變截面箱梁施工階段及PSC設計例題

1、PSC變截面箱梁施工階段及PSC設計例題北京邁達斯技術有限公司2007年3月19日一、結(jié)構(gòu)描述2二、結(jié)構(gòu)建模4三、分步驟說明41、定義材料和截面特性42、建立上部梁單元并賦予單元截面屬性73、定義結(jié)構(gòu)組并賦予結(jié)構(gòu)組單元信息114、定義邊界組并定義邊界條件125、定義荷載工況和荷載組136、定義施工階段147、分階段定義荷載信息148、分析及后處理查看209、按照JTG D62規(guī)范的要求對結(jié)構(gòu)進行PSC設計21PSC變截面箱梁施工階段及PSC設計例題對于常規(guī)的PSC連續(xù)梁橋我們通?？梢詤⒖冀Ｖ纸⒌哪Ｐ停瑢τ谔厥獾臉蛐突蛴刑厥庖蟮慕Y(jié)構(gòu)我們需要按照一般方法建立有限元模型，施加邊界和荷載進行分

2、析。這個例題主要說如何使用一般方法建立PSC連續(xù)梁橋并定義施工階段進行施工階段分析和按照JTG D62規(guī)范對結(jié)構(gòu)進行設計驗算。一、結(jié)構(gòu)描述這是一座50+62+50的三跨預應力混凝土連續(xù)箱梁橋，這里僅模擬其上部結(jié)構(gòu)。施工方法采用懸臂澆注，跨中截面和端部截面如圖1所示。圖1-1 跨中截面示意圖1-2 支座截面示意橋梁立面圖如圖2所示。圖2 連續(xù)梁立面圖圖3 鋼束布置形狀二、結(jié)構(gòu)建模對于施工階段分析模型，通常采用的建模方法是：1、定義材料和截面特性（包括混凝土收縮徐變函數(shù)定義）；2、建立上部梁單元并賦予單元截面屬性；3、定義結(jié)構(gòu)組并賦予結(jié)構(gòu)組信息；4、建立邊界組并定義邊界條件；5、定義荷載工況和荷載

3、組；6、定義施工階段；7、分階段定義荷載信息（分施工階段荷載和成橋荷載兩部分）；8、分析，分析完成后定義荷載組合進行后處理結(jié)果查看；9、定義設計驗算參數(shù)按照JTG D62對結(jié)構(gòu)進行長短期及承載能力驗算。下面就每個步驟分別詳述如下三、分步驟說明1、定義材料和截面特性本模型中涉及的材料包括混凝土主梁（C40）、預應力鋼絞線（Strand1860）。如下圖4所示。圖4 材料列表通常對于預應力混凝土結(jié)構(gòu)（PSC結(jié)構(gòu)）按照現(xiàn)澆施工時，要考慮混凝土的收縮徐變效應，因此需要在建模前要定義混凝土的收縮徐變函數(shù)，按照如下圖所示定義混凝土收縮徐變函數(shù)。這里輸入非0正值即可，建立模型后通過程序自動修正所有單元的有效

4、厚度。圖5 混凝土收縮徐變函數(shù)定義主梁截面為變截面箱梁，共有兩個控制截面，一個是跨中截面，一是支座位置處截面。以跨中截面和支座處截面定義變截面。截面列表如圖6所示。其中跨中截面和支座截面在前面的結(jié)構(gòu)描述中都有圖示?！翱缰?支座”以及“支座-跨中”的變截面定義通過分別導入跨中截面和支座截面來定義就可以了。如圖6所示。圖6-1 截面列表在變截面I端導入跨中截面，J端導入支座截面圖6-2 跨中-支座段變截面在變截面I端導入支座截面，J端導入跨中截面圖6-3 支座-跨中段變截面2、建立上部梁單元并賦予單元截面屬性建立橋梁模型時，如果要同時進行施工階段分析，要針對施工的特點建立有限元模型，例題中所示結(jié)構(gòu)

5、按照懸臂法施工，懸臂施工段為每段3m，因此在建立模型時考慮按1.5m或3m長度單元建立模型，本例題中主梁是直梁結(jié)構(gòu)，因此建模方式可選性很廣，可以通過擴展單元的方式建立、或者從AutoCAD導入已劃分節(jié)段的主梁中心線、或者通過逐個建立單元的方式，這里采用擴展單元的方式建立一半主梁，然后通過鏡像單元生成另一半主梁。首先在（0,0,0）位置上建立主梁端部節(jié)點，然后通過對該節(jié)點進行擴展生成左半部主梁結(jié)構(gòu)。如下圖所示擴展單元時輸入的間距：63,2,83,2,1,32,1,2,83,1圖7 擴展生成左半邊主梁然后對生成的左半邊主梁進行鏡像生成另一半主梁，如下圖所示，通過選擇反轉(zhuǎn)單元坐標系保證鏡像生成的單元

6、和源單元的單元坐標軸保持一致。圖8 鏡像生成另一半主梁生成全橋單元后，因為由鏡像生成的梁單元的編號順序也是鏡向的，因此要對所有梁單元進行重新編號，以便于后續(xù)的單元選擇（保證單元編號有規(guī)律的連續(xù)性對單元的選擇操作很有幫助）。上述步驟生成全橋單元時使用的是跨中截面，因此對生成的全橋單元應根據(jù)其實際對應的截面信息修改單元的截面信息，可以通過修改單元參數(shù)修改單元信息，也可以通過MIDAS特有的拖放功能賦予單元截面信息，這里以拖放的方式賦予每段單元實際的截面信息。首先選擇支座附近單元，修改其截面類型為“支座”截面，打開單元編號顯示，選擇單元“18to20，43to45”，如下圖通過拖放功能對選擇的單元修

7、改其截面信息拖放：將鼠標放置在樹形菜單“支座截面”處，按住不放將鼠標拖到模型窗口中圖9 拖放功能修改支座附近單元的截面信息同樣的方法，選擇單元“9to17，34to42”，將截面“3：跨中-支座”拖放至模型窗口，得到如下圖所示的模型圖10 修改截面高度由低變高段（跨中-支座）同樣的方法，選擇單元“21to29，46to54”，將截面“4：支座-跨中”拖放至模型窗口，得到如下圖所示的模型圖11修改截面高度由低變高段（支座-跨中）賦予變高梁段變截面信息后，發(fā)現(xiàn)橋梁模型顯示都是鋸齒狀，此時需要將同類的變截面定義為一個變截面組，保證單元截面變化的連續(xù)性。在樹形菜單雙擊“跨中-支座”，在變截面組信息中定

8、義名稱為“跨中-支座”，z軸變化選擇2項式變化，對稱軸為單元組的i端； 圖12-1 變截面組“跨中-支座”定義圖示在樹形菜單雙擊“支座-跨中”，在變截面組信息中定義名稱為“支座-跨中”，z軸變化選擇2項式變化，對稱軸為單元組的j端；3、定義結(jié)構(gòu)組并賦予結(jié)構(gòu)組單元信息結(jié)構(gòu)組名稱及結(jié)構(gòu)組單元信息如下表所示結(jié)構(gòu)組名稱結(jié)構(gòu)組所含單元結(jié)構(gòu)組名稱結(jié)構(gòu)組所含單元左支座處梁段17to21橋梁段2-339 49右支座處梁段42to46橋梁段2-438 50橋梁段1-116 22 橋梁段2-537 51橋梁段1-215 23橋梁段2-636 52橋梁段1-314 24橋梁段2-735 53橋梁段1-413 25橋

9、梁段2-834 54橋梁段1-512 26橋梁段2-933 55橋梁段1-611 27左邊跨合龍段7橋梁段1-710 28跨中合龍段31 32橋梁段1-89 29右邊跨合龍段56橋梁段1-98 30左側(cè)滿堂支架區(qū)段1to6橋梁段2-141 47右側(cè)滿堂支架區(qū)段57to62橋梁段2-240 48所有合龍段7 31 32 56橋梁主梁1to62*注：“左支座處梁段”、“右支座處梁段”、“左側(cè)滿堂支架區(qū)段”、“右側(cè)滿堂支架區(qū)段”還應包括在步驟4中建立的支座節(jié)點。建立好模型后，就可以對執(zhí)行程序自動修改構(gòu)件理論厚度的功能了。如圖選擇所有梁單元，在“模型材料和截面特性修改時間依存材料特性”中選擇修改構(gòu)件理

10、論厚度點擊得到構(gòu)件理論厚度表格 圖13 修改構(gòu)件理論厚度4、定義邊界組并定義邊界條件邊界采用一般支承來模擬，因為截面選擇的是頂對齊，因此需要在梁底支座支承的位置處建立支座節(jié)點，然后將支座節(jié)點和主梁節(jié)點通過彈性連接剛性連接起來。選擇中部節(jié)點19、20、44、45，選擇節(jié)點復制移動，對選擇的兩個節(jié)點向下復制5.9m，生成新節(jié)點6467；選擇邊跨端部節(jié)點1和63，選擇節(jié)點復制移動，對選擇的兩個節(jié)點向下復制3.05m，生成新節(jié)點68、69。（新生成的支座節(jié)點要按照步驟3的注釋中說明的將節(jié)點放置在對應的結(jié)構(gòu)組中。）定義邊界組和邊界信息如下表所示。邊界組名稱支座約束支座與主梁約束一般支承適用支座節(jié)點彈性連

11、接適用節(jié)點支承11111164to67剛性19-64，20-65，44-66，45-67左邊跨01110068剛性1-68右邊跨01110069剛性63-69得到結(jié)構(gòu)的邊界條件如下圖所示*注：約束、荷載及其他模型中內(nèi)容可以在“視圖顯示”中定義顯示，如上述邊界條件的顯示，在顯示菜單中選擇要顯示內(nèi)容進行顯示即可5、定義荷載工況和荷載組荷載工況和荷載組定義如下表所示編號荷載工況名稱荷載類型荷載組說明1自重施工階段荷載 (CS)自重結(jié)構(gòu)自重2預應力施工階段荷載 (CS)鋼束1-0to鋼束1-9鋼束2-0to鋼束2-9合攏段鋼束1to3不同施工階段對于預應力鋼束的預應力3掛籃重施工階段荷載 (CS)掛籃

12、1to9模架移動裝置換算荷載4合攏段掛籃重施工階段荷載 (CS)合攏段掛籃1,2-1,2-2,3模架移動裝置換算荷載6、定義施工階段本模型采用懸臂澆注施工方法，從施工零號塊開始，對稱澆注兩端懸臂段，直至全橋合龍，共分12個施工階段。施工階段信息如下表所示施工階段名稱結(jié)構(gòu)組邊界組荷載組激活鈍化激活鈍化激活鈍化1-零號塊施工左、右支座處梁段支承自重，掛籃1，鋼束1-0，鋼束2-02-懸澆1橋梁段1-1，橋梁段2-1掛籃2，鋼束1-1，鋼束2-1掛籃13-懸澆2橋梁段1-2，橋梁段2-2掛籃3，鋼束1-2，鋼束2-2掛籃24-懸澆3橋梁段1-3，橋梁段2-3掛籃4，鋼束1-3，鋼束2-3掛籃35-懸

13、澆4橋梁段1-4，橋梁段2-4掛籃5，鋼束1-4，鋼束2-4掛籃46-懸澆5橋梁段1-5，橋梁段2-5掛籃6，鋼束1-5，鋼束2-5掛籃57-懸澆6橋梁段1-6，橋梁段2-6掛籃7，鋼束1-6，鋼束2-6掛籃68-懸澆7橋梁段1-7，橋梁段2-7掛籃8，鋼束1-7，鋼束2-7掛籃79-懸澆8橋梁段1-8，橋梁段2-8掛籃9，鋼束1-8，鋼束2-8掛籃810-懸澆9橋梁段1-9，橋梁段2-9合龍段掛籃1、2-1、2-2、3，鋼束1-9，鋼束2-9掛籃911-邊跨合龍左、右邊跨合龍段鋼束1、3，合龍段掛籃1、312-中跨合龍合龍段鋼束2，合龍段掛籃2-1、2-27、分階段定義荷載信息本例題主要模擬

14、5種荷載作用：結(jié)構(gòu)自重、掛籃荷載、預應力荷載、混凝土收縮徐變荷載、公路一級車道荷載。以上5種荷載，除收縮徐變由程序根據(jù)已定義的收縮徐變函數(shù)自動計算外，其他的都要定義荷載信息。下面分述如下1）自重：在荷載中選擇自重，按照下圖指定荷載工況名稱、荷載組、自重系數(shù)添加即可。程序根據(jù)自重系數(shù)、當前施工階段結(jié)構(gòu)模型自動計算結(jié)構(gòu)自重。2）掛籃荷載：主梁合龍前，在懸臂端都有掛籃荷載的作用，由于結(jié)構(gòu)是對稱施工，而且結(jié)構(gòu)本身也是對稱結(jié)構(gòu)，因此施工過程中的等效掛籃荷載也是對稱的。在這里通過節(jié)點荷載來模擬。掛籃作用在懸臂端外2.452m處m處，掛籃換算荷載為10KN及附加彎矩24.52KNm。以第一階段掛籃1為例，定

15、義掛籃荷載如下圖所示選擇顯示第一施工階段，然后選擇兩個零號塊的右端節(jié)點22和47，選擇荷載工況為“模架移動裝置”，荷載組選擇“掛籃1”，添加節(jié)點荷載值Fz=-10KN，My=24.52KNm適用，然后再選擇節(jié)點17和42，選擇荷載工況為“模架移動裝置”，荷載組選擇“掛籃1”，添加節(jié)點荷載值Fz=-10KN，My=-24.52KNm適用。3）預應力荷載：定義預應力荷載分三步驟，鋼束特性值鋼束布置形狀鋼束預應力荷載。鋼束布置形狀只能在基本狀態(tài)下添加，而預應力荷載可以在施工階段添加。例題中的結(jié)構(gòu)頂板和底板均配預應力鋼束，因此涉及兩種鋼束特性值，如下圖所示鋼束布置形狀首先定義一對頂板束和一對底板束作為

16、標準鋼束，其他位置的鋼束通過鋼束的復制移動功能生成。將第一施工階段頂板束作為頂板的標準束。底板束采用第11階段邊跨合龍時的左側(cè)底板束作為底板標準束。*注：只有“單元”類型鋼束支持復制移動鋼束時重新分配單元以及根據(jù)分配單元長度自動調(diào)整鋼束長度的功能。所以選擇鋼束坐標軸為“單元”類型，方便使用鋼束的復制移動功能建立其他鋼束形狀。其他鋼束形狀的建立通過鋼束復制移動建立，復制鋼束時最重要的是要保證鋼束位置準確。頂板束1-2：在鋼束布置形狀中選擇鋼束“頂板束1-1”，建立第二階段頂板束*注：如果選擇了“自動調(diào)整鋼束長度”功能，程序根據(jù)重新分配單元的長度通過調(diào)整鋼束的直束部分來調(diào)整建立新鋼束。然后對復制生

17、成的鋼束名稱更名為頂板束01-02。重新分配單元編號可通過查看每個施工階段主梁段的單元編號即可。對于頂板上的鋼束形狀可以通過復制功能很快的生成，鋼束復制移動的時候可以一次復制或移動生成多根鋼束，以頂板束01-01為例，以此鋼束為源鋼束，可以一次性生成主梁頂部所有靠近主梁右側(cè)的鋼束。如下圖所示選擇多組重新分配單元和對應的單元插入點添加即可一次性定義多根鋼束布置形狀。對于生成的鋼束程序自動生成鋼束名稱，如果需要改動可以在鋼束布置形狀特性值里修改鋼束名稱。在復制底板束時，僅通過對源鋼束形狀的復制移動對于變高度梁單元的底板束是不足的，還需要使用鋼束布置形狀中的另一項功能，即程序根據(jù)底板變化形狀自動調(diào)整

18、鋼束在x向的布置形狀。顯然底板鋼束布置形狀在右側(cè)深入主梁內(nèi)部的z向位置偏上，需要按照底板的變化向下彎曲。對上述定義好的底板束中，鋼束深入到變截面單元10及其后面單元的鋼束，其形狀需作改動，改動方式如下圖所示，定義好鋼束布置形狀后，就可以定義鋼束預應力荷載了，這項內(nèi)容建議在施工階段執(zhí)行。如第一施工階段要張拉零號塊頂板兩根鋼束，在階段顯示第一施工階段，然后選擇荷載預應力荷載鋼束預應力，荷載工況選擇“預應力”，荷載組選擇鋼束1-0，如下圖所示4）公路一級車道荷載：按照“選擇移動荷載規(guī)范定義車道定義車道定義移動荷載工況”的順序定義移動荷載。移動荷載屬于成橋荷載，必須在基本狀態(tài)下定義。在定義車道時，可以指定車輪間距，來模擬車輛或車道的三維布載形式，如果車輪間距輸入為0，則該荷載即為規(guī)范規(guī)定的等效二維荷載。注：圖中綠色圓點標志即為荷載加載位置，程序默認在單元的二分點上加載，如果增大要求加載密度，可以在“分析移動荷載分析控制選項”中的加載位置處進行調(diào)整。8、分析及后處理查看定義好以上各項荷載后，就可以選擇執(zhí)行分析了，但在進行分析計算之前，首先要在主菜單分析中定義相應的分析控制選項，這里要定義的是移動荷載分析控制選項和施工階段分析控制選項，前者包括定義移動荷載分析輸出內(nèi)容和沖擊系數(shù)計算方法，后者包括施工階段分析 的各項參數(shù)。在查看后