (163,159) 2点 (161,157)

距离s(m) (414)



窗口选择

图23 生成桥墩上的主梁支座

24

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

输入边界条件
本例题中斜拉桥模型的边界条件如下。 索塔、桥墩下端: 固端 (Dx, Dy, Dz, Rx, Ry, Rz) 主梁与支座的连接: 弹性连接 (Dx, Dy, Dz, Rx, Ry, Rz) 输入索塔和桥墩下端的边界条件。

自动对齐
选择节点161、163

正面

选择节点162、164

模型 / 边界条件 / 支撑条件

窗口选择 (节点: 图24的①, ②, ③, ④) ①
边界群名称 > 默认值 选项 > 添加 ; 支撑类型 > D-ALL , R-ALL ? R-

① ②
窗口选择




窗口选择

选择节点162、 选择节点162、164 162 选择节点161、 选择节点161、163 161

图24 输入索塔以及桥墩下端固端边界条件

25

高级应用例题

刚性连接主梁形心和索塔支座。

标准
模型 / 边界条件 / 刚性连接

窗口缩放 (图25的①) 边界群名称 > 默认值 ; 选项 > 添加/替换 添加/
刚性连接的自由度 > Dx, Dy, Dz, Rx, Ry, Rz (开) 复制弹性连接 (开) 主节点号 (154) ; 主节点号 (153) ; ; 方向 > x ; 距离s(m) (220)

单选 (节点: 137) ? 137 34) 单选 (节点: 34 ?



窗口选择

图25 刚性连接主梁和索塔支座

26

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

刚性连接主梁形心和桥墩支座。

自动对齐
模型 / 边界条件 / 刚性连接

窗口缩放 (图26的①) 边界群名称 > 默认值 ; 选项 > 添加/替换 添加/
刚性连接自由度 > Dx, Dy, Dz, Rx, Ry, Rz (开) 复制弹性连接 (开) 主节点号 (159) ; 主节点号 (157) ; ;

方向 > x ; 距离s(m) (414) 单选 (节点: 76) ? 76 24) 单选 (节点: 24 ?


窗口选择

图26 刚性连接主梁和桥墩支座

27

高级应用例题

计算拉索初拉力
为了改善斜拉桥成桥阶段主梁、索塔、拉索以及支座的受力状态,给拉索施加一 定的初拉力,使之与结构自重平衡。 因为斜拉桥是高次非静定结构,计算拉索的初拉力需要很多的反复计算。另外, 因为各拉索的张力并不是只有唯一的解,所以对于同一个斜拉桥不同的设及人员会得 出不同的初拉力。

MIDAS/CIVIL的未知荷载系数功能使用了优化法则,可以计算出满足指定约束条
件下的结构最优的荷载系数,所以在计算斜拉桥拉索的初拉力时非常有效。 使用未知荷载系数功能计算斜拉桥拉索初拉力的步骤参见表3。

步骤 1.

建立斜拉桥模型

步骤 2. 生成主梁恒载和拉索的单位荷载条件

步骤 3.

输入恒载以及单位荷载

步骤 4.

恒载和单位荷载的荷载组合

步骤 5. 使用未知荷载系数 功能计算未知荷载系数

步骤 6.

查看分析结果并输出初拉力

表3 计算拉索初拉力流程图

28

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

输入荷载条件
为了计算恒载引起的初拉力,输入自重、二期恒载、拉索的单位初拉力等荷载条 件。 本例题中的斜拉桥为索塔两侧各有拉索20根的对称结构,所以所需的未知荷载系 数为20个,输入荷载条件。

荷载 / 静力荷载工况
使用MCT命令窗 使用 MCT命令窗 MCT 口 输入荷 载条件会 更 方便一些。 方便一些。 MCT 命 令 窗口 的 使用方法参见“ 使用方法参见“斜拉桥 成桥阶段分析例题” 动画。 动画。

名称 (自重) ; 描述 (自重) ?

类型 > 恒载

名称 (二期恒载) ; 描述 (二期恒载) ? 名称 (张力 1) ;

类型 > 恒载

类型 > 用户定义荷载

描述 (拉索1 – 单位初拉力) ? 单位初拉力) 拉索 …. 名称 (张力 20) ; 类型> 用户定义荷载 描述 (拉索20 - 单位初拉力) ? 单位初拉力) 拉索 输入荷载条件(张力 1) (张力 20) ( 1)?( 20)。

图27 建立恒载和单位荷载条件

29

高级应用例题

输入荷载
输入结构自重、作用于主梁的二期恒载、拉索的单位初始张拉荷载。 使用自重功能输入结构自重。二期恒载包括护墙、桥面铺装荷载等。 输入所求拉索的单位初拉力。 首先使用自重功能输入结构自重。

对齐缩放
荷载 / 自重

节点号 (关)

荷载工况名称 > 自重 荷载群名称 > 默认值 自重系数 > Z ( -1 ) ?

图28 输入自重

30

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

输入作用于主梁的二期恒载。因为主梁模型为两个三跨连续梁,所以将二期恒载 等分作用于主梁。 使用梁单元荷载输入护墙和桥面铺装荷载,荷载大小为? 1 . 8 6 5 t o n f / m 。

荷载 / 梁单元荷载
选择属
择类

- 单 > > ( ? 选项 > 添加

激活
荷载类型 > 均布荷载
输入倾斜构件的 二 期恒载 时 , 计算 时 使用构件的实际长 度。

全选
; 方向 > 全局 Z W (-1.865) ?

荷载工况名称 > 二期恒载 ; 投影 > 是

数值 > 相对值 ; x1 (0) , x2 (1) ,

输入主梁的二期恒载 ?1.865 tonf /m

图29 输入主梁的二期恒载

31

高级应用例题

以桥梁中央为对称轴赋予两侧拉索以相同的单位初拉力。

全部激活

正面

荷载 / 预应力荷载 / 初拉力

窗口缩放 交叉选择 窗口缩放 交叉选择

(图30的①) (单元: 图30的②) (图30的③) (单元: 图30的④)

荷载工况名称 > 张力 1 ; 荷载群名称 > 默认值 选项 > 添加 ; 初拉力 ( 1 ) ? … 荷载工况名称 > 张力 20 ; 荷载群名称 > 默认值 选项 > 添加 ; 初拉力 ( 1 ) ?





窗口缩放

窗口缩放

② 交叉选择 交叉选择



图30 赋予拉索单位初拉力

32

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

参照表4输入张力2?张力20的拉索单位初拉力。使用MCT命令窗口输入会更方便一 些。 表4 荷载条件和单元号
荷载条件 张力 1 张力 2 张力 3 张力 4 张力 5 张力 6 张力 7 张力 8 张力 9 张力 10 单元号 1, 40, 111, 150 2, 39, 112, 149 3, 38, 113, 148 4, 37, 114, 147 5, 36, 115, 146 6, 35, 116, 145 7, 34, 117, 144 8, 33, 118, 143 9, 32, 119, 142 10, 31, 120, 141 荷载条件 张力 11 张力 12 张力 13 张力 14 张力 15 张力 16 张力 17 张力 18 张力 19 张力 20 单元号 20, 21, 130, 131 19, 22, 129, 132 18, 23, 128, 133 17, 24, 127, 134 16, 25, 126, 135 15, 26, 125, 136 14, 27, 124, 137 13, 28, 123, 138 12, 29, 122, 139 11, 30, 121, 140

查看已输入的拉索单位初拉力。

图31 已输入的拉索单位初拉力 33

高级应用例题

运行结构分析
做结构自重、二期恒载、拉索的单位初拉力等荷载条件的静力分析。

分析 /

运行分析 ?

建立荷载组合
使用拉索的单位初拉力(20个荷载条件)和结构自重以及二期恒载建立荷载组合。

结果 / 荷载组合 荷载组合列表 > 名称 > LCB 1 荷载工况 > 自重(ST) (ST) ; 分项系数 (1.0) 荷载工况 > 二期恒载(ST) ; 分项系数 (1.0) (ST) 荷载工况 > 张力 1(ST) ; 分项系数 (1.0) ... 荷载工况 > 张力 20(ST) ; 分项系数 (1.0) ?

输入张力1(ST)?张力20(ST)的拉索荷载条件。

图32 输入荷载组合

34

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

计算未知荷载系数
计算荷载组合LCB 1作用下满足指定约束条件的未知荷载系数。约束条件为约束主梁垂直方向的 位移(Dz)。 在未知荷载系数对话框中输入荷载条件、约束条件、构成目标函数的方法等。 首先将拉索的单位荷载条件定义为未知荷载。

结果 / 未知荷载系数 未知荷载系数群 > 项目名称 (未知) ; 未知) 荷载组合 > LCB 1 未知荷载符号 > 正负 目标函数类型 > 平方 ; 荷载工况 > 张力 1 (开) 荷载工况 > 张力 2 (开) … 荷载工况 > 张力 20 (开)

图33 未知荷载系数详细对话框

35

高级应用例题

在约束中输入主梁垂直方向(Dz)的约束条件。

约束 > 约束名称 (节点23(U)) 节点23(U)) 约束类型 > 位移
本例题将主梁垂 直位移作为约束条 件。因为是对称模 所以只约束1/2 1/2主 型,所以只约束1/2主 梁模型。 梁模型。约束节点 23 ~ 节 点 45 的 垂直方 向 位移。 位移。

节点号 (23) 约束成分 > Dz 相等/不等条件 > ( <= ) ; 约束 > 约束名称 (节点23(L)) 节点23(L)) 约束类型 > 位移 节点号 (23) 约束成分 > Dz 相等/不等条件 > ( >= ) ; 数值 (-0.01) ? 数值 ( 0.01 ) ?

输入节点24?节点45的约束条件。因为节点35曾使用合并节点功能删除,所以不包
可以使用MCT命 可以使用MCT命 MCT 令 窗口方 便地输入 计 算 未知荷 载系数的 约 束 条件 。 使用方法 参 照 “斜拉桥成桥阶段分 析例题” 析例题”。

含节点35。

图34 约束条件对话框

36

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

关于未知荷载系 数计算的详细说明参见 土木结构分析的 “ 使用 优化法则求未知荷载系 章节。 数”章节。

在未知荷载系数结果中查看约束条件以及相应的未知荷载系数。

未知荷载系数详细 > 未知荷载系数群 >

图35为使用未知荷载系数功能计算的未知荷载系数结果。

未知荷载系数分析结果

图35 未知荷载系数分析结果

37

高级应用例题

建立未知荷载系数建立新的荷载组合,查看新的荷载组合的分析结果是否满足约 束条件。

结果 / 荷载组合 荷载组合列表 > 名称 > (LCB 2) 荷载工况 > 自重(ST) (ST) 荷载工况 > 张力 1(ST) 荷载工况 > 张力 2(ST) ; 分项系数 (1.0) ; 分项系数 (136.46) ; 分项系数 (126.08) 荷载工况 > 二期恒载(ST) ; 分项系数 (1.0) (ST)

荷载工况 > 张力 20(ST) ; 分项系数 (21.09) ?

参照图35中未知荷载系数的分析结果,如图36所示输入张力3(ST)?张力20(ST)的 未知荷载系数。

图36 使用未知荷载系数建立的新的荷载组合

38

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

查看成桥阶段分析结果
查看变形形状
查看拉索初拉力、结构自重以及二期恒载同时作用下的成桥阶段的位移结果。

结果 / 变形 /

变形形状

荷载工况/荷载组合 > CB:LCB 2 位移成分 > DXYZ 显示类型 > 变形前 (开)
程序默认的变形 显示比例系数较 时, 户可 调 显 系数 。

; 图例 (开) ?

变形

> 变形显示比例 (0.2 0.2) 0.2

窗口缩放 (图37的①, ② )

① ②
窗口缩放

窗口缩放

图37 查看变形形状

39

高级应用例题

施工阶段分析
根据施工方案的不同,斜拉桥的结构体系会发生很大变化,而施工阶段中的结构 体系的变化与成桥阶段结构体系相比,可能会处于更不稳定的结构状态。因此在设计 斜拉桥时,应严密准确地分析所有发生结构体系变化的各施工阶段的安全度以及应力 变化。 在施工阶段中施加的拉索张力可以通过逆施工阶段计算。 在施工阶段分析中,应将主梁、拉索、拉索锚固位置、边界条件、荷载条件的变 化阶段均设置为施工阶段。

40

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

施工阶段分类
施工阶段分析中应考虑各阶段的边界条件和荷载条件的变化。 本例题的施工顺序是从施工完索塔和边跨阶段开始到加载二期恒载阶段。 本例题斜拉桥的施工方案如下。 ? 索塔 下部工程 : 大拼块工法 上部工程 : 大拼块工法 ? 主梁 边跨 : 临设排架+大拼块工法 中间跨 : 使用移动吊车的小拼块工法 ? 拉索 采用吊机法

使用临设排架架施工边跨主梁

张拉拉索、 张拉拉索、施工主梁

施工部分中间跨主梁、 施工部分中间跨主梁、张拉拉索

张拉拉索、 张拉拉索、施工主梁

张拉拉索、 张拉拉索、施工主梁

吊装合龙段、 吊装合龙段、加载二期恒载

图38 模型的施工顺序

41

高级应用例题

逆施工阶段分类
本例题以斜拉桥成桥阶段为基础,考虑了荷载条件和边界条件的变化,将成桥阶 段模型分解为33个施工阶段。 本例题斜拉桥的逆施工阶段参见表5。 表5 逆施工阶段列表
施工阶段 CS 0 CS 1 CS 2 拆除合龙段(主梁第11号构件) CS 3 CS 4 CS 5 CS 6 CS 7 CS 8 CS 9 CS 10 CS 11 CS 12 CS 13 CS 14 CS 15 CS 16 拆除拉索(20, 21) 拆除拉索(1, 40) 拆除主梁(主梁第10号构件) 拆除拉索(19, 22) 拆除拉索(2, 39) 拆除主梁(主梁第9号构件) 拆除拉索(18, 23) 拆除拉索(3, 38) 拆除主梁(主梁第8号构件) 拆除拉索(17, 24) 拆除拉索(4, 37) 拆除主梁(主梁第7号构件) 拆除拉索(16, 25) 拆除拉索(5, 36) CS 20 CS 21 CS 22 CS 23 CS 24 CS 25 CS 26 CS 27 CS 28 CS 29 CS 30 CS 31 CS 32 拆除主梁(主梁第5号构件) 拆除拉索(14, 27) 拆除拉索(7, 34) 拆除主梁(主梁第4号构件) 拆除拉索(13, 28) 拆除拉索(8, 33) 拆除主梁(主梁第3号构件) 拆除拉索(12, 29) 拆除拉索(9, 32) 拆除主梁(主梁第2号构件) 拆除拉索(11, 30) 拆除拉索(10, 31) 拆除主梁(主梁第1号构件) 内 容 施工阶段 CS 17 CS 18 CS 19 内 容

成桥阶段(自重+二期恒载+初拉力) 拆除二期恒载 添加临设排架

拆除主梁(主梁第6号构件) 拆除拉索(15, 26) 拆除拉索(6, 35)

※ ※ ※ ※

1号拉索是左侧边跨外侧拉索,10号拉索是左侧边跨内侧拉索。 11号、30号拉索是中间跨内侧拉索,20号、21号拉索是中间跨外侧拉索。 31号拉索是右侧边跨内侧拉索,40号拉索是左侧边跨外侧拉索。 按拉索间距划分中间跨主梁构件,11号主梁单元为合龙段。

42

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

逆施工阶段分析 逆施工阶段分析
斜拉桥施工阶段分析按施工顺序分为顺施工阶段分析和逆施工阶段分析。顺施工 阶段分析是按照实际施工的顺序分析的方法,逆施工阶段分析是按照与实际施工顺序 相反的方向,由处于初始平衡状态的成桥阶段模型逐阶段拆除单元和荷载的方法进行 的分析方法。 通过逆施工阶段分析,可以得到分析模型的结构效应、拉索张力的变化以及结构 位移、弯矩的变化过程。 逆施工阶段分析的顺序参见图39。

CS 2

CS 26

CS 10

CS 30

CS 18

CS 32

图39 逆施工阶段分析顺序

43

高级应用例题

将成桥阶段分析模型另存为其它名称以使用于施工阶段分析模型。

文件 / 另存 ( 斜拉桥施工阶段 )

建立施工阶段分析模型的步骤如下。

1. 输入拉索初拉力 将成桥阶段分析模型中使用的桁架单元转换为索单元 将使用未知荷载系数功能计算出的未知荷载系数作为初拉力使用 2. 定义施工阶段名称 划分施工阶段并定义施工阶段名称 3. 定义结构群 将各施工阶段添加和拆除的单元定义为结构群 4. 定义边界群 将各施工阶段添加和拆除的边界定义为边界群 5. 定义荷载群 将各施工阶段添加和拆除的荷载定义为荷载群 6. 定义施工阶段 定义各施工阶段的单元群、边界群、荷载群

44

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

输入拉索初拉力
为了建立施工阶段模型,首先需要删除成桥阶段分析模型中的荷载组合LCB 1、2 和单位初拉力张力1?张力20。 为了将使用优化法则计算出的未知荷载系数输入为初拉力 ,应将初拉力定义为新 的荷载工况。

结果 / 荷载组合 荷载组合列表 > 名称 > 删除 LCB 1, LCB 2 ? 荷载 / 静力荷载工况 名称 ( 张力 1 ) ? 名称 ( 张力 20 ) 名称 ( 初拉力 ) ; 类型 > 用户定义 ?

图40 将初拉力定义为荷载工况

45

高级应用例题

斜拉桥施工阶段分析中应考虑索单元的几何非线性。 为了考虑斜拉桥拉索构件垂度的影响,将成桥阶段分析中使用的桁架单元转换为 索单元。斜拉桥中使用的索单元是考虑了轴向刚度的等效桁架单元。

模型 / 单元 /

修改单元特性值 选择属性 - 单元
选择类型 > 单元类型 节点 (关) (桁架单元 桁架单元) 桁架单元 ; 单元 (开) ? ; 修改为 > 只受拉/钩/索(开) 只受拉/

参数类型 > 单元类型 (开) 模式 > 由 > 桁架单元(开) 桁架单元 索(开) ?

图41 将桁架单元转换为索单元

46

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

使用优化法则计算索单元的未知荷载系数,并将其输入为初拉力。 输入初拉力的方法与输入索单元的单位初拉力的方法相同。 荷载 / 预应力荷载 / 初拉力

窗口缩放 交叉选择 窗口缩放 交叉选择

(图42的①) (单元: 图42的②) (图42的③) (单元: 图42的④)

荷载工况名称 > 初拉力 荷载群名称 > 默认值 选项 > 添加 初拉力 (127.3) ? 127.3)

将表6中的初拉力赋予各索构件。 表6 使用优化法则计算初拉力(初拉力荷载)
单 元 号 1, 40, 111, 150 2, 39, 112, 149 3, 38, 113, 148 4, 37, 114, 147 5, 36, 115, 146 6, 35, 116, 145 7, 34, 117, 144 8, 33, 118, 143 9, 32, 119, 142 10, 31, 120, 141 初拉力荷载 127.3 121.0 104.9 94.5 89.1 81.8 77.8 72.4 49.8 21.8 单 元 号 20, 21, 130, 131 19, 22, 129, 132 18, 23, 128, 133 17, 24, 127, 134 16, 25, 126, 135 15, 26, 125, 136 14, 27, 124, 137 13, 28, 123, 138 12, 29, 122, 139 11, 30, 121, 140 初拉力荷载 131.8 126.3 110.5 96.8 88.8 81.8 76.6 73.2 57.8 23.2

47

高级应用例题





窗口缩放

窗口缩放


交叉选择 交叉选择



图42 输入索单元的初拉力

48

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

定义施工阶段
为了做逆施工阶段分析需要定义各施工阶段。首先在施工阶段对话框中输入各施 工阶段名称。 本例题定义了包括成桥阶段在内的33个施工阶段。

荷载 / 施工阶段分析数据 /

施工阶段 >

定义施工阶段
赋予相同名称以 序 列号可 以同时定 义 多个施工阶段。 多个施工阶段。

施工阶段 > 名称 ( CS ) ; 序列 ( 0to32 ) 保存结果 > 施工阶段 施工阶段(开) ?

输出分析结果 时 , 可以 按施工阶 段 输出。 输出。

图43 施工阶段对话框

49

高级应用例题

定义结构群
将各施工阶段添加和删除的单元定义为结构群。 首先定义结构群名称,然后将各单元赋予结构群。

群表单

新建... C 群 > 结构群 > 新建...
名称 ( CS ) ; 序列 ( 0to32 )

图44 定义结构群

50

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

将各施工阶段添加和删除的单元赋予各结构群。 将成桥阶段定义为CS0。因为在CS1中只是拆除二期恒载,没有添加和拆除单元, 所以在此省略。

正面
群 > 结构群

全选
CS0 (拖放)

窗口选择 (图45的①) CS2 (拖放)
为了准确定义结 构 群 , 将 已定义的 结 构 群钝化 处理 , 以 免 与其它结构群重复。 与其它结构群重复。

C 钝化

参照表5的逆施工阶段列表按顺序拆除施工阶段CS3?CS32的主梁和索单元,并将其 定义为结构群。

CS0

拖放


CS2

图45 生成结构群CS0、CS1、CS2

51

高级应用例题

定义逆施工阶段分析的最后阶段(CS32)的结构群。 在逆施工阶段CS32中,所有索单元和中间跨的主梁单元均被拆除,边跨架设了脚 手架。该阶段在本例题中为第一施工阶段。

窗口选择 (图46的①) 拖放) CS 32 (拖放) C 钝化

CS 32

CS 32

拖放

图46 生成CS32的结构群

52

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

指定边界群
将各施工阶段中添加和拆除的边界条件设定为边界群。 首先建立边界群名称,然后将边界条件赋予边界群。

全部激活
群表单

新建... C 群 > 边界群 > 新建... 名称 (固定端) ?
名称 (弹性连接) ? 名称 (脚手架) ? 名称 (刚性连接) ?

图47 指定边界群

53

高级应用例题

将成桥阶段定义的固定端、弹性连接 、刚性连接条件重新分配给各施工阶段的边 界群。

群 > 边界群

全选
固定端 (拖放) 选择边界类型 > 支撑条件 (开) 群 > 边界群 ?

全选
弹性连接 (拖放) 选择边界类型 > 弹性连接 (开) 群 > 边界群 ?

全选
刚性连接 ( 放) 选择边界类型 > 刚性连接 (开) ?

拖放

图48 建立固定端、弹性连接、刚性连接边界群

54

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

将脚手架的边界条件指定为边界群。 将脚手架定义为边跨中央的铰支支撑(Dx, Dy, Dz, Rz)。

标准
模型 / 边界条件 / 支撑条件

选择属性-节点 (节点: 86, 29, 130, 63 ) 选择属性边界群名称 (脚手架) 选项 > 添加 支撑类型 > D-ALL (开) ; Rz (开) ?

图49 建立脚手架边界条件

55

高级应用例题

指定荷载群
将各施工阶段添加和拆除的荷载条件分配到荷载群。 本例题逆施工阶段分析中考虑的荷载为自重、二期恒载、拉索初拉力。 首先建立荷载群名称,然后将荷载条件赋予荷载群。

群表单 C 群 > 荷载群 > 新建... 新建... 名称 (自重) 名称 (初拉力) ? ? 名称 (二期恒载) ? )

`

图50 建立荷载群

56

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

将成桥阶段分析中默认荷载群修改为自重“自重”。

模型 / 荷载 / 自重 荷载工况名称 > 自重 荷载工况 > 自重 0 0 –1 默认值 (开) 荷载群名称 > 自重 操作 >

图51 修改自重荷载群

57

高级应用例题

重新定义在成桥阶段分析中定义的二期恒载以及拉索初期张力的荷载群。

群 > 荷载群

全选
二期恒载 (拖放) 选择荷载类型 > 梁单元荷载 (开) 群 > 荷载群 ?

全选
初拉力

(拖放)
?

选择荷载类型 > 初拉力 (开)

拖放

图52 指定二期恒载以及初拉力荷载群

58

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

建立施工阶段
将前面定义的结构群、边界群、荷载群分配给各施工阶段。 首先将成桥阶段定义为逆施工阶段分析的第一阶段(CS0)。

荷载 / 施工阶段分析数据 / CS0

定义施工阶段

保存结果 > 施工阶段 (开)
单元表单 > 群列表 > CS0 激活 > 边界表单 > 群列表 > 固定端,弹性连接,刚性连接 激活 > 荷载表单 > 群列表 > ??, ?????, ????? 激活 > ?

图53 定义施工阶段CS0的单元

59

高级应用例题

图54 定义施工阶段CS0的边界条件

图55 定义施工阶段CS0的荷载条件 参考表5的逆施工阶段划分输入施工阶段CS1?CS32的信息。

60

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

输入施工阶段分析数据

分析 / 施工阶段分析控制数据 最终阶段 > 最后阶段 (开) ?

图56 施工阶段分析控制数据对话框

运行结构分析
对自重、二期恒载、拉索初拉力做施工阶段分析。

分析 /

运行分析 ?

61

高级应用例题

查看施工阶段分析结果
通过施工阶段分析查看各施工阶段的变形形状和构件内力的变化。

查看变形形状
查看主梁和索塔在各施工阶段的变形形状。

结果 / 变形 /

变形形状

荷载工况 / 荷载组合 > CS:施工阶段 CS:施工阶段 位移成分> DXYZ 显示类型 > 变形前 (开)
程序默认的变形 显示比例过大时,用 户可以随意调整显示 比例。 比例。

; 图例 (开) ? ?

变形

> 变形显示比例 (0.5)

施工阶段工具条 > CS5

将鼠标移 动到施 工阶段工具条内,使 用键盘中的移动键上 下移动选择施工阶 段,在模型空间上会 时 显 各 工阶 。

图57 逆施工阶段分析中各施工阶段的变形形状

62

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

查看弯矩
查看主梁以及索塔在各施工阶段的弯矩。

结果 / 内力 /

梁单元内力图

荷载工况 > 荷载组合 > CS:施工阶段 CS:施工阶段 内力成分 > My 显示选项 > 5点 ; 实体填充
显 类

> 等高线 (开 )

; 图

(开 )

;

Undeformed (开 ) ?

施工阶段工具条 > CS7 ?

图58 逆施工阶段分析中各施工阶段的弯矩图

63

高级应用例题

查看轴力
查看拉索在各施工阶段的轴力。

结果 / 内力 /

桁架单元内力

荷载工况/荷载组合 > CS:施工阶段 CS:施工阶段 内力选项 > 全部 显示类型 > 变形 (开) ; 变形 施工阶段工具条 > CS15 ? 图例 (开) > 变形显示比例 (0.5) ?

图59 逆施工阶段分析中各施工阶段的构件轴力的变化

64

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

施工阶段分析变化图形 施工阶段分析变化图形
使用施工阶段分析变化图形,可以查看各施工阶段结构形状的变化。 下面将查看各施工阶段索塔的水平位移和主梁边跨1/4位置的竖向位移。

结果 / 施工阶段 / 各施工阶段变化图形 定义函数 > 位移 > 位移 > 名称 (索塔水平位移) ; 位移成分 > (DX) ? 位移 > 名称 (边跨1/4位置竖向位移) 位移成分 > (DZ) ? 定义的函数列表 > 索塔水平位移 > (开) 定义的函数列表 > 边跨1/4位置竖向位移 > (开) 图形标题 (各施工阶段变形形状) > ; 节点号 (27) 节点号 (1)

图60 各施工阶段形状变化图形

65

高级应用例题

使用施工阶段分析变化图形查看拉索张力的变化量。 查看索塔内侧拉索从成桥阶段(CS0)到施工阶段分析的最后阶段(CS32)各施工阶段 张力的变化。

结果 / 施工阶段 / 各施工阶段变化图形 定义函数 > 桁架单元内力/应力 > 桁架单元内力/ 桁架单元内力/应力 > 名称 (10号拉索) 内力 (开) 内力 (开) ; ; 桁架单元内力/应力 > 名称 (11号拉索) 定义的函数列表 > 10号拉索 > (开) 定义的函数列表 > 11号拉索 > (开) 图形标题 (各施工阶段拉索张力的变化) > ; 单元号 (10) 位置 > I-节点 ? ; 单元号 (11) 位置 > I-节点 ?

图61 各施工阶段拉索张力的变化图形

66

斜拉桥成桥阶段和施工阶段分析

使用施工阶段分析变化图形查看各施工阶段的主梁和索塔的弯矩变化。 下面将查看索塔底部和主梁边跨1/4位置在各施工阶段的弯矩。

结果 / 施工阶段 / 各施工阶段变化图形 定义函数 > 梁单元内力/应力 > 梁单元内力/ 梁单元内力/应力 > 名称 (边跨1/4位置弯矩) ; 单元号 (45) 内力 (开) 内力 (开) ; ; 位置 > I-节点 ; 位置 > I-节点 ; 内力成分 > 弯矩–y ? 弯矩– 内力成分 > 弯矩–y ? 弯矩– 位移 > 名称 (索塔底部弯矩) ; 单元号 (108)

定义的函数列表 > 边跨1/4位置弯矩 > (开) 定义的函数列表 > 索塔底部弯矩 > (开) 图形标题 (各施工阶段弯矩图) >

图62 各施工阶段弯矩变化图

67


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