MIDAS懸索橋分析功能使用說明

1、MIDAS/Civil懸索橋分析功能使用時的一些注意事項1)使用MIDAS/Civil分析懸索橋的基本操作步驟a) 定義主纜、主塔、主梁、吊桿等構(gòu)件的材料和截面特性；b) 打開主菜單“模型/結(jié)構(gòu)建模助手/懸索橋”，輸入相應(yīng)參數(shù)(各參數(shù)意義請參考聯(lián)機幫助的說明以及下文中的一些內(nèi)容)；c) 將建模助手的數(shù)據(jù)另存為“*.wzd”文件，以便以后修改或確認；d) 運行建模助手后，程序會提供幾何剛度初始荷載數(shù)據(jù)和初始單元內(nèi)力數(shù)據(jù)，并自動生成“自重”的荷載工況；e) 對模型根據(jù)實際狀況，對單元、邊界條件和荷載進行一些必要的編輯后，將主纜上的各節(jié)點定義為更新節(jié)點組，將塔頂節(jié)點和跨中最低點定義為垂點組；f) 定

2、義懸索橋分析控制數(shù)據(jù)后運行。運行過程中需確認是否最終收斂。運行完了后程序會提供平衡單元節(jié)點內(nèi)力數(shù)據(jù)；g) 刪除懸索橋分析控制數(shù)據(jù)，將所有結(jié)構(gòu)、邊界條件和荷載都定義為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)組、邊界組和荷載組，定義一個一次成橋的施工階段，在施工階段對話框中選擇“考慮非線性分析/獨立模型”，并勾選“包含平衡單元節(jié)點內(nèi)力”；h) 運行分析后查看該施工階段的位移是否接近于0以及一些構(gòu)件的內(nèi)力是否與幾何剛度初始荷載表格或者平衡單元節(jié)點內(nèi)力表格的數(shù)據(jù)相同；i) 各項結(jié)果都滿足要求后即可進行倒拆施工階段分析或者成橋狀態(tài)的各種分析；j) 詳細計算原理請參考技術(shù)資料用MIDAS做懸索橋分析。2)建模助手中選擇三維和不勾選三維

3、的區(qū)別？a) 勾選三維就是指按空間雙索面來計算懸索橋，需要輸入橋面的寬度，輸入的橋面系荷載將由兩個索面來承擔(dān)；b) 不勾選三維時，程序?qū)⒔o建立單索面的空間模型，不需輸入橋面的寬度，輸入的橋面系荷載將由單索面來承擔(dān)。3)建模助手中主梁和主塔的材料、截面以及重量是如何考慮的？a) 因為索單元必須考慮自重，因此建模助手分析中對于主纜和吊桿的自重，程序會自動考慮；b) 但在建模助手中主梁和主塔的材料和截面并不介入分析，程序只是根據(jù)輸入的幾何數(shù)據(jù)，給建立幾何模型，以便進行下一步的懸索橋精密分析。即，程序不會根據(jù)定義的主梁的材料和截面自動計算自重并參與分析，用戶需要根據(jù)成橋狀態(tài)時的橋面系荷載(如，主梁自重

4、、二期恒載等)，在建模助手對話框中按線荷載或節(jié)點荷載來具體輸入；c) 之后在進行懸索橋精密分析時，對于主梁的自重則將根據(jù)材料的容重以及截面面積來計算，對于二期恒載用戶可按梁單元荷載等形式進行定義；d) 注意：建模助手中輸入的橋面系荷載值須等于懸索橋精密分析時考慮的各荷載工況對于橋面系作用的荷載總和(例如等于按主梁自重計算的線荷載加上二期恒載梁單元線荷載)。4）為什么靠近主塔處的兩根吊桿的初始內(nèi)力比別的吊桿大？a） 在建模助手中，對于輸入的橋面系荷載（線荷載）是由吊桿來承擔(dān)的。各吊桿承受的荷載大致是線荷載與吊桿間距的乘積（如果單索面承受荷載的話）；b） 在主塔處由于沒有吊桿，與主塔處相鄰的吊桿需

5、要承受的荷載為線荷載與1.5倍的吊桿間距的乘積，因此會較大；c） 如果成橋的結(jié)構(gòu)在主塔與主梁的連接處，主塔對主梁有支承作用，則上述方法求出的主塔處吊桿的初始內(nèi)力是不合理的；d） 此時可以在建模助手中通過勾選“加勁梁端到塔墩中心線的距離”，輸入G1和G2的值（吊桿到主塔距離的1/2）來處理。但在進行懸索橋精密分析前，需要用戶建立該處的主梁單元，并對主塔和主梁的支承關(guān)系進行定義；e） 除了方法d）,還可以通過按點荷載的方式輸入橋面系荷載的方式來處理（勾選建模助手對話框中“橋面系單位重量詳細-”）。對于吊桿間距不等或者邊跨最外側(cè)吊桿受力大小要調(diào)整時，使用此方法更容易實現(xiàn)一些。5）懸索橋分析控制中的“

6、主纜內(nèi)力水平分量”有什么意義，如何使用？a） 對于地錨式懸索橋橋面系的荷載確定后，主纜內(nèi)力的水平分量理論上是一定的。但根據(jù)橋梁的實際情況，對于主梁吊裝連接后施加的二期恒載，主梁也會承受一部分彎矩，這時主纜上的水平分量會發(fā)生一些變化；b） 對于自錨式懸索橋，橋面系的荷載一部分是由主纜承擔(dān)，一部分是由主梁承擔(dān)的。因此根據(jù)主纜和主梁的荷載分配比率，自錨式懸索橋的成橋狀態(tài)可以有很多不同的解；c） 設(shè)計人員可以通過調(diào)整懸索橋分析控制中的“主纜內(nèi)力水平分量”，來參與確定主纜和主梁所承受荷載的比率；d） 在第一步懸索橋建模組手對話框輸入所有參數(shù)后，點擊右下角的“實際形狀”或者“更新或重畫”的話，下端會顯示當(dāng)

7、前結(jié)構(gòu)的主纜內(nèi)力水平分量。在懸索橋分析控制中輸入的主纜內(nèi)力水平分量需是在結(jié)構(gòu)合理受力狀態(tài)范圍內(nèi)的值，可參考第一步中顯示的結(jié)果取值，不能隨便輸入。6）運行懸索橋分析控制后，在分析信息中會顯示類似下面信息，其具體代表什么意義?NONLINEARSTATICLOADCASE:1INCREMENTNO.:1INCREMENTNO.:1INCREMENTNO.:1INCREMENTNO.:1INCREMENTNO.:1INCREMENTNO.:1INCREMENTNO.:1ITERATIONNO.:1ITERATIONNO.:2ITERATIONNO.:3ITERATIONNO.:4ITERATIONN

8、O.:5ITERATIONNO.:6ITERATIONNO.:7DISPL.NORM:0.100E+01DISPL.NORM:0.361E+00DISPL.NORM:0.156E+00DISPL.NORM:0.734E-01DISPL.NORM:0.353E-01DISPL.NORM:0.176E-01DISPL.NORM:0.844E-02ITERATIONNO:2CONVERGENCERATIO:0.43322E+00a) "INCREMENTNO.:1"：是指荷載增幅步數(shù)。b) "ITERATIONNO.:1"：是指每荷載步內(nèi)的迭代次數(shù)，1表示第1

9、次迭代計算，2表示第2次迭代計算。c) “DISPL.NORM"：是指收斂計算中在每個荷載步驟下的位移收斂的“范數(shù)”，程序默認的收斂控制參數(shù)為：迭代次數(shù)為30次，收斂標(biāo)準(zhǔn)范數(shù)為0.01,上面數(shù)據(jù)中迭代第7次時計算范數(shù)為0.844e-02小于0.01,所以結(jié)束了第2次迭代計算(ITERATIONNO:2)。d) "ITERATIONNO:2"：是指第2次迭代計算，迭代次數(shù)在懸索橋分析控制對話框中輸入，默認為5。e) "CONVERGENCERATIO"：是根據(jù)更新的節(jié)點坐標(biāo)、索的張力、平衡內(nèi)力計算的不平衡內(nèi)力引起的位移的收斂范數(shù)，其控制范數(shù)在懸索

10、橋分析控制對話框中輸入，默認為1e-05o最終迭代次數(shù)(默認為5)中計算范數(shù)小于1e-05即表示收斂了，但是一般在最終迭代次數(shù)中的計算范數(shù)小于1e-02時，可以認為結(jié)果收斂了。一般來說隨著計算CONVERGENCERATIO值應(yīng)該逐漸變小，當(dāng)逐漸變大時可認為沒有收斂。f) 每個迭代次數(shù)內(nèi)的每荷載增步中的收斂控制參數(shù)，當(dāng)在分析非線性分析控制中設(shè)定了控制參數(shù)時，遵循設(shè)定的參數(shù)，沒有設(shè)定參數(shù)時如上面a中所述默認為迭代次數(shù)為30次，收斂標(biāo)準(zhǔn)范數(shù)為0.01。分析非線性分析可設(shè)也可不設(shè)。g) 在懸索橋分析控制中選擇的荷載，最好放在同一個荷載工況內(nèi)。7)通過建模助手求到的平衡狀態(tài)中，塔底有較大彎矩時，應(yīng)如何

11、解決？a) 需在進行第二步懸索橋分析之前，對模型進行處理。即，將主塔頂?shù)墓?jié)點和該處主纜的節(jié)點使用上下兩個節(jié)點模擬。兩個節(jié)點間使用彈性連接或剛性連接，只約束豎向的位移(根據(jù)情況也可約束面外方向的變形)；b) 該處主纜的節(jié)點坐標(biāo)不要加入到更新節(jié)點組中；c) 進行完懸索橋分析得到平衡內(nèi)力等數(shù)據(jù)后，在進行施工階段或者成橋狀態(tài)分析時，再將該處兩個點的約束按最終狀況模擬。8)不通過建模助手，如何計算初始平衡狀態(tài)？a) 進行非線性分析之后，不斷更新節(jié)點坐標(biāo)和索單元初拉力(定義索單元時輸入的)來求平衡狀態(tài)；b) 程序?qū)ο鄳?yīng)荷載工況進行非線性分析，會產(chǎn)生位移和內(nèi)力，之后會將該內(nèi)力作為索單元的初拉力(單元表格中)

12、更新。c) 更新節(jié)點坐標(biāo)是將原坐標(biāo)和發(fā)生的位移的和作為新的節(jié)點坐標(biāo)。如果懸索橋的索面是豎直的則只更新Z坐標(biāo)，如果是空間的，還需更新丫坐標(biāo)。d) 由于第一步計算時變形較大，故不第一步時一般不更新節(jié)點坐標(biāo)，從第二步開始更新；e) 定義索單元時輸入的初拉力不會進行迭加，而作為外荷載輸入的初拉力會進行迭加，此為兩者最大差異。9）對于初始荷載的說明在“荷載/初始荷載”中，分為大位移和小位移兩項，其內(nèi)又分為幾何剛度初始荷載、平衡單元節(jié)點內(nèi)力、初始荷載控制數(shù)據(jù)、初始單元內(nèi)力共4項內(nèi)容。其作用分別如下：大位移/幾何剛度初始荷載：描述當(dāng)前荷載作用之前的結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)?？捎蓱宜鳂蚪Ｖ肿詣佑嬎憬o出結(jié)構(gòu)的初始平衡

13、狀態(tài)。用戶輸入幾何剛度初始荷載進行非線性分析時，不需定義相應(yīng)的荷載工況，程序會自動在內(nèi)部考慮相應(yīng)荷載和內(nèi)力，使其達到平衡，因此此時位移為0。如果用戶又定義了荷載工況，則荷載相當(dāng)于雙重考慮，此時不僅會發(fā)生位移，而且內(nèi)力也會增加1倍左右。幾何剛度初始荷載的概念，可以說是為了描述一個有一定初始內(nèi)力和剛度的、位移為0的成橋狀態(tài)。此時有新的荷載參與作用時，我們可以通過分析得到新的作用引起的位移和內(nèi)力，注意：其中內(nèi)力結(jié)果包含成橋狀態(tài)的內(nèi)力。因此，在進行懸索橋倒拆分析時，不需定義自重，但在鈍化構(gòu)件的同時，需要在索的吊桿連接位置輸入與構(gòu)件重量相同的反向節(jié)點荷載。對于幾何剛度初始荷載的幾點附加說明如下：a） 靜

14、力線性分析：不起作用。因此如果使用索單元建模，且沒有初始單元內(nèi)力數(shù)據(jù)的話，分析時會發(fā)生奇異；b） 靜力非線性分析：根據(jù)幾何剛度初始荷載考慮結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)。根據(jù)不同荷載工況，幾何剛度會發(fā)生變化。另外，不同荷載工況作用效應(yīng)的算術(shù)迭加不成立；c） 施工階段非線性分析（獨立模型，不考慮平衡內(nèi)力）：大位移分析，即幾何剛度根據(jù)不同施工階段荷載的作用發(fā)生變化，且考慮索單元節(jié)點坐標(biāo)變化引起的影響（索單元）；d） 施工階段非線性分析（獨立模型，考慮平衡內(nèi)力）：幾何剛度初始荷載不起作用，“初始荷載/平衡內(nèi)力”發(fā)生作用；e） 施工階段非線性分析（獨立模型，考慮平衡內(nèi)力，但未輸入平衡內(nèi)力，輸入了幾何剛度初始荷載）：幾

15、何剛度初始荷載不起作用，對施加的荷載工況進行靜力非線性分析。下個階段中也一樣，但前一階段的荷載和本階段的荷載相當(dāng)于一同作用并對之進行分析；f） 移動荷載分析：程序會自動將索單元轉(zhuǎn)換為等效桁架單元進行線性分析，其幾何剛度將利用“小位移/初始單元內(nèi)力”來確定。大位移/平衡單元節(jié)點內(nèi)力：該功能只適用于施工階段分析中選擇非線性分析的獨立模型，并且勾選了“包含平衡單元節(jié)點內(nèi)力”選項時的情形。進行斜拉橋或懸索橋逆施工階段分析時，通過計算由張拉力和恒載導(dǎo)致的成橋狀態(tài)的節(jié)點力和構(gòu)件內(nèi)力，可以考慮在相應(yīng)成橋荷載作用下，位移為0的狀態(tài)。即，提前使結(jié)構(gòu)存在與外力相平衡的內(nèi)力，從而使結(jié)構(gòu)不發(fā)生變形。（考慮平衡單元節(jié)點

16、內(nèi)力后進行非線性分析時，位移量會趨近于0）因此，需要定義自重等的荷載工況。在倒拆分析時，只要鈍化構(gòu)件即可，不需加反向的節(jié)點荷載?？紤]平衡節(jié)點內(nèi)力時，程序會根據(jù)外力和平衡節(jié)點內(nèi)力的差（不平衡力）進行計算。相同時位移為0,例如懸索橋分析正常結(jié)束之后的狀態(tài)。進行倒拆分析時，由于鈍化了荷載或結(jié)構(gòu)，外力會小于平衡內(nèi)力，程序會根據(jù)新的不平衡力重新進行計算。與幾何剛度初始荷載的方式的差異，可以說是平衡單元節(jié)點內(nèi)力的方式可以考慮加勁梁的內(nèi)力。對于地錨式懸索橋，加勁梁的內(nèi)力很小，所以兩種方式都適用。但對于自錨式懸索橋，加勁梁的內(nèi)力很重要，因此不宜適用幾何剛度初始荷載的方式。小位移/初始荷載控制數(shù)據(jù)進行線性分析時

17、，將輸入的初始單元內(nèi)力添加給指定的荷載工況。如果不添加，則在分析時只考慮初始單元內(nèi)力引起的幾何剛度，在相應(yīng)荷載工況的內(nèi)力結(jié)果中，不包含初始單元內(nèi)力。另外，考慮平衡單元節(jié)點內(nèi)力時，對于懸索橋，通過懸索橋分析控制，程序自動提供平衡單元節(jié)點內(nèi)力的數(shù)據(jù)；對于斜拉橋，則可以通過在“初始荷載控制數(shù)據(jù)”中勾選“初始內(nèi)力組合”，并將要考慮的荷載工況全部添加之后進行靜力分析，即可在“結(jié)果/分析結(jié)果表格/平衡單元節(jié)點內(nèi)力”中得到相應(yīng)數(shù)據(jù)，將其復(fù)制到“大位移/平衡單元節(jié)點內(nèi)力”即可。小位移/初始單元內(nèi)力只適用于線性分析或動力分析，其作用與幾何剛度初始荷載相同。即通過形成幾何剛度來影響結(jié)構(gòu)的總體剛度，但其剛度并不隨作

18、用荷載的變化而變化?？梢哉f是為了對于一個非線性結(jié)構(gòu)進行線性分析而需要的功能，比如對于懸索橋進行特征值分析或者移動荷載分析等。另外，在進行時程分析時，如果要考慮自重等靜力荷載作用下的初始狀態(tài)時，需要將靜力荷載另行定義為一種時變荷載。利用這里的初始單元內(nèi)力功能，可以使構(gòu)件在進行時程分析時就處于相應(yīng)的初始狀態(tài)，而不需再將靜力荷載定義為時變荷載了。10）初始荷載控制數(shù)據(jù)-是否給單元添加初始荷載？非線性分析時，初始的幾何剛度（幾何剛度初始荷載）的影響將反映到內(nèi)力中去，因此不需要給單元添加初始荷載；線性分析時，使用“初始單元內(nèi)力”計算的幾何剛度只對剛度有影響，并不會反映到內(nèi)力中去。若要將其考慮為內(nèi)力，需給

19、單元添加初始荷載。11）如何得到施工階段過程中，各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)效應(yīng)？a） 建立成橋模型；b） 定義倒拆分析的施工階段；c） 在施工階段分析控制對話框中勾選考慮構(gòu)件平衡內(nèi)力”后進行倒拆分析。12）懸索橋施工過程中的鞍座頂推如何模擬？a）模擬起來不是很方便。需使用程序提供的彈性連接、剛性連接等功能來模擬。13）對于懸索橋如何考慮溫度作用？a） 可以把溫度作用同樣作為一個施工階段加在最后一個階段上。但對升溫和降溫需建立不同的模型進行分析后分別查看結(jié)果。此時對于溫度進行的是非線性分析，有可能出現(xiàn)不容易收斂的情況。b） 也可將溫度作用定義為一般的荷載工況（不是施工階段荷載工況）。這樣程序在進行完施工階段分

20、析后，會利用幾何剛度初始荷載形成結(jié)構(gòu)的幾何剛度，并對這種狀態(tài)的結(jié)構(gòu)進行溫度作用的分析。此時對于索單元是將其轉(zhuǎn)換為等效桁架單元來計算的。14）如何得到恒載作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)以及恒載+活載（或動力荷載）的組合效應(yīng)？有兩種方法：可以定義一個空的荷載工況，將初始內(nèi)力添加到該荷載工況中。進行完移動荷載分析（動力分析）后，將該荷載工況與移動荷載工況進行組合。另一種方法是定義施工階段的方法，步驟如下：a） 將通過建模助手得到的成橋模型只定義一個施工階段（即成橋階段），選擇施工階段分析控制的非線性分析并勾選考慮平衡內(nèi)力。（此時幾何剛度初始荷載不發(fā)生作用，是為了保存成橋狀態(tài)的構(gòu)件內(nèi)力，以便與活載計算結(jié)果組合）b） 輸入“小位移/初始單元內(nèi)力”，定義移動荷載后進行分析。（因為是施工階段非線性分析的獨立模型，對于PostCS狀態(tài)進行靜力分析時，不是利用最后階段的內(nèi)力計算幾何剛度。因此需另行輸入初始單元內(nèi)力，以用來計算PostCS狀態(tài)的幾何剛度。）c） 分