midas-Civil-2010斜拉橋設(shè)計專題

1、midas Civil 2010斜拉橋?qū)ｎ}斜拉橋設(shè)計專題Integrated Solution System for Bridge and Civil Strucutres目 錄 二、斜拉橋索力調(diào)整理論 一、斜拉橋概述1. 拉索單元模擬42. 未知荷載系數(shù)法功能73. 索力調(diào)整功能74. 未閉合配合力功能7 三、midas Civil中的斜拉橋功能目 錄 四、斜拉橋分析例題1.橋梁概況72. 斜拉橋成橋分析73.斜拉橋倒拆分析114.斜拉橋正裝分析75.斜拉橋穩(wěn)定分析7一、斜拉橋概述 斜拉橋的上部結(jié)構(gòu)是由梁、索、塔三個主要部分組成，它是一種橋面體系以加勁梁受壓(密索)或受彎(稀索)為主，支承體

2、系以斜索受拉及橋塔受壓為主的橋梁。 1956年，瑞典建成的Stroemsund橋拉開了現(xiàn)代斜拉橋建設(shè)的序幕。隨后斜拉橋建設(shè)如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，其跨徑已經(jīng)進(jìn)入以前懸索橋適用的特大跨徑范圍。二、斜拉橋索力調(diào)整理論 斜拉橋不僅具有優(yōu)美的外形，而且具有良好的力學(xué)性能，其主要優(yōu)點在于：恒載作用下，拉索的索力是可以調(diào)整的。斜拉橋可以認(rèn)為是大跨徑的體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。 在力學(xué)性能方面，當(dāng)在恒載作用時，斜拉索的作用并不僅僅是彈性支承，更重要的是它能通過千斤頂主動地施加平衡外荷載的初張力，正是因為斜拉索的索力是可以調(diào)整的，斜拉索才可以改變主梁的受力條件。活載作用下，斜拉索對主梁提供了彈性支承，使主梁相當(dāng)于彈性支承

3、的連續(xù)梁。由此可見，對于斜拉橋而言，斜拉索的初張力分析是非常重要的。 張拉斜拉索時，實際上已經(jīng)將該斜拉索脫離出來單獨工作，因為斜拉索的張力和結(jié)構(gòu)的其它部分無關(guān)，而只與千斤頂有關(guān)，因此在張拉斜拉索時，其初張力效應(yīng)必須采用隔離體分析（midas Civil中采用體外力來進(jìn)行模擬）。 確定斜拉索張拉力的方法主要有剛性支承連續(xù)梁法、零位移法、倒拆和正裝法、無應(yīng)力狀態(tài)控制法、內(nèi)力平衡法和影響矩陣法等，各種方法的原理和適用對象請參考劉士林等編著的公路橋梁設(shè)計叢書 斜拉橋。 剛性支承連續(xù)梁法是指成橋狀態(tài)下，斜拉橋主梁的彎曲內(nèi)力和剛性支承連續(xù)梁的內(nèi)力狀態(tài)一致。因此可以非常容易地根據(jù)連續(xù)梁的支承反力確定斜拉索的

4、初張力。1)剛性支承連續(xù)梁法2)零位移法3)倒拆和正裝法 零位移法的出發(fā)點是通過索力調(diào)整，使成橋狀態(tài)下主梁和斜拉索的交點的位移為零。對于采用滿堂支架一次落架的斜拉橋體系，其結(jié)果與剛性支承連續(xù)梁法的結(jié)果基本一致。 上述2種方法用于確定主跨和邊跨對稱的單塔斜拉橋的索力是最為有效的，對于主跨和邊跨幾乎對稱的3跨斜拉橋次之，對于主跨和邊跨的不對稱性較大的斜拉橋，幾乎失去了作用（因為這兩種方法必然導(dǎo)致比較大的塔根彎矩，失去了索力優(yōu)化的意義）。 倒拆法是斜拉橋安裝計算廣泛采用的一種方法，通過倒拆、正裝交替計算，確定各施工階段的安裝參數(shù)，使結(jié)構(gòu)逐步達(dá)到預(yù)定的線形和內(nèi)力狀態(tài)。 以上簡單介紹了斜拉橋索力調(diào)整的幾

5、種方法，實際施工中的索力調(diào)整是比較復(fù)雜的，而且實踐性很強。結(jié)構(gòu)分析工程師的經(jīng)驗非常重要，只有多次反復(fù)試算才可以得到比較滿意的索力。例如：對于錨固在支座上方或附近部位的斜拉索的索力對主梁的彎矩和位移的影響非常小，如果取主梁上的位移或彎矩作為控制值，會導(dǎo)致病態(tài)方程。對于輔助墩附近的斜拉索建議人為假定索力進(jìn)行試算，以得到理想的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形。 無應(yīng)力狀態(tài)法分析的基本思路是：不計斜拉索的非線性和混凝土收縮徐變的影響，采用完全線性理論對斜拉橋解體，只要保證單元長度和曲率不變，則無論按照何種程序恢復(fù)還原后的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和線形將與原結(jié)構(gòu)一致。4)無應(yīng)力狀態(tài)控制法5)內(nèi)力平衡法6)影響矩陣法 內(nèi)力平衡法的基本原理

6、是：設(shè)計適當(dāng)或合理的斜拉索初張力，以使結(jié)構(gòu)各控制截面在恒載和活載共同作用下，上翼緣的最大應(yīng)力和材料允許應(yīng)力之比等于下翼緣的最大應(yīng)力和材料允許應(yīng)力之比。三、 midas Civil中的斜拉橋功能 斜拉橋的設(shè)計過程與一般梁式橋的設(shè)計過程有所不同。對于梁式橋梁結(jié)構(gòu)，如果結(jié)構(gòu)尺寸、材料、二期恒載都確定之后，結(jié)構(gòu)的恒載內(nèi)力也隨之基本確定，無法進(jìn)行較大的調(diào)整。但對于斜拉橋，由于其荷載是由主梁、橋塔和斜拉索分擔(dān)的，合理地確定各構(gòu)件分擔(dān)的比例是十分重要的。因此斜拉橋的設(shè)計首先是確定其合理的成橋狀態(tài)，即合理的線形和內(nèi)力狀態(tài)，其中起主要調(diào)整作用的就是斜拉索的張拉力。 確定斜拉索張拉力的方法主要有剛性支承連續(xù)梁法、

7、零位移法、倒拆和正裝法、無應(yīng)力狀態(tài)控制法、內(nèi)力平衡法和影響矩陣法等，各種方法的原理和適用對象請參考劉士林等編著的公路橋梁設(shè)計叢書 斜拉橋。 midas Civil程序針對斜拉橋的張拉力確定、施工階段分析、非線性分析等提供了多種解決方案，下面就一些斜拉橋功能做一些說明。第一步成橋狀態(tài)分析 第一步：進(jìn)行成橋狀態(tài)分析，即建立成橋模型，考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、斜拉索的初拉力（單位力），進(jìn)行靜力線性分析后，利用“未知荷載系數(shù)”的功能，根據(jù)影響矩陣求出滿足所設(shè)定的約束條件（線形和內(nèi)力狀態(tài)）的初拉力系數(shù)。此時斜拉索需采用桁架單元來模擬，這是因為斜拉橋在成橋狀態(tài)時拉索的非線性效應(yīng)可以看作不是很大，而且影響矩陣

8、法的適用前提是荷載效應(yīng)的線性疊加(荷載組合)成立。第二步倒拆施工階段分析 第二步：利用算得的成橋狀態(tài)的初拉力（不再是單位力），建立成橋模型并定義倒拆施工階段，以求出在各施工階段需要張拉的索力。此時斜拉索采用只受拉索單元來模擬，在施工階段分析控制對話框中選擇“體內(nèi)力”。 第三步：根據(jù)倒拆分析得到的各施工階段拉索的內(nèi)力，將其按初拉力輸入建立正裝施工階段的模型并進(jìn)行分析。此時斜拉索仍可采用只受拉索單元來模擬，但在施工階段分析控制對話框中選擇“體外力”。第三步正裝施工階段分析斜拉橋常規(guī)分析流程 但是設(shè)計人員會發(fā)現(xiàn)上述過程中，倒拆分析和正裝分析的最終階段（成橋狀態(tài)）的結(jié)果是不閉合的。這是因為合攏段在倒拆

9、分析和正裝分析時的結(jié)構(gòu)體系差異，導(dǎo)致正裝分析時得到的最終階段(成橋階段)的內(nèi)力與單獨做成橋階段分析(平衡狀態(tài)分析)的結(jié)果有差異。即，初始平衡狀態(tài)分析（成橋階段分析）時，同時考慮了全部結(jié)構(gòu)的自重、索拉力以及二期荷載的影響；而在正裝分析時，合攏之前所有階段的加勁梁會因為自重、索拉力產(chǎn)生變形，合攏時合攏段只受自身的自重影響而不受其它結(jié)構(gòu)的自重和索拉力的影響。幾種索單元類型: 桁架單元 只受拉桁架單元 只受拉鉤單元 只受拉索單元(恩斯特公式修正的索單元、 大變形的懸索單元)1.拉索單元模擬索單元的不同分析方式: 靜力線性分析: 按考慮恩斯特公式修正的等效桁架單元進(jìn)行分析 靜力非線性分析(設(shè)置非線性分析

10、控制): 按考慮大變形的懸索單元進(jìn)行分析 施工階段考慮時間依存性效果（線性）: 按考慮恩斯特公式修正的等效桁架單元進(jìn)行分析 施工階段考慮非線性分析: 按考慮大變形的懸索單元進(jìn)行分析 移動荷載分析或支座沉降分析: 按桁架單元(或考慮成橋時的幾何剛度)進(jìn)行線性分析成橋狀態(tài)荷載工況不勾選“在PostCS”勾選“PostCS”備注移動荷載按桁架單元考慮（線性疊加）考慮成橋狀態(tài)的索單元和梁單元的幾何剛度支座沉降同上同上動力分析（特征值分析等）同上同上溫度荷載按等效桁架單元考慮，基于恩斯特公式進(jìn)行反復(fù)迭代計算同上其它靜力荷載按等效桁架單元考慮，基于恩斯特公式進(jìn)行反復(fù)迭代計算同上不同結(jié)構(gòu)中索單元的使用: 懸

11、索橋的主纜和吊桿：建議使用考慮大變形的懸索單元 大跨斜拉橋的斜拉索：對于近千米或者超過千米的斜拉橋建議使用考慮大變形的索單元 中小跨斜拉橋的斜拉索：建議使用考慮恩斯特公式修正的等效桁架單元 拱橋的吊桿：建議使用桁架單元或只受拉桁架單元 系桿拱橋的系桿：建議使用桁架單元 體內(nèi)預(yù)應(yīng)力或體外預(yù)應(yīng)力的鋼索（鋼束）：與索單元無關(guān)，使用預(yù)應(yīng)力荷載功能按荷載來模擬即可。 進(jìn)行細(xì)部分析時對于鋼束可以按桁架單元來模擬中小跨斜拉橋的斜拉索：建議使用考慮恩斯特公式修正的等效桁架單元 即對采用索單元模擬的斜拉橋進(jìn)行線性分析，此時的索單元即是考慮恩斯特公式修正的等效桁架單元。E為考慮垂度影響的拉索換算彈性模量恩斯特公式

12、，由德國著名學(xué)者H.-J.Ernst提出。公式表明：選用高強度的材料，提高拉索的工作應(yīng)力，采用輕而有效的拉索防護(hù)手段，使拉索每延米的重量不致過多增加，均有助于提高拉索剛度，降低其非線性影響。結(jié)果未知荷載系數(shù) 利用未知荷載系數(shù)功能，可以計算出最小誤差范圍內(nèi)的能夠滿足特定約束條件的最佳荷載系數(shù)，利用這些荷載系數(shù)計算拉索初拉力。 指定位移、反力、內(nèi)力的“0”值以及最大最小值作為約束條件，拉索初拉力作為變量（未知數(shù)）來計算。 計算未知荷載系數(shù)適用于線性結(jié)構(gòu)體系，為了計算出最佳的索力，必須要輸入適當(dāng)?shù)募s束條件。主塔不受或只受較小的彎矩作用 ；主塔彎矩均勻分布 ；主梁的變形最?。蛔罱K索力不集中在幾根拉索，

13、而是均勻分布在每根拉索上。2.未知荷載系數(shù)法功能復(fù)制和粘貼考慮施工階段的未知荷載系數(shù)法 本程序還可考慮施工階段，計算未知荷載系數(shù)。利用此功能可直接計算出，施工過程中每根拉索的拉索控制力。定義正裝施工階段模型。將每個施工階段的拉索初拉力定義單位初拉力。（注：拉索過程必須單獨定義施工階段）運行分析后，通過未知荷載系數(shù)計算，求得符合約束的條件的，施工過程中的拉索控制力。但，此方法不太容易定義約束條件。 斜拉橋索力的計算非常復(fù)雜，過去是依靠設(shè)計人員判斷以及參考實際經(jīng)驗值來確定拉索張力的。為了使設(shè)計人員可以更加便捷地計算斜拉橋拉索的初始張力，midas Civil 提供未知荷載系數(shù)功能。不過，由于未知荷

14、載系數(shù)的功能提供的張力結(jié)果只是能夠滿足約束條件的解，所以有時無法完全滿足技術(shù)人員的設(shè)計意圖。 midas Civil 2010中，為了改善未知荷載系數(shù)功能，并且使設(shè)計過程中的反復(fù)調(diào)整工作盡可能簡便，特別開發(fā)和提供了索力調(diào)整功能。 索力調(diào)整功能使設(shè)計人員可以直接調(diào)整索力，并且不需要任何重新分析即可實時查看主梁或者主塔的變形情況，因此可以非常便捷、快速地獲得初始張力。3.索力調(diào)整功能拉索的張力(或者荷載系數(shù))可以利用輸入窗口或柱狀圖進(jìn)行微調(diào)來確定最優(yōu)索力設(shè)計人員指定的范圍(紅線)隨拉索張力變化的結(jié)果(藍(lán)線)影響值(綠線)在影響矩陣中確認(rèn)對單元影響最大的張力后，使用搜索功能，確定最優(yōu)索力索力調(diào)整步驟

15、STEP 1. 斜拉橋建模STEP 2. 定義主梁的恒載和各索單位荷載的荷載工況STEP 3. 輸入恒載和單位荷載STEP 4. 對恒載和單位荷載進(jìn)行荷載組合STEP 5. 利用未知荷載系數(shù)功能計算未知荷載系數(shù)STEP 6. 利用調(diào)索功能調(diào)整拉索初始索力STEP 7. 查看分析結(jié)果并最終確定初始索力4.未閉合配合力功能 midas Civil能夠在小位移分析中考慮假想位移，以無應(yīng)力長為基礎(chǔ)進(jìn)行正裝分析。這種通過無應(yīng)力長與索長度的關(guān)系計算索初拉力的功能叫未閉合配合力功能。未閉合配合力具體包括兩部分，一是因為施工過程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)位移和結(jié)構(gòu)體系的變化而產(chǎn)生的拉索的附加初拉力，二是為使安裝合攏段時達(dá)到

16、設(shè)計的成橋階段狀態(tài)合攏段上也會產(chǎn)生附加的內(nèi)力。利用此功能可不必進(jìn)行倒拆分析，只要進(jìn)行正裝分析就能得到最終理想的設(shè)計橋型和內(nèi)力結(jié)果。分析施工階段分析控制數(shù)據(jù) 斜拉橋施工時，最終階段往往是跨中合攏的施工?？缰泻蠑n的一剎那，結(jié)構(gòu)體系完全轉(zhuǎn)換。需要說明的是，利用成橋模型計算未知荷載系數(shù)時，跨中合攏段處于連續(xù)狀態(tài)。但在施工合攏段時，合攏段并非處于連續(xù)狀態(tài)，即兩端的彎矩為0。按照前面介紹的分析方法，結(jié)果會出現(xiàn)不必和的情況。 通過未必和配合力的分析方法，可以得到最終合攏后的階段與成橋目標(biāo)函數(shù)完全閉合的結(jié)果。 未必和配合力方法，僅通過正裝模型就可以計算拉索張拉控制力，沒必要像前面所訴的方法，還需要建立一個倒拆

17、模型來求得。 未必和配合力計算原理：激活斜拉索之前，拉索兩端節(jié)點因前一階段的荷載，發(fā)生的變形。激活拉索時，已輸入的體內(nèi)力還不能把發(fā)生變形的節(jié)點拉回原位，還需要補一定量的張力，此張拉力即為未必和配合力。 程序不僅可以計算出，每根斜拉索的未必和配合力，還可計算出合攏段的未必和配合力。使最終階段的內(nèi)力以及變形結(jié)果與成橋目標(biāo)完全閉合。 （注：合攏段的未必和配合力，其實也沒有實際意義。因目前還沒有能夠?qū)τ诤蠑n段預(yù)加內(nèi)力的工具）四、斜拉橋分析例題本例題中的橋是一座跨度為（70m+125m+70m）雙塔斜拉橋梁，塔高約60米。 1.橋梁概況 為了決定安裝拉索時的控制張拉力，首先要確定在成橋階段恒載作用下的初

18、始平衡狀態(tài)，然后再按施工順序進(jìn)行施工階段分析。首先通過倒拆分析計算初張拉力，然后進(jìn)行正裝施工階段分析。在本例題將介紹通過未知荷載系數(shù)法并配合斜拉橋調(diào)索功能進(jìn)行斜拉橋成橋分析；以成橋狀態(tài)為基礎(chǔ)然后進(jìn)行斜拉橋倒拆模擬；最后采用未閉合配合力功能或者施工階段的未知荷載系數(shù)法進(jìn)行斜拉橋的正裝分析模擬。橋梁有限元模型2.斜拉橋成橋分析第一步 建立成橋模型關(guān)鍵點：為了結(jié)合未知荷載系數(shù)法進(jìn)行調(diào)索，索結(jié)構(gòu)必須用桁架（線性）單元進(jìn)行模擬，這樣結(jié)構(gòu)才支持荷載的線性疊加功能。第二步 定義荷載工況關(guān)鍵點：將不同的索力定義為不同的荷載工況，作為未知荷載來考慮。第三步 采用未知荷載系數(shù)法進(jìn)行斜拉橋調(diào)索關(guān)鍵點：定義成橋約束條件，求解最優(yōu)的荷載組合系數(shù)（未知荷載系數(shù)）斜拉橋 成橋分析流程第四步 采用調(diào)索功能進(jìn)行斜拉橋索力微調(diào)關(guān)鍵點：結(jié)合影響矩陣，找出影響效應(yīng)大的索單元，對此索單元做優(yōu)先考慮的微調(diào)（如果調(diào)索幅度太大的話，可能會引起