midas施工階段分析

1、本例題使用一個簡單的兩跨連續(xù)梁模型（圖1）來重點介紹MIDAS/Civil的施工階段分析功能、鋼束預應力荷載的輸入方法以及查看分析結果的方法等。主要包括分析預應力混凝土結構時定義鋼束特性、鋼束形狀、輸入預應力荷載、定義施工階段等的方法，以及在分析結果中查看徐變和收縮、鋼束預應力等引起的結構的應力和內力變化特性的步驟和方法。圖1. 分析模型橋梁概況及一般截面分析模型為一個兩跨連續(xù)梁，其鋼束的布置如圖2所示，分為兩個階段來施工。橋梁形式：兩跨連續(xù)的預應力混凝土梁橋梁長度：L = 230 = 60.0 m區(qū) 分鋼束坐標x (m)0122430364860鋼束1z (m)1.50.22.61.8鋼束2

2、z (m)2.02.80.21.51.5 m0.2 m0.2 0.2 m3 m2 m圖2. 立面圖和剖面圖預應力混凝土梁的分析步驟預應力混凝土梁的分析步驟如下。1. 定義材料和截面2. 建立結構模型3. 輸入荷載恒荷載鋼束特性和形狀鋼束預應力荷載4. 定義施工階段5. 輸入移動荷載數據6. 運行結構分析7. 查看結果使用的材料及其容許應力q 混凝土設計強度：初期抗壓強度：彈性模量：Ec=3,000Wc1.5 fck+ 70,000 = 3.07×105kgf/cm2容許應力： 容許應力預應力作用后（瞬間）預應力損失發(fā)生后（最終）抗 拉抗 壓q 預應力鋼束 (KSD 7002 SWPC

3、 7B-15.2mm (0.6strand)屈服強度： 抗拉強度： 截面面積： 彈性模量： 張 拉 力： fpi=0.7fpu=133kgf/mm2錨固裝置滑動： 磨擦系數： 容許應力張拉時的最大應力錨固瞬間()應力損失后使用狀態(tài)荷載q 恒荷載自重 在程序中按自重輸入q 預應力鋼束(15.2 mm×31 (0.6- 31)截面面積 : Au = 1.387 × 31 = 42.997 cm2孔道直徑 : 133 mm張拉力 : 抗拉強度的70%fpj = 0.7 fpu = 13,300 kgf/cm2Pi = Au × fpj = 405.8 tonf張拉后的瞬

4、間損失（程序自動計算）摩擦損失 :, 錨固裝置滑動引起的損失 : 彈性收縮引起的損失 : 損失量 最終損失（程序自動計算）鋼束的松弛（Relaxation）徐變和收縮引起的損失q 徐變和收縮條件水泥 : 普通硅酸鹽水泥長期荷載作用時混凝土的材齡 : 5天混凝土與大氣接觸時的材齡 : 3天相對濕度 : 大氣或養(yǎng)護溫度 : 適用規(guī)范 : CEB-FIP徐變系數 : 程序計算混凝土收縮變形率 : 程序計算q 活荷載適用規(guī)范：城市橋梁設計荷載規(guī)范荷載種類：C-AL C-AD(20)設置操作環(huán)境打開新文件(新項目)，以 PSC beam 為名保存(保存)。將單位體系設置為 tonf和m。該單位體系可根據

5、輸入數據的種類任意轉換。File / New ProjectFile / Save ( PSC beam )² 單位體系還可以通過點擊畫面下端狀態(tài)條的單位選擇鍵()來進行轉換。Tools / Unit System ²Length> m ; Force>tonf ¿圖3. 設置單位體系定義材料和截面下面定義PSC beam所使用的混凝土和鋼束的材料特性。Model / Properties / Material² 同時定義多種材料特性時，使用鍵可以連續(xù)輸入。Type>Concrete ; Standard>KS-civil(RC)

6、DB>C400 ¿ ²Name ( Tendon ) ; Type>User Defined ; Standard>NoneAnalysis DataModulus of Elasticity (2.1e7) ¿圖4. 定義材料對話框定義截面PSC beam的截面使用比較簡單的矩形截面來定義。Model / Properties / SectionDB/User> Section ID ( 1 ) ; Name (Beam) Section Type>Solid Rectangle> UserH ( 3 ) ; B ( 2 )

7、Offset>Center-Bottom ¿圖5. 定義截面的對話框定義材料的時間依存性并連接為了考慮徐變、收縮以及抗壓強度的變化，下面定義材料的時間依存特性。材料的時間依存特性參照以下數據來輸入。Ø 28天強度 : fck = 400 kgf/cm2 Ø 相對濕度 : RH = 70 %Ø 理論厚度 : 1.2m ( 2Ac / u= 2 x 6 / 10 = 1.2 )Ø 混凝土種類 : 普通水泥 (N.R)Ø 拆模時間 : 3天Model / Property / Time Dependent Material(Creep

8、 & Shrinkage)Name (Creep/Shrinkage) ; Code>CEB-FIPCompressive strength of concrete at the age of 28 days (4000)Relative humidity of ambient environment (40 99) (70) ² 截面形狀比較復雜時，可使用模型>材料和街面特性值>修改單元材料時間依存特性 的功能來輸入h值。Notational size of member (1.2) ² Type of cement>Normal or r

9、apid hardening cements (N, R) Age of concrete at the beginning of shrinkage (3) ¿ 圖6. 定義材料的徐變和收縮特性混凝土澆筑后隨時間變化而逐漸硬化，時間越長其強度越大。本例題根據CEB-FIP所規(guī)定的混凝土強度發(fā)展函數考慮了混凝土的這一特性。 Model / Property / Time Dependent Material(Comp. Strength)Name (Comp.Strength) ; Type>Code Development of Strength>Code>CEB

10、-FIPConcrete Compressive Strength at 28 Days (S28) (4000) Cement Type(a) (N, R : 0.25) ¿圖7. 定義隨時間變化的混凝土強度發(fā)展函數參照圖8將一般材料特性和時間依存材料特性相連接。即，將時間依存材料特性賦予相應的材料。Model / Property / Time Dependent Material LinkTime Dependent Material Type>Creep/Shrinkage>Creep/Shrinkage Comp. Strength>Comp. Stren

11、gthSelect Material for Assign>Materials>1:C400 Selected Materials 圖8. 連接時間依存材料特性建立結構模型利用建立節(jié)點和擴展單元的功能來建立單元。 Point Grid(off) ; Point Grid Snap(off) ; Line Grid Snap(off) Front View ; Auto Fitting Model>Nodes> Create NodesCoordinates (0,0,0) Model>Elements> Extrude Elements Select All

12、Extrude Type>Node à Line Element.Element Type>Beam ; Material>1:C400 ; Section> 1: BeamGeneral Type>Translate Translation>Equal Distance>dx,dy,dz>(2, 0, 0) Number of Times>(30) ¿圖9. 建立幾何模型定義結構組、邊界條件組和荷載組為了進行施工階段分析，將在各施工階段(construction stage)所要激活和鈍化的單元和邊界條件定義為組，并利

13、用組來定義施工階段。C Group>Structure Group >NewDefine Structure Group>Name ( S-G ) ; Suffix ( 1to2 ) ² 為了利用 橋梁內力圖 功能查看分析結果而將其定義為組。 Define Structure Group>Name ( All ) ² Element Number (on) Select Window (Elements : 1 to 18)Group>Structure Group>S_G1 (Drag & Drop) Select Window

14、 (Elements : 19 to 30)Group>Structure Group>S_G2 (Drag & Drop) Select AllGroup>Structure Group>All (Drag & Drop)Drag & DropS-G2S-G1圖10. 定義結構組(Structure Group) 新建邊界組邊界組名稱的建立方法如下。C Group>Boundary Group >NewDefine Boundary Group>Name ( B-G ) ; Suffix ( 1to2 ) 圖11. 建立邊界組

15、(Boundary Group)新建荷載組恒荷載組和預應力荷載組名稱的新建方法如下。C Group>Load Group >NewDefine Load Group>Name ( Selfweight ) Define Load Group>Name ( Tendon ) ; Suffix ( 1to2 ) 圖12. 建立荷載組(Load Group) 輸入邊界條件邊界條件的輸入方法如下。 Element Number (off) ; Node Number (on)Model / Boundary / SupportsSelect Single (Nodes : 1)

16、Boundary Group Name>B-G1Options>AddSupport Type> Dy, Dz, Rx (on) ¿ Select Single (Nodes : 16)Boundary Group Name>B-G1Options>AddSupport Type>Dx, Dy, Dz, Rx (on) ¿ Select Single (Nodes : 31)Boundary Group Name>B-G2Options>AddSupport Type> Dy, Dz, Rx (on) ¿圖13

17、. 定義邊界條件輸入荷載本例題針對恒荷載和預應力荷載進行施工階段分析。移動荷載分析則需另行輸入移動荷載數據。 Load / Static Load CasesName (恒荷載)Type (Construction Stage Load) ¿Name (Prestress 1)Type (Construction Stage Load) ¿Name (Prestress 2)Type (Construction Stage Load) ¿圖14. 輸入靜力荷載工況的對話框輸入恒荷載使用 自重 功能輸入恒荷載。Load / Self WeightLoad Case

18、Name > 恒荷載Load Group Name > SelfweightSelf Weight Factor > Z (-1)圖15. 輸入恒荷載輸入鋼束特性值Load/ Prestress Loads / Tendon PropertyTendon Name ( Tendon ) ; Tendon Type>InternalMaterial>2: Tendon Total Tendon Area (0.0042997) or Tendon Area>15.2mm(0.6) ² 當鋼束施加張拉力，維持其一定的應變時，作用到鋼束上的張拉應力隨時間

19、的推移逐漸減小，這個現(xiàn)象稱之為松弛(Relaxation)。MIDAS/Civil采用Magura公式來考慮鋼束的松弛。松弛系數為該式中與鋼材有關的常數，一般鋼材取值為10，低松弛鋼材取值45。詳見用戶手冊Analysis for Civil Structures的“預應力損失”。Number of Tendon Area ( 31 ) ¿Duct Diameter (0.133) ; Relaxation Coefficient (45)²Curvature Friction Factor (0.3) ; Wobble Friction Factor (0.0066)Ul

20、timate Strength (190000) ; Yield Strength (160000)Load Type>Post-Tension Anchorage Slip>Begin (0.006) ; End (0.006) ¿圖16. 輸入鋼束特性值輸入鋼束形狀首先輸入第一跨的鋼束形狀。 Hidden(on) ; Element Number (on) ; Node Number (off)Model / Loads / Prestress Loads / Tendon ProfileTendon Name (Tendon 1) ; Tendon Property

21、>Tendon Select Window (Elements : 1 to 18)Straight Length of Tendon>Begin (0) ; End (0)² 鉤選固定(fix)的話該點的斜率為所輸入的值，若不選則生成擁有適當斜率的曲線。Profile1>x ( 0 ), y ( 0 ), z ( 1.5 ), fix (off)²2>x ( 12 ), y ( 0 ), z ( 0.2 ), fix (on), Ry ( 0 ), Rz ( 0 )3>x ( 30 ), y ( 0 ), z ( 2.6 ), fix (on

22、) , Ry ( 0 ), Rz ( 0 )4>x ( 36 ), y ( 0 ), z ( 1.8 ), fix (off)Tendon Shape>StraightProfile Insertion Point ( 0, 0, 0)²X Axis Direction>X ¿圖17. 定義鋼束形狀下面輸入第二跨的鋼束布置形狀。Model / Loads / Prestress Loads / Tendon ProfileTendon Name (Tendon 2) ; Tendon Property>Tendon Select Window (El

23、ements : 13 to 30)Straight Length of Tendon>Begin (0) ; End (0)Profile1>x ( 24 ), y ( 0 ), z ( 2 ), fix (off)2>x ( 30 ), y ( 0 ), z ( 2.8 ), fix (on), Ry ( 0 ), Rz ( 0 )3>x ( 48 ), y ( 0 ), z ( 0.2 ), fix (on) , Ry ( 0 ), Rz ( 0 )4>x ( 60 ), y ( 0 ), z ( 1.5 ), fix (off)Tendon Shape&g

24、t;StraightProfile Insertion Point ( 0, 0, 0)X Axis Direction>X ¿圖18. 定義第二跨的鋼束布置形狀下面按如下方法確認所輸入的鋼束的形狀。 Element Number (off) Display>Misc tab>Tendon Profile (on)>Name(on) ; Point (on) ¿圖19. 確認輸入的鋼束形狀輸入鋼束預應力荷載定義完鋼束的形狀后，在各施工階段施加相應的預應力荷載。Load/ Prestress Loads / Tendon Prestress Loads

25、Load Case Name>Prestress 1 ; Load Group Name>Tendon 1² 選擇兩端張拉時的先張拉端。 Tendon> Tendon 1 Selected TendonsStress Value>Stress ; 1st Jacking>Begin²Begin (133000 ) ; End (133000 ) ² 定義對鋼束孔道注漿的施工階段。注漿前的應力按實際截面計算，注漿后按組合成的截面來計算。在注漿中輸入了1意味著在張拉鋼束之后的施工階段注漿。Grouting : after ( 1 )

26、78; 圖20. 輸入預應力荷載輸入鋼束2的預應力荷載。Load/ Prestress Loads / Tendon Prestress LoadsLoad Case Name>Prestress 2 ; Load Group Name>Tendon 2Tendon> Tendon 2 Selected TendonsStress Value>Stress ; 1st Jacking>BeginBegin (133000 ) ; End (133000 ) Grouting : after ( 1 ) 圖21. 輸入預應力荷載定義施工階段本例題的施工階段如表1所示

27、。表1. 各施工階段的結構組、邊界組和荷載組施工階段持續(xù)時間(天)結構組邊界組荷載組激活鈍化激活鈍化激活鈍化CS120S-G 1B-G 1恒荷載Tendon 1CS220S-G 2B-G 2Tendon 2CS310000Load / Construction Stage Analysis Data / Define Construction Stage圖22. 施工階段輸入窗口施工階段分析模型的階段是由基本、施工階段、最后階段組成的。基本階段是對單元進行添加或刪除、定義材料、截面、荷載和邊界條件的階段，可以說與實際施工階段分析無關，且上述工作只能在基本階段進行。施工階段是進行實際施工階段分析

28、的階段，在這里可以更改荷載狀況和邊界條件。最后階段是對除施工階段荷載以外的其他荷載進行分析的階段，在該階段可以將一般荷載的分析結果和施工階段分析的結果進行組合。最后階段可以被定義為施工階段中的任一階段。下面定義施工階段1(CS1)。Load / Construction Analysis Control Data / Define Construction StageName ( CS 1 ) ; Duration ( 20 )Save Result>Stage(on) ; Additional Step(on)Additional Step>Auto Generation>

29、Step Number (5)Element tabGroup List>S-G1Activation>Age ( 5 ) ; Boundary tabGroup List> B-G1Activation>Support / Spring Position>Deformed ; Load tabGroup List> Selfweight, Tendon 1Activation>Active Day>First ; ¿圖23. 定義施工階段1(CS1) 定義施工階段2(CS2)。Load / Construction Analysis

30、Control Data / Define Construction StageName ( CS 2 ) ; Duration ( 20 )Save Result>Stage(on) ; Additional Step(on)Additional Step>Auto Generation>Step Number (5) Element tabGroup List>S-G2Activation>Age ( 5 ) ; Boundary tabGroup List>B-G2Activation>Support / Spring Position>D

31、eformed ; Load tabGroup List>Tendon 2Activation>Active Day>First ; ¿圖24. 定義施工階段2(CS2)下面定義施工階段3(CS3)。在施工階段3中結構體系、邊界條件、荷載沒有變化，只是進行持續(xù)時間為10,000天的時間依存性分析。Load / Construction Analysis Control Data / Define Construction StageName ( CS 3 ) ; Duration ( 10000 )Save Result>Stage(on) ; Additio

32、nal Step(on)Additional Step>Auto Generation>Step Number (15) ¿圖25. 定義施工階段3(CS3) 完成建模和定義施工階段后，在施工階段分析選項中選擇是否考慮材料的時間依存特性和彈性收縮引起的鋼束應力損失，并指定分析徐變時的收斂條件和迭代次數。² 最后階段可指定為任一階段，通過選擇其它階段來指定。Analysis / Construction Stage Analysis ControlFinal Stage>Last Stage ²Analysis Option>Include

33、Time Dependent Effect (on)Time Dependent EffectCreep Shrinkage (on) ; Type>Creep & ShrinkageConvergence for Creep IterationNumber of Iteration ( 5 ) ; Tolerance ( 0.01 )² 選擇“自動分割時間”的話，程序會對持續(xù)一定時間以上的施工階段，在內部自動生成時間步驟來考慮長期荷載的效果。Auto Time Step Generation for Large Time Gap (on) ²Tendon T

34、ension Loss Effect (Creep & Shrinkage) (on)Variation of Elasticity (on) Tendon Tension Loss Effect (Elastic Shortening) (on) ¿圖26. 指定施工階段分析選項輸入移動荷載數據在施工階段分析中，對于沒有將類型定義為施工階段荷載的一般靜力荷載或移動荷載的分析結果，可在最后階段進行查看。本例題將在最后階段查看對于移動荷載的分析結果。Load / Moving Load Analysis Data / Traffic Line Lanes Lane Name (

35、 Lane1 ) ² 該項為移動荷載加載方向的選項。 Vehicle Load Distribution>Lane ElementMoving Direction>Both ²Eccentricity ( 0 )² 輸入數據時也可輸入數式。Impact Factor ( 15/(40+30) ) ²Selection by>2 Points ( 1, 31 )8 ¿圖27. 定義車道輸入車輛荷載輸入數據庫中內含的標準車輛荷載C-AL和C-AD(20)。荷載 / 移動荷載分析數據 / 車輛² 標準車輛荷載數據庫中未包含

36、的荷載可通過用戶定義來輸入。車輛 > 添加標準車輛 ²標準車輛荷載 > 規(guī)范名稱 > 中國城市橋梁荷載(CJJ77-98)車輛荷載名稱 > C-AL ¿ ; C-AD(20) ¿圖28. 輸入車輛荷載本例題中不考慮C-AL和C-AD(20)荷載同時在多條車道加載的情況，故在這里不定義車輛組。下面輸入移動荷載工況。Load / Moving Load Analysis Data / Moving Load CasesLoad Case Name ( Moving Load ) Sub-Load Cases>Vehicle Class&g

37、t;VL: C-AL Min. Number of Loaded Lanes ( 0 )Max. Number of Loaded Lanes ( 1 )List of Lanes>Lane1 Selected Lane> Lane1Sub-Load Cases>Vehicle Class>VL: C-AD(20) Min. Number of Loaded Lanes ( 0 )Max. Number of Loaded Lanes ( 1 )List of Lanes>Lane1 Selected Lane> Lane1圖29. 移動荷載工況的輸入窗口圖

38、30. 定義移動荷載工況運行結構分析建模、定義施工階段全部輸入結束后，運行結構分析。 Analysis / Perform Analysis查看分析結果對于MIDAS/Civil² 參照聯(lián)機幫助的 “階段/步驟時程圖形”。² 參照聯(lián)機幫助的 “橋梁內力圖”。施工階段分析的結果，可查看到某一施工階段為止所累積的全部構件的應力和位移²，也可查看某一單元隨施工階段的應力和位移的變化。²利用圖形查看應力和構件內力利用橋梁內力圖 查看施工階段1(CS 1)中截面下緣的應力。Stage>CS1Results / Bridge Girder Stress Dia

39、gram² 合計是對于自重、恒荷載、徐變和收縮、鋼束等分析結果的和。Load Cases/Combinations>CS: Summation (on) ² ; Step>Last StepDiagram Type >Stress ; X-Axis Type>DistanceBridge Girder Elem. Group>AllComponents to combine組合(on) ; 3(+y, -z)Allowable Stress Line>Draw Allowable Stress Line (on)Tens. ( 320 )

40、 ¿圖31. 施工階段1(CS1)中下緣應力曲線利用橋梁內力圖 查看在各施工階段所發(fā)生的最大、最小應力。 Stage>Min/MaxResults / Bridge Girder Stress DiagramLoad Cases/Combinations>CSmax: Summation (on) CSmin: Summation (on)Diagram Type >Stress ; X-Axis Type>DistanceBridge Girder Elem. Group>AllComponents to combine組合(on) ; 3(+y, +

41、z)Allowable Stress Line>Draw Allowable Stress Line (off) ¿Stage>Min/MaxResults / Bridge Girder Stress DiagramLoad Cases/Combinations>CSmax: Summation (on) CSmin: Summation (on)Diagram Type >Stress ; X-Axis Type>DistanceBridge Girder Elem. Group>AllComponents to combine組合(on) ;

42、 3(+y, -z)Allowable Stress Line>Draw Allowable Stress Line (off) ¿想詳細查看應力曲線的某一特定區(qū)域的結果時，只要用鼠標框選該區(qū)域就可將其放大。點擊鼠標右鍵選擇恢復到初始畫面 即可回到原來狀態(tài)。Drag圖32. 在整個施工階段發(fā)生的最大、最小應力圖下面查看由徐變和收縮引起的彎矩。由徐變和收縮引起的彎矩按一次應力和二次應力分別輸出。 由于徐變系數和收縮促使結構發(fā)生變形的力叫一次應力。而當結構處于超靜定狀態(tài)時，結構會產生約束上述變形的約束力，這種力叫二次應力。Stage>CS3Results / Bridge G

43、irder Stress DiagramLoad Cases/Combinations>CS: C&S Primary (on) CS: C&S Secondary (on)Step>Last StepDiagram Type >Moment ; X-Axis Type>DistanceBridge Girder Elem. Group>AllComponents to combine>-SbzGeneration Option>Current Stage-Step ¿圖33. 由徐變和收縮引起的彎矩定義荷載組合對于未定義成為

44、施工階段荷載的其他荷載，將在最后施工階段進行結構分析，并對其結果進行組合。在這里將與移動荷載的分析結果進行組合，查看其容許應力(Com1)，而且會定義施工階段荷載的分項系數來查看其極限強度(Com2)。荷載組合的定義步驟如下。² 荷載組合的定義和刪除只能在基本階段和最后階段進行，故需將階段轉換為最后階段。Stage>PostCS²Results / CombinationsActive (on) ; Name ( Com1 ) ; Type>AddLoad Case>Summation(CS) ; Factor ( 1.0 )Load Case>Mo

45、ving load(MV) ; Factor ( 1.0 )Active (on) ; Name ( Com2 ) ; Type>AddLoad Case>Self Weight(CS) ; Factor ( 1.3 )Load Case>Tendon Secondary(CS) ; Factor ( 1.0 )Load Case>C/S Secondary(CS) ; Factor ( 1.3 )Load Case>Moving load(MV) ; Factor ( 2.15 )圖34. 定義荷載組合利用荷載組合查看應力在最后施工階段查看施工階段分析結果和移動

46、荷載分析結果疊加起來的應力圖形。Stage>PostCSResults / Bridge Girder Stress DiagramLoad Cases/Combinations>CSmax: Com1 (on) ; CSmin: Com1 (on)Diagram Type >Stress ; X-Axis Type>DistanceBridge Girder Elem. Group>AllComponents to combine組合 (on) ; 3(+y, +z)Allowable Stress Line>Draw Allowable Stress L

47、ine (off) ¿Components to combine組合 (on) ; 3(+y, -z)Allowable Stress Line>Draw Allowable Stress Line (off) ¿圖35. 施工階段荷載和移動荷載疊加的應力圖利用階段/步驟時程圖形 來查看受正、負彎矩的部位在各施工階段的應力變化。 ² 階段/步驟時程圖形在模型窗口并處于施工階段才能被激活。Model View ²Results / Stage/Step History GraphDefine Function>Beam Force/Stress Beam Force/Stress>Nam