midas連續(xù)梁橋設計專題

1、midas連續(xù)梁橋設計專題Bridging Your Innovation to Realitymidas Civil 培訓專題集連續(xù)梁橋設計專題Midas 建模專題錢江2011/5/18I / 26I / 26目 錄1 橋梁概況- 1 -1.1 主要設計指標- 1 -1.2 相關計算參數(shù)- 1 -1.3 相關設計依據(jù)- 1 -1.4 一般構造及鋼束布置- 1 -1.4.1 一般構造- 1 -1.4.2 鋼束布置- 2 -1.5 施工過程- 4 -2 建模分析- 5 -2.1 模型概述- 5 -2.2 建模要點- 5 -2.2.1 定義材料與截面- 5 -2.2.2 定義節(jié)點、單元及邊界條件-

2、 7 -2.2.3 定義時間依存材料特性- 7 -2.2.4 定義靜力荷載工況- 8 -2.2.5 定義預應力荷載- 9 -2.2.6 定義移動荷載- 10 -2.2.7 定義支座沉降- 11 -2.2.8 定義施工階段- 12 -2.2.9 定義結構質量- 12 -2.2.10 定義梁的有效寬度- 12 -2.3 分析控制定義- 13 -2.3.1 定義施工階段分析控制- 13 -2.3.2 定義移動荷載分析控制- 13 -2.3.3 定義特征值分析控制- 14 -2.3.4 定義主控數(shù)據(jù)- 14 -3 結合規(guī)范進行設計- 14 -3.1 定義荷載組合- 14 -3.2 定義PSC設計- 1

3、5 -3.2.1 定義PSC設計參數(shù)- 15 -3.2.2 定義PSC設計材料- 15 -3.2.3 定義PSC設計截面位置- 15 -3.2.4 定義PSC設計計算書輸出內(nèi)容- 15 -3.3 PSC設計結果- 16 -3.3.1 正截面抗彎強度驗算- 16 -3.3.2 斜截面抗剪強度驗算- 16 -3.3.3 抗扭強度驗算- 16 -3.3.4 正截面抗裂驗算- 17 -3.3.5 斜截面抗裂驗算- 17 -3.3.6 施工階段應力驗算- 17 -3.3.7 受拉區(qū)預應力鋼筋拉應力驗算- 18 -3.3.8 正截面壓應力驗算- 18 -3.3.9 斜截面壓應力驗算- 18 - 22 -1

4、 橋梁概況1.1 主要設計指標該橋是某一級公路上一座（25m+35m+25m）預應力混凝土等截面連續(xù)梁橋，橫橋向寬度為12.5m，下部結構采用雙柱框架墩，承臺接鉆孔灌注樁基礎。 1）橋梁設計基準期100年；2）結構設計安全等級一級，A類構件；3）橫向布置：雙幅橋，雙向4車道；4）橋梁全寬：0.5m（外側護欄）+11.5m（行車道）+0.5m（內(nèi)側護欄）+0.4m（中央分隔帶）+0.5m（內(nèi)側護欄）+11.5m（行車道）+0.5m（外側護欄）；5）設計洪水頻率：1/300，設計流量：7150m3/s；6）設計恒載：鋼結構容重78.5KN/m3，鋼筋混凝土容重26KN/m3，混凝土鋪裝和瀝青混凝土

5、鋪裝容重24KN/m3；7）可變荷載：汽車荷載：公路級車道荷載的均布荷載標準值kN/m；車道荷載集中荷載標準值，KN，車道荷載計算剪力效應時，考慮1.2的系數(shù)，KN；汽車沖擊力：按公路橋涵設計通用規(guī)范（JTG D60-2004）規(guī)定取值。1.2 相關計算參數(shù)該橋采用后張法預應力施工，結構驗算考慮了施工和使用階段中預應力損失以及預應力、溫度、混凝土收縮徐變等引起的次內(nèi)力對結構的影響。相關計算參數(shù)如下所示：1）二期恒載：橋面鋪裝：0.111.524=27.6 KN/m；防撞護欄：0.32526=8.5KN/m；波形護欄：0.25326=6.6 KN/m；橫梁實心：4.41026=114.66 KN

6、/m；2）預應力管道每米局部偏差對摩擦的影響系數(shù)：；3）對于預應力鋼筋與管道壁的摩擦系數(shù)： ；4）鋼筋松弛系數(shù)，級（低松弛），；5）錨具變形和接縫壓縮值：（單端）；6）混凝土收縮齡期3天，加載齡期7天；7）考慮支座不均勻沉降：邊跨6.25mm，中跨8.75mm；8）箱梁的有效寬度按公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范（JTG D62-2004第4.2.3條計算；9）豎向日照溫差：，豎向日照反溫差為正溫差乘以-0.5；10）年最高氣溫：34； 年最低氣溫：-23；施工溫度為10。整體升溫溫差：24；整體降溫溫差：-33；1.3 相關設計依據(jù)1）公路工程技術標準（JTG B01-2003）；2

7、）公路橋涵設計通用規(guī)范（JTG D60-2004）；3）公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范（JTG D62-2004）；4）公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范（JTG D63-2007）；1.4 一般構造及鋼束布置1.4.1 一般構造結構采用C50混凝土、橋面混凝土鋪裝采用C50防水混凝土。其軸心抗壓強度設計值為Mpa，軸心抗拉強度設計值為 Mpa，彈性模量為Mpa。 橋梁結構的總體布置如圖1-1和圖1-2所示：圖1-1 邊跨25m構造圖圖1-2 中跨35m構造圖 1.4.2 鋼束布置預應力鋼絞線采用高強度低松弛鋼絞線，其標準強度為Mpa，張拉控制應力采用1395 Mpa，彈性模量為Mpa。鋼絞

8、線孔道采用預埋橋梁用塑料波紋管，波紋管外徑D=77mm。預應力筋與管道壁摩擦系數(shù)，管道每米局部偏差對摩擦的影響系數(shù)，預應力鋼絞線松馳系數(shù)0.3。普通鋼筋采用R235、HRB335級。R235抗拉、抗壓強度設計值、均為195Mpa，彈性模量為Mpa。HRB335抗拉、抗壓強度設計值、均為285Mpa，彈性模量為Mpa。結構斷面布置及預應力鋼束布置如圖1-3、1-4和1-5所示：圖1-3 邊跨25m鋼束布置示意圖圖1-4 中跨35m鋼束布置示意圖圖1-5 各斷面鋼束布置示意圖1.5 施工過程 結構采用滿堂支架施工，具體如圖1-6所示。圖1-6 結構施工流程示意圖2 建模分析2.1 模型概述本章以桿

9、系理論為基礎進行全橋整體結構分析，構件類型為A類預應力構件。其設計安全等級為一級，構件制作方法為現(xiàn)澆。采用梁單元建立模型。其中梁單元共計80個，節(jié)點97個，結構離散圖見圖2-1。圖2-1 全橋結構離散圖 結構的邊界條件如圖2-2所示，在實際支座位置建立節(jié)點，而后將主梁節(jié)點與支座頂節(jié)點用“剛性連接”進行連接，而后將支座節(jié)點往下復制20cm，兩者之間用彈性連接模擬支座，最后在支座底節(jié)點用固定支撐進行約束。圖2-2 結構邊界條件示意圖全橋采用整體支架現(xiàn)澆，先在支架上澆筑混凝土，養(yǎng)護至規(guī)定強度后張拉預應力鋼筋，最后進行橋面施工，具體施工階段劃分見表2-1。表2-1 施工階段劃分NO.周期(d)說明13

10、0澆筑中跨混凝土，張拉鋼束；230澆筑邊跨混凝土，張拉鋼束；330橋面鋪裝施工，拆除支架；43650十年收縮徐變；2.2 建模要點2.2.1 定義材料與截面在“模型材料和截面特性材料”中，定義 “C50”的混凝土材料、預應力鋼束材料，如圖2-3所示。在“模型材料和截面特性截面”中，分別定義結構跨中截面與支點截面，如圖2-4所示。圖2-3 結構材料定義示意圖圖2-4 截面定義示意圖注：若要結合規(guī)范進行PSC設計，在定義截面的時候，需要選擇“設計截面”中進行定義，同時對于截面中的“剪切驗算位置”及“驗算用腹板厚度”需要定義，否則會提示“PSC設計數(shù)據(jù)失敗”。 對于跨中截面及支點截面具體參數(shù)如圖2-

11、5所示，最后再定義“支點-跨中”及“跨中-支點”的變截面，具體如圖2-6所示。圖2-5 跨中及支點截面示意圖圖2-6 支點-跨中變截面示意圖2.2.2 定義節(jié)點、單元及邊界條件在程序中可以用交互輸入的方式定義節(jié)點與單元，也可以利用與Excel數(shù)據(jù)交換的功能，建立模型，在此推薦用后面的方式，能大幅提高建模及分析的效率。將Excel表格中的節(jié)點坐標（表2-2所示）數(shù)據(jù)復制后，粘貼在“樹形菜單表格節(jié)點”中，生成相應節(jié)點 如圖2-7所示。表2-2 Excel中節(jié)點坐標表注：導入數(shù)據(jù)的時候，需要保證兩者的單位統(tǒng)一，否則導入后計算出錯。同時對于從CAD中導入平面線型，打開消隱，在midas Civil中顯

12、示是x-y平面上，若要將其調(diào)整至是x-z平面上，可以將“節(jié)點表格”的數(shù)據(jù)，拷入Excel中，而后對y和z的坐標進行互換，而后將修正后的坐標重新粘貼至“節(jié)點表格”中即可。同時還可以利用表格的功能，進行荷載、邊界條件定義，非常方便。圖2-7 模型中節(jié)點坐標連接節(jié)點1和節(jié)點81，建立單元，并交叉分割，生成全橋單元，并賦予相應的截面，最后根據(jù)支座的位置，建立支座的空間節(jié)點，定義相應的邊界條件，見圖2-8所示。圖2-8 定義節(jié)點單元及邊界 注：在端橫梁和中橫梁處，建議不用實心截面進行模擬，用旁邊的空心截面進行模擬，同時實心部分用等效荷載的方式代替；若用實心截面代替，則此處的中性軸有較大的突變，對于計算結

13、果讀取反而有影響，具體說明可以參考公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范（JTG D62-2004）中第4.2.6條的規(guī)定。2.2.3 定義時間依存材料特性在“模型材料和截面特性時間依存材料（徐變/收縮）”中，定義C50混凝土收縮徐變特性，具體如圖2-9所示。圖2-9 定義混凝土收縮徐變特性注：定義收縮徐變時，需要注意標號強度不要輸錯，對于C50混凝土的定義，許多工程師經(jīng)常輸入5000KN/m2，導致后續(xù)計算中出現(xiàn)奇異或警告等信息；同時由于單元的構件理論厚度都不一樣，因此在此先輸入一個非0值，最后利用“修改單元時間依存材料特性”的功能，重新計算構件理論厚度，如圖2-10所示。圖2-10 修改

14、單元的構件理論厚度2.2.4 定義靜力荷載工況在“荷載靜力荷載工況”中，定義荷載工況類型，如圖2-11所示?！笆┕るA段荷載（CS）”僅在施工階段分析時起作用，在成橋階段不起作用。為了避免在進行自動荷載組合時，發(fā)生相同荷載重復作用，建議在施工階段作用的荷載，其荷載類型最好定義為“施工階段荷載（CS）”。圖2-11 定義靜力荷載工況而后分別定義自重，二期，橫梁自重等，溫度等荷載工況，具體數(shù)值詳見模型“連續(xù)梁橋設計”。注：在模型中，在定義整體升降溫和梁截面溫度時，為了防止出現(xiàn)錯誤，建議初始溫度選擇0。對于midas Civil中，混凝土重量為25KN/m3，若要將其改成26KN/m3，可以在自重工況

15、考慮-1.04的系數(shù)，如圖2-12所示。圖2-12 定義自重工況2.2.5 定義預應力荷載在“荷載預應力荷載鋼束特征值”中，定義鋼束特征值，如圖2-13所示。圖2-13 定義鋼束特征值注：定義鋼束特征值時，對于導管直徑不要輸錯，有很多工程師，把導管直徑定義為0.9m，導致計算中出現(xiàn)歧義，容易對計算者產(chǎn)生誤導，檢查邊界條件，而不會注意到鋼束特征值的問題。在“荷載預應力荷載鋼束布置形狀”中，先定義中跨的中腹板鋼束，依據(jù)鋼束線型，選用“直線”，輸入坐標數(shù)據(jù)；而后再將生成好的鋼束，進行左右復制，分別定義中跨邊腹板的鋼束，按同樣的方法，完成邊跨腹板鋼束的定義，如圖2-14所示。注：定義鋼束形狀時，對于無

16、應力場長度，在國外相關規(guī)范中有規(guī)定，若按中國規(guī)范進行分析，可不需定義。圖2-14 定義鋼束形狀在“荷載預應力荷載鋼束預應力荷載”中，定義鋼束的張拉控制應力，對于結構的中跨鋼束，采用兩端張拉，對于邊跨鋼束，采用鋼束連接器進行連接，采用單端張拉，張拉控制應力為1395MPa，具體如圖2-15所示，張拉應力表格數(shù)值如圖2-16所示。圖2-15 定義鋼束張拉控制應力圖2-16 鋼束張拉控制應力表2.2.6 定義移動荷載在“荷載移動荷載分析數(shù)據(jù)移動荷載規(guī)范”中，選擇中國移動荷載規(guī)范，如圖2-17所示。圖2-17 選擇移動荷載規(guī)范在“荷載移動荷載分析數(shù)據(jù)車道”中，定義移動荷載車道，如圖2-18所示。圖2-

17、18 定義移動荷載車道注：在定義車道時，對于單梁模型，選用“車道單元”的方式定義車道；若對于梁格模型，建議用“橫向聯(lián)系梁”的方式定義車道。若采用新規(guī)范進行驗算，“跨度”取全橋最不利跨徑，同時“跨度始點”可不定義。“跨度”有兩個作用，確定車道荷載集中荷載的大??；同時還確定移動荷載的縱向折減系數(shù)大小。在“荷載移動荷載分析數(shù)據(jù)車輛”中，定義“標準車輛荷載”，如圖2-19所示。圖2-19 定義移動荷載標準車輛在“荷載移動荷載分析數(shù)據(jù)移動荷載工況”中，定義移動荷載工況，如圖2-20所示。圖2-20 定義移動荷載工況定義移動荷載工況時，若只有一個荷載子工況，選擇“組合”或“單獨”，對結果沒有影響，當存在兩

18、個子工況時，才會存在差別。在midas Civil中，是對結構進行空間分析，車道按實際車道線進行定義，因此不需要定義橫向分布系數(shù)。若要在程序中采用橫向分布系數(shù)的算法，可以在“子荷載工況”中定義“系數(shù)”進行求解。對于多車道橫向折減系數(shù)，程序按規(guī)范要求提供默認值，特殊情況下，可以手動修改橫向折減系數(shù)，滿足計算要求。2.2.7 定義支座沉降 在“荷載支座沉降分析數(shù)據(jù)支座沉降組”中，定義各支座的沉降量，需要注意，支座的沉降量有矢量性，向下沉降是要定義成負值。最后相應的荷載工況，具體如圖2-21所示。圖2-21 定義支座沉降組2.2.8 定義施工階段 在“模型組”中定義結構組、荷載組、邊界組，并賦予各組

19、實際內(nèi)容，具體如圖2-22所示。圖2-22 定義結構組、邊界組、荷載組 全橋劃分為4個施工階段，具體施工過程如表2-2所示。在“荷載施工階段分析數(shù)據(jù)定義施工階段”，定義各施工階段如圖2-23所示。圖2-23 定義結構施工階段2.2.9 定義結構質量 在“模型結構類型”中，將自重轉化為質量，如圖2-24所示。圖2-24 定義結構質量注：一般的梁橋，第一階振型往往是豎向，這時直接取豎向的一階頻率計算移動荷載沖擊系數(shù)即可；但當支座橫向較小時候，第一階振型可能為水平向，此時若取此頻率值計算沖擊系數(shù)就不合適了，因此為了避免求出水平向的振型，可將自重只轉化為Z向質量。對于是否將“二期鋪裝”轉換為質量加載在

20、結構上，對于公路橋梁，按公路橋梁設計規(guī)范答疑匯編（中交公路規(guī)劃設計院）P60的解釋，不建議將二期鋪裝轉換為質量加載結構上，質量較小，沖擊系數(shù)較大，考慮偏安全設計。2.2.10 定義梁的有效寬度當梁體寬度較大時，需要考慮梁體的有效寬度對應力的影響，可在“模型結構建模助手PSC橋梁”定義箱梁有效寬度。首先定義“模型結構建模助手PSC橋梁跨度信息”，如圖2-25所示。而后定義“模型結構建模助手PSC橋梁有效寬度”，程序可依據(jù)公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范（JTG D62-2004）P16的要求，在邊界條件中，生成相應的折減系數(shù)，具體如圖2-26所示，在最后一個施工階段中，把相應的邊界組激活

21、即可。圖2-25 定義跨度信息圖2-26 生成相應的邊界組2.3 分析控制定義2.3.1 定義施工階段分析控制圖2-27 定義施工階段分析控制 在“分析施工階段分析控制”中，定義施工階段分析控制數(shù)據(jù)，具體如圖2-27所示。2.3.2 定義移動荷載分析控制在“分析移動荷載分析控制”中，定義移動荷載分析控制數(shù)據(jù)，具體如圖2-28所示。圖2-28 定義移動荷載分析控制注：第一次求解時，不知道結構的基頻是多少，可暫時輸入1，運行特征值分析后，再將結構的基頻準確輸入。“影響線加載”適用于公路橋梁加載，“所有點加載”適用于鐵路橋梁加載，同時若要在結果中輸出移動荷載作用下應力，需要勾選“桿系單元應力”。2.

22、3.3 定義特征值分析控制在“分析特征值分析控制”中，定義特征值分析控制數(shù)據(jù)，具體如圖2-29所示。圖2-29 定義特征值分析控制2.3.4 定義主控數(shù)據(jù)在“分析主控數(shù)據(jù)”中，定義特征值分析控制數(shù)據(jù)，具體如圖2-30所示。圖2-30 定義主控數(shù)據(jù)注：可在“主控數(shù)據(jù)”中，控制是否在計算中鋼筋對截面剛度的貢獻；同時對于在應力計算中是否考慮截面剛度調(diào)整系數(shù)，也可進行控制。3 結合規(guī)范進行設計3.1 定義荷載組合在“結果荷載組合”中，選擇“混凝土設計”中的“自動生成”，生成荷載組合，見圖3-1和3-2。圖3-1 定義荷載相關參數(shù)圖3-2 定義荷載相關參數(shù)利用midas Civil自動生成的荷載組合完全

23、與規(guī)范規(guī)定相吻合。若要結合規(guī)范做混凝土設計，程序只調(diào)取“混凝土設計”列表中的荷載組合，然后結合規(guī)范進行設計?！俺休d能力”荷載組合用來進行結構的承載力（正截面抗彎、斜截面抗剪、抗扭等）驗算?！笆褂眯阅堋焙奢d組合不勾選“E”用來進行結構的截面抗裂驗算（對于A類預應力混凝土構件進行正截面抗裂驗算時，要考慮在荷載長期效應組合下的驗算，但此時規(guī)定的荷載長期效應系指結構恒載和直接施加于橋上的活荷載產(chǎn)生的效應組合，不考慮間接施加于橋上其他作用效應。此時程序在驗算時，會自動屏蔽掉間接荷載效應）。 “使用性能”荷載組合勾選“E”（表示彈性驗算荷載組合）用來進行結構的截面抗壓驗算、受拉區(qū)鋼筋的拉應力驗算。3.2

24、定義PSC設計3.2.1 定義PSC設計參數(shù) 在“設計PSC設計PSC設計參數(shù)”中定義PSC設計相關參數(shù)，如圖3-3所示。圖3-3 定義PSC設計參數(shù)3.2.2 定義PSC設計材料在“設計PSC設計PSC設計材料數(shù)”中定義PSC設計相關材料，如圖3-4所示。 注：結合公路橋涵設計通用規(guī)范（JTG D60-2004）進行設計時，混凝土及鋼筋材料必須要選擇JTG04的材料，否則程序會提示PSC設計數(shù)據(jù)失敗。圖3-4 定義PSC設計材料3.2.3 定義PSC設計截面位置在“設計PSC設計PSC設計位置”中定義PSC設計位置，如圖3-5所示。圖3-5 定義PSC設計位置3.2.4 定義PSC設計計算書

25、輸出內(nèi)容在“設計PSC設計PSC設計計算書輸出內(nèi)容”中定義計算書輸出內(nèi)容，如圖3-6所示。圖3-6 定義PSC設計計算書輸出內(nèi)容3.3 PSC設計結果3.3.1 正截面抗彎強度驗算根據(jù)規(guī)范公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范（JTG D62-2004），第5.2.2-5.2.5的規(guī)定，需進行使用階段正截面抗彎強度驗算。圖3-7 正截面抗彎驗算數(shù)值表格圖3-8 最大彎矩包絡圖圖3-9 最小彎矩包絡圖根據(jù)彎矩包絡圖（如圖3-8和圖3-9所示）可知，所有截面的內(nèi)力均小于截面的抗力，滿足規(guī)范要求。3.3.2 斜截面抗剪強度驗算根據(jù)規(guī)范公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范（JTG D62-200

26、4），第5.2.6-5.2.11的規(guī)定，需進行使用階段斜截面抗剪驗算。根據(jù)剪力包絡圖（如圖3-11和圖3-12所示）可知，所有截面的內(nèi)力均小于截面的抗力，滿足規(guī)范要求。圖3-10 斜截面抗剪驗算數(shù)值表格圖3-11 最大剪力包絡圖圖3-12 最小剪力包絡圖3.3.3 抗扭強度驗算根據(jù)規(guī)范公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范（JTG D62-2004），第5.5.1-5.5.6的規(guī)定，需進行使用階段截面抗扭驗算。根據(jù)扭矩包絡圖（如圖3-14所示）可知，所有截面的內(nèi)力均小于截面的抗力，滿足規(guī)范要求。圖3-13 抗扭驗算數(shù)值表格圖3-14 扭矩驗算包絡圖3.3.4 正截面抗裂驗算根據(jù)規(guī)范公路鋼筋混

27、凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范（JTG D62-2004），第6.3.1-1和6.3.2的規(guī)定，需進行使用階段正截面抗裂驗算。規(guī)范規(guī)定：A類預應力混凝土構件，在作用（或荷載）的短期效應的組合下，澆筑構件需滿足；但在長期荷載作用下要滿足。圖3-15 短期應力包絡圖根據(jù)短期荷載效應組合下截面法向拉應力圖（如圖3-15所示）可知，在所有的短期組合中，全橋最大拉應力小于1.855MPa ，滿足規(guī)范要求。圖3-16 長期應力包絡圖根據(jù)長期荷載效應組合下截面法向拉應力圖（如圖3-17所示）可知，在所有長期效應的組合作用下，全橋并未出現(xiàn)拉應力，滿足規(guī)范要求。3.3.5 斜截面抗裂驗算根據(jù)規(guī)范公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范（JTG D62-2004），第6.3.1-2和6.3.3的規(guī)定，需進行使用階段斜截面抗裂驗算。規(guī)范規(guī)定，A類預應力混凝土構件，在作用（或荷載）的短期效應的組合下，澆筑構件需要滿足。圖3