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桥梁博士系统（DR.Bridge ） 桥梁CAD 杨剑 主讲 桥梁CAD教学内容 有限元概述2h 直线桥设计计算输入4h 直线桥设计计算输出2h 设计计算工具2h 上机练习6h 第一章 有限元法概论 本章主要内容 工程结构的基本概念 土木工程结构的计算方法 有限元概述 平面杆系结构的有限元法 1.1工程结构的基本概念 工程结构原型，广义的看均为由无限多个质点所 组成的三维连续固体，因而也就具有无限多个自由度 的体系。 考虑其具体的几何形状与应力应变的特殊性，工 程结构通常可划分： 工程结构分类 （1）杆系结构 （2） 二维结构 （3） 三维结构 工程结构分类 （1）杆系结构 定义：由一定数量杆件通过一定数量结点相互连接而 组成的结构体系 梁 框架 桁架 特点：横截面尺寸远比其杆长小，二结点的联结可能 为铰接或刚接。 分类： （a）平面杆系结构：全部杆件、支座及作用力均位于 同一平面内； （b）空间杆系结构：全部杆件、支座及作用力不全位 于同一平面内； 工程结构分类 （2）二维结构 定义：当三维连续体z坐标向的应力或应变可以忽略时 ，按二维问题简化分析 平面应力问题 平面应变问题 工程结构分类 （3）三维结构 定义：最一般的工程结构状态，其位移、应力、应变 都是三维坐标 x，y，z的函数。 工程结构材料的本构关系 （1）线弹性 定义：结构物加载下的应变，在荷载卸除后将完全消 除，从而恢复到结构未受载的原始状态，即： 工程结构材料的本构关系 （2）非线形弹性 定义：结构物在整个受载变形过程中，应力应变关 曲线不再是直线而是曲线，即弹性模量E是变量。 工程结构材料的本构关系 （3）塑性 定义：结构物加载时于卸载时的应力应变关系不重 合，有残余应变存在，且其应力应变关系也为非线 性。 工程结构材料的本构关系 （4）其它本构关系 弹塑性、粘弹性、粘塑性等多种本构关系模型 江见鲸. 钢筋混凝土结构非线形有限元分析. 陕西 科学出版社。 工程结构的变形状态 （1）小变形 定义：结构受载后的位移与应变相当微小，与结构的 原始尺寸相比可以忽略，则分析结构时可以以其未发 生变形前的原始状态为依据，则其形变几何关系（位 移应变关系）是线性的。 （2）大变形 定义：结构受载后的位移与应变相当大，与结构的原 始尺寸相比不可忽略，因此结构分析时必须计算结构 几何形状的改变，即以结构变形后的现实状态作为计 算依据，则其形变几何关系（位移应变关系）是非 线性的。 混凝土斜拉桥的拉索一般为 柔性索，在索的自重作用下有 垂度，垂度对索的受拉性能有 影响，同时索力大小对垂度也 有影响。 在实际计 算中索一般采用 一直杆表示，以索的弦长作为 杆长。 1.2 土木工程结构的计算方法 土木工程材料如木材、石料、混凝土、钢材等多 为弹塑性材料，但从结构安全度的需要考虑，其工作 状态通常都处于以弹性为主的阶段，这就使结构力学 和弹性力学在土木工程结构分析中占有特别重要的地 位。 (1) 结构力学：力法、位移法和混合法 (2) 弹性力学：基于二、三为连续体结构的几何条 件、静力平衡与本构关系，按满足既定的边界条件来 解析 结构力学计算方法 （1） 力法取结点力作为基本未知量 结构力学计算方法 （2） 位移法取结点位移作为基本未知量 结构力学计算方法 （3） 混合法取一部分结点力和一部分位移作为基 本未知量 （4） 三种方法的比较 a. 最终的数学表述均为多元线性代数方程组。 b. 超静定结构解算的繁简取决与超静定次数的多少 ； c. 位移法将原结构最终简化为有限的几种基本杆件 的集合，因而具有较强的通用性，便于实现程序标准化。 （有限元法应用最广） d. 力法的基本结构是与原结构形状相同的静定结构 ，因此，不同类型的原结构具有不同的形、载常数。 弹性力学的解析方法 1. 研究弹性物体在外力和其它外界因素作用下产生的 变形和内力 2. 主要应用于二、三维连续体结构问题 3. 其求解体系基于结构的几何条件、静力平衡与本构 关系，最终演化的数学表述为偏微分方程，按满足既 定的边界条件来解析 徐芝纶：弹性力学，高等教育出版社。 能量变分原理有限元法分析的重要理论基础 龙驭球：结构力学，清华大学出版社。 1.3 有限元法概述 由于结构几何形状与边界条件的复杂多样性，依 靠结构力学或弹性力学的直接解析来求取结果往往非 常困难。 通常最常用的是有限元法。有限元法进行的依据 不再是结构弹性体原型，而是将其进行离散化处理的 ，由有限个单元在有限个结点相联结的替代结构，即“ 有限元模型”。 1.3 有限元法概述 1.3.1 有限元法的基本思想 有限元法在20世纪50年代起源于飞机结构的矩阵分析， 其基本思想是用有限个离散单元的集合体代替原连续体，采 用能量原理研究单元及其离散集合体的平衡，以计算机为工 具进行结构数值分析。它避免了经典弹性力学获得连续解的 困难（建立和求解偏微分方程），使大型、复杂结构的计算 容易地在计算机上完成，应用十分广泛。ANSYS, SAP, Marc ，等。 把整体结构离散为有限个单元，研究单元的平衡和变形 协调；再把这有限个离散单元集合还原成结构，研究离散结 构的平衡和变形协调。 划分的单元大小和数目根据计算精度和计算机能力来确 定。 1.3 有限元法概述 1.3.2 有限元法主要优点： （1） 概念浅显，容易掌握。（离散、插值、能量原理、 数学分析） （2）适用性强，应用范围广，几乎适用于所有连续体和 场问题的分析。（结构、热、流体、电磁场和声学等问 题） （3）计算规格化（采用矩阵表示），便于计算机编程。 1.3 有限元法概述 1.3.3 有限元法的基本构想： 1.3 有限元法概述 （1）结构离散化：将原型结构划分为有限个“单元”（如直 杆元、曲杆元、矩形元等），并通过有限个“结点”相互 连接，从而形成称为“有限元模型”的替代结构。将作为 今后分析的物理依据。 1.3 有限元法概述 （2）单元特性计算：建立各单元结点的广义位移（轴向 位移、切向位移、挠曲转角、扭转转角）与相应广义位 移方向的结点内力（轴力、剪力、弯矩、扭矩）之间的 关系。（即建立单元刚度矩阵） 1.3 有限元法概述 （3）有限元模型解析：把有限元模型所有单元的上述关 系总集起来，将形成线性代数方程组形式的结构总刚度 方程。 （a）边界条件：在结构总刚度方程里引入原结构边界结 点的相关约束条件。 （b）结构连续性要求：汇交于i点各单元在结构受载变形 后仍汇交于i点。即汇交于i点的各单元的任一广义位移 方向上应有相同的变位。 一维拉杆 图示阶梯形 直杆，各段 长度均为， 横截面积分 别为3A， 2A，A，材 料重度为 ，弹性模量 E。 离散化：将单元划分为3个单元，4个结点。 单元刚度矩阵： 1 2 2 3 3 4 等效结点荷载：按静力等效原则，有: 对号入座，组成总刚，形成整体结构平衡方 程: 整体结构平衡方程 1.3 有限元法概述 解综合方程K= F 求结构节点位移 计算结构内力和应力 系统分析 (把单元刚度矩阵集合成结构刚度矩阵K 形成等价节点荷载F ) 离散结构 为若干单元 单元分析 (建立单元刚度矩阵ke形成单元等价节点力 ) 龙驭球： 有限单 元法 1.3 有限元法概述 1.3.4 有限元解的精确分析 有限元法的解只是一种逼近原结构真实解的近似解答， 解的精确性主要取决于以下方面： (1) 有限元模型能否正确反映原结构的真实状态。 (a) 有限元模型是多单元组成的离散结构，其各单元 之间仅通过结点连接，因此，内力从一单元向另一单 元的传递也自然通过结点来进行。这种结点连接、结 点传力的假设对于杆系结构来说，是复合杆件连接与 传力的实际情况。故有限元法应用于分析杆系结构， 其解为精确解。 1.3 有限元法概述 (b) 二、三维连续体：上述结点连接于传力的假定将 歪曲连续体的连接与传力实际情况。 连续体内，相邻单元内力的传递是通过其共有边 界来进行，但在有限元模型里系假定为结点传递。因 此，有限元法用以分析二、三维连续体，从本质上讲 只能是近似解。 有限元法的解能否真正 收敛于原结构的精确解？ 1.3 有限元法概述 1.3.5 单元的网格划分与类型选择 有限元法模型里，单元网格划分的疏密将决定 其单元尺寸与数目的大小。网格划分越密，有限 元模型与原结构的形状、特性愈加接近，从而提 高其近似解的精度。 根据应力梯度使网格的布局合理化。即在梯 度大的区域网格密些，梯度小的区域应稀些。密 、稀网格之间应逐步过渡。 1.3 有限元法概述 通常采用的单元类型可分为 ： (1) 非协调单元：不能完全保证相邻单元间位 移连续性的单元 (2) 协调单元： 能完全保证相邻单元间位 移连续性的单元 (3) 高阶协调单元：不但能完全保证相邻单元间位移连续 性，而且还能保证单元间应变的连续性 但有限元法的解能否真正收敛于原结构问题的精确解 ，单纯依靠增加单元数目、加密单元网格并不一定能实现 ，这就需要考虑单元的类型选择问题。 1.3 有限元法概述 1.3.5 桥梁结构的有限元程序 1. 桥梁博士，同济大学 2. 公路桥梁结构设计系统(GQJS)，交通部公 路科学研究所 3. MIDAS/Civil （空间有限元程序），韩国 1.4 杆系结构有限元概述 平面杆系结构有限元法在土木工程设计中运用非 常广泛，连续梁、连续刚构、桁架拱、斜拉桥等，均 可概化为平面杆系结构来分析。 实际结构离散为有限元模型时，其结点的选取应 遵循下列原则： （1）原结构的杆件自然交汇点作为结点； 1.4 杆系结构有限元概述 （2）根据计算精度与验算截面需要，可适当增收 结点， （a）变截面杆可用一系列等截面杆替代 1.4 杆系结构有限元概述 （b）斜拉桥主梁的索间跨中截面增设结点 1.4 杆系结构有限元概述 （3）实际结构的曲杆可使用一系列直杆元离散处理 THE END THANK YOU! 桥梁博士简介 博士系统一个集可视化数据处理、数据库管理、 结构分析、打印与帮助为一体的综合性桥梁结构设计 与施工计算系统。其基本功能： （1）直线桥：能够计算钢筋混凝土、预应力混凝土、 组合梁以及钢结构的各种结构体系的恒载与活载的各 种线性与非线性结构响应 （2）斜、弯和异型桥梁 ：采用平面梁格系分析各种 平面斜、弯和异型结构桥梁的恒载与活载的结构响应 桥梁博士简介 （3）其它 直线桥设计计算输入 利用桥梁博士系统进行设计计算一般需要经过： 直线桥设计计算输入 （1）离散结构划分单元 （2）施工分析 （3）荷载分析 （4）建立工程项目 （5）输入总体信息、单元信息、钢束信息 、 施工阶段信息、使用阶段信息、输入 优化信息（索结构） （6）进行项目计算 （7）输出计算结果 读懂图纸或 明确设计要求 将设计要求变 成有限元模型 查看结果 单位约定 坐标系 平面杆系 v总体坐标系：系统默认的坐标系，节点坐标、节 点位移以及反力均按总体坐标系输出。 X：水平向右为正 Y：垂直X轴向上为正 v单元局部坐标系：单元内力和应力均按单元局部 坐标系输出。 X：沿构件的纵轴线方向, 以左节点到右节点方 向为正 Y：垂直X轴向上为正 荷载方向 水平力：沿整体坐标的x方向向右为正； 竖直力：沿整体坐标的y方向向上为正； 弯 矩：依右手螺旋法则，垂直于整体坐标系向 外（向用户方向）为正 效应方向 轴 力：使单元受压为正，受拉为负 剪 力：由单元底缘向顶缘方向为正，反之为负 弯 矩：使单元底缘受拉为正，上缘受拉为负（平面） 位 移：与总体坐标系一致为正，反之为负 正应力（法向应力）：压应力为正，拉应力为负； 剪应力：由截面底缘向顶缘方向为正，反之为负； 主应力：正表示压，负表示拉； 强 度：受弯构件的强度为MR，单位KN-m，其它构件强度为NR ； 结构支承反力：与总体坐标系一致为正，反之为负； 数据准备 结构离散：在进行结构计算之前，首先要根据桥 梁结构方案和施工方案，划分单元并对单元和节 点编号。 对于单元的划分一般遵从以下原则： （1）对于所关心截面设定单元分界线，即编制 节点号 （2） 构件的起点和终点以及变截面的起点和终 点编制节点号； (3) 不同构件的交点或同一构件的折点处编制节点号 ； (4) 施工分界线设定单元分界线，即编制节点号； (5) 当施工分界线的两侧位移不同时，应设置两个 不同的节点，利用主从约束关系考虑该节点处的连接 方式； (6) 边界或支承处应设置节点； (7) 不同号单元的同号节点的坐标可以不同，节点不 重合系统形成刚臂； (8) 对桥面单元的划分不宜太长或太短，应根据施 工荷载的设定并考虑活载的计算精度统筹兼顾。因为 活载的计算是根据桥面单元的划分，记录桥面节点处 位移影响线，进而得到各单元的内力影响线经动态规 划加载计算其最值效应。对于索单元一根索应只设置 一个单元。 数据准备 施工分析 划分施工阶段，确定施工周期； 各施工阶段的具体操作：包括安装的单元号、张拉 的钢束号、添加的外力荷载、本阶段的内部、外部 约束条件、挂篮的操作步骤、拉索单元的索力调整 等等。 桥梁结构不同的施工方法将导致结构的最终成桥内 力不同。施工阶段的划分，对于结构设计有很大的 影响 项目的建立 用户通过“文件”下拉式菜单，选择“新建项目组”或“ 打开项目组” 通过“项目”下拉式菜单选择“创建项目”，或者在项目 组管理窗口，通过右键来点击“创建项目” 。 输入项目名称、通过点击“浏览”来选择存储路径，在 下拉条中选择项目类型。 创建项目后，程序出现了如下页图 所示的界面。现在 用户就可以根据事先的准备，输入数据了。在一个项 目组中，创建一个新项目，或通过双击打开一个既有 项目，程序均会出现如下页图所示的数据文档窗口， 在此窗口输入或查看所有的计算原始数据。 此界面的最左侧是项目管理窗口。输入窗口的下部是 图形显示窗口，用户可以用右键切换显示信息，以帮 助用户判断输入数据的准确性，快速了解结构特征。 项目的建立 基本信息 桥梁工程描述、结构备忘描述：用户可以在此输入 备注性质的文字，来描述本项目的特点，以便于日 后查看。 计算类别：根据不同的需要选择不同的计算方式。 (1) 计算内力、位移：掌握结构的基本受力状 态； (2) 估算配筋面积：得到大致的配筋信息，初 步掌握结构的设计要点； (3) 全桥结构安全验算：对结构设计进行复核 、修正； (4) 优化计算拉索面积：对斜拉桥的拉索面积 、张拉索力进行优化。 如果是初步设计阶段则选择估算配筋面积，此 时应在 结构配筋估算信息对话框中指定预配置的钢 筋或钢束类型等，以便估算的钢筋面积更接近真值 。 基本信息 桥梁环境 选择桥梁所处的地理环境。程序在计算混凝土构 件收缩徐变时使用。用户可以参考公桥规 2004附录F。 湿度：桥梁所处环境的湿度，在混凝土的收缩变 形与徐变计算中需要该信息，从列表框中选择。 对公桥规2004，一般填0.8。 环境有强烈腐蚀性：在验算抗裂性时需要该信息 ； 计算内容 选择本次计算所需要计算的部分。 一般在估算预应力配筋时不计结构的收缩徐 变； 结构的非线性仅在特大跨径桥梁分析时使用 ，通常结构不需计算。 附加信息 q指定计算部分内容。包括以下几点： 结构验算单元：在选择“全桥结构安全验算”时，填入需 要验算的单元号，不填则默认为全部单元。 组合计算类型：对应于规范的荷载组合类型。不填则默 认为全部组合1-9，包括用户自定义组合。 计算活载单元、计算活载节点：选择需要进行活载分析 的单元、节点。不填则默认为全部单元。 活载加载步长：进行活载影响线加载时的步长。填0时系 统默认为1/50的跨径。步长越小，活载计算越精确，速 度越慢。对于某些“没有跨径”的结构（只有一个约束） ，程序将无法进行加载，必须由用户填入加载步长。 非线性荷载分级数：当计算内容中选择了几何非线性 或梁柱非线性时，此窗口被激活。程序按用户输入的 分级数将荷载分成n级逐步计算，每次计算都进行刚 度矩阵修正，因此级数越高结果越精确，但计算时间 越长。 q形成刚臂时决定节点位置的单元号： 当多个单元共用一个节点号，且其节点位置不重合时，形 成刚臂。此时，程序有一套默认的确定节点位置的规则。 若此规则不能表达结构的实际情况时，用户可以在这里填 入单元号，来改变系统的固定算法，系统将根据用户填入 的单元来确定节点的位置。 计算细节控制 生成调束信息：对进行“全桥结构安全验算”的预应力构 件选择此命令，可使程序在计算时生成调束信息，便 于进行调束工作。 调束阶段号：用户填入需要产生调束信息的施工阶段 号，不填默认为全部阶段。在选中“生成调束信息”时有 效。 生成调索信息：对进行“全桥结构安全验算”的含有拉索 单元的结构选择此命令，可使程序在计算时生成调索 信息，便于进行调索工作。 桥面为竖直单元：选择此命令，将使桥面单元的左右 截面为竖直截面。 极限组合计预应力：在进行结构极限组合计算的时候， 预应力的作用是否当作外力计入结构。根据公桥规 2004，预应力构件的极限强度是不计预应力的。但对于 一些预应力桥梁中的非预应力构件，预应力的作用力却 对这些构件的极限组合内力有影响，比如预应力连续刚 构的桥墩等构件。 极限组合计二次矩：在按公桥规2004版进行计算的 时候被激活，用户指定是否考虑预应力二次矩。对预应 力连续梁以外的其它结构，计算结果将不准确。 极限组合计收缩、徐变：在按公桥规2004版进行计 算的时候被激活，用户指定是否考虑收缩、徐变。 极限组合计温度：在按公桥规2004版进行计算的 时候被激活，用户指定是否考虑温度效应，包括结构 升降温和梯度温度。 极限组合计沉降：在按公桥规2004版进行计算的 时候被激活，用户指定是否考虑不均匀沉降的影响。 结构重要性系数：在公桥规2004版中，根据结构 的重要性确定的内力扩大系数。 规范 用户选择计算适用的规范。由于桥梁博士3.0可 以按照多个规范进行验算，在输入单元材料、单元 钢筋、预应力材料等信息时，必须使之与适用的规 范相对应 输入单元信息 用户可以使用右键菜单或“数据”下拉式菜单，切换到单元 输入窗口： 单元的基本信息 节点号和顶缘坐标： (1) 单元左右节点顶缘或中点坐标位置的意义 如图所示 (2) 手动逐个输入单元的左右节点号、左右节 点坐标，也可以通过快速编辑器，编辑成批的单元 信息。 单元的性质 vv 钢筋混凝土钢筋混凝土：截面由混凝土和普通钢筋组成。按全截面计算 结构内力，按开裂截面计算其应力和强度，验算时将验算裂 缝宽度； vv 预应力混凝土预应力混凝土：截面由混凝土、普通钢筋和预应力钢筋组成 。按全断面计算其应力，按开裂截面验算其极限强度。 vv 组合构件组合构件：截面由混凝土和钢材组成。按全断面计算应力。 vv 钢构件钢构件：截面只由钢材组成。按全断面计算应力。 vv 拉索拉索：截面只由钢筋或钢材组成。只有当构件需要调整其轴 力时，才有必要将其置为拉索单元。拉索单元只提供拉力， 而不会产生其它性质的内力。 vv 圬工构件圬工构件：截面由圬工材料组成。因圬工材料的性质差异很 大，程序没有提供默认的圬工材料，需要用户自定义。 vv 全预应力构件全预应力构件：预应力混凝土单元验算是否一定要按全 预应力构件验算。如果是，则验算时截面不准出现拉应 力；如果否，则先按全预应力验算，不满足则按A类构 件验算，仍不满足则按B类构件验算。 vv 现场浇注构件现场浇注构件：当单元为混凝土构件时，此项被激活， 由用户选择单元的施工方式。在公桥规（2004）中 ，现浇构件和预制、拼装构件的计算是有区别的。 vv 是否桥面单元是否桥面单元：当前单元是否桥面单元。用于确定施工 阶段的移动荷载（坐标荷载）作用位置和使用阶段影响 线计算时单位荷载作用点位置，以及判断剪力影响线的 突变位置。如果计算活载时计入非线性效应则也将据此 确定活载的作用位置。简单的说，程序就是据此确定活 荷载作用在哪些单元上。 有效长度 对于受压构件，在此输入单元的有效长度lo，用于计 算偏心受压构件的偏心距增大系数或轴心受压构件 的稳定系数。参见公桥规（2004）第5.3项。 自重系数 在计算单元自重时程序根据单元体积和材料的容 重再乘以该自重调整系数，得出计算用的单元自 重。 系统默认的材料容重为：混凝土25KN/m3，钢材 78.5KN/m3。 用户可以根据混凝土结构的配筋率适当调整此系 数。如果单元由 1立方米30#混凝土组成，其自重 系数为2，则单元总重25 x 1 x 250 KN。 加载龄期 混凝土在单元第一次受力时（即安装时 ）已养护的天数。 系统缺省默认值为28。 左端为张拉端 当单元为拉索时此选项被激活。 选中此框则表示拉索的左端为张拉端，否则拉索的右端为张 拉端。 如果拉索安装时没有张拉力，则拉索的重量按照等效节点荷 载原理施加到拉索的两端； 如果安装时有初张拉力，则自重只等效到非张拉端，而张拉 端的索力为初始张拉力。 优化计算和施工计算的拉索初始力都是指张拉端的索力，仅 由张拉设备控制，没有重力的效应。在非张拉端则根据张拉 端的内力考虑重力对索力的影响后计算得到。所以，对于拉 索单元，左端张拉与右端张拉得到的最终索力将是不同的。 截面特征描述 单击左截面或右截面，弹出截面特征描述对话框，如图 410所示，此对话框同时出现在快速编辑器的各项功能中 。 如果截面内有钢束穿过，系统在计算时自动根据钢束特征 修正截面信息（钢束灌浆前截面特征中扣除孔道的影响， 钢束灌浆后钢束的面积将换算到截面特征中）。 重新设定与大气接触的周边长度：计算混凝土收缩时使用 。填0则由程序根据截面形状自动计算。 材料类型：注意使其类型与适用的规范相对应。用户还可 使用工具菜单下的材料特征命令自定义新的材料类型。 顶缘、底缘有效宽度：较宽截面的有效分布宽度。 (1) 计算截面几何特征在结构内力分析时使用全截面， 应力、强度分析时使用有效截面。 (2) 在公桥规2004中，计算轴力产生的应力时，按 全断面计算。 (3) 此值若填0则表示该截面都是有效截面。 (4) 关于有效宽度的取值，可参见公桥规2004第 4.2.3条。 截面钢筋：截面上配置的普通钢筋信息。 截面钢筋输入时，钢筋的高度为正值表示距 截面底缘的距离，为负值时表示距截面顶缘的距 离。 附加截面：彻底解决了组合截面较难模拟的问题 。 截面几何描述 截面的几何信息输入方式： 图形输入：选择常用的或用户自定义的图形， 输入其参数； 节线输入：输入不同高度处的截面宽度； 特殊输入：直接输入截面的各项指标； 坐标输入：用户以坐标形式，逐点描述截面形 状； 自AutoCAD读入。 图形输入 节线输入 用户应以逆时针顺序逐一输入各点坐标。而坐 标又有相对坐标与绝对坐标之分。相对坐标的含义是 指当前点的坐标相对于前一点的坐标偏移量。 坐标输入 按绝对坐标输入为： 0 0 1000 0 1000 2000 0 2000 实区 250 500 750 500 750 1500 250 1500 空区 按相对坐标输入： 0 0 1000 0 0 2000 -1000 0 实区 250 500 500 0 0 1000 -500 0 空区 快速编辑器 快速编辑器的意义 一般的结构，均有几十至几百个单元，数据量庞大， 逐一输入单元信息实不可取。对于通常的桥梁结构， 可以通过快速编辑器完成大部分单元的编辑。 系统根据各种桥型的特点，提供了单元的快速编辑器 。除一些特殊单元外，用户应尽可能使用快速编辑器 编辑结构的单元特征。 编辑器主要是使用单元组的概念，充分利用截面特征 的拟合和坐标的自动计算功能，减轻输入的工作量。 直线 功能：快速编辑连成一条直线的多个单元信息。 系统将打开如图 所示的对话框。 特点： 单元的顶缘或截面的高度中点位于同一根直线上 ， 其截面可由有限的控制断面经直线内插或按抛物 线拟合而成 截面的形成示意 二次抛物线拟合 二次抛物线则需由三点确定。图为一示例，此例在距离起 点0、10、25m三处定义了控制截面。 第一点的截面拟合类型不限制，第二点的拟合类型必须是 “向后抛物线”，第三点的类型必须是“向前抛物线”。这样 ，程序将以此三点为控制点，拟合出一条二次抛物线。 抛物线内插取用控制断面的示 意 拱肋 功能：快速编辑多个单元信息，这些单元连成一条 “抛物线”、“圆弧线”或“悬链线”。系统将打开如图 418所示的对话框。选择了曲线类型后，根据图示 填入相应的控制信息 特点： 将各单元截面拟合为等截面。 如果实际情况不是如此，用户也可以用“直线”快速 编辑器中的截面拟合工具重新编辑单元的截面信息 （不改坐标信息），而只用“拱肋”快速编辑器编辑 单元节点的坐标位置。 拱肋单元快速编辑器 拉索 功能：快速编辑多个拉索单元信息，弹出斜拉索单 元组编辑对话框如图 419所示。 特点： 拉索单元组是指斜拉桥中拉索单元，其左右端分别 位于不同的直线上的单元组。 分段长度应填写正值, 坐标的计算将从起点根据参考 点的位置和分段的方向延参考线分别做递增或递减 计算。此处的参考线可以不是水平或竖直的。 编辑示意：图 420给出了拉索单元组的编辑示意。 斜拉索单元组编辑对话框 图 420 拉索单元组的编辑示 意 其中1、3控制点为拉索左节点的起始点和参考点 ，2、3控制点为右节点的起始点和参考点，坐标 的增或减依据参考点相对于起始点的位置而定， 图中示例是基于在编辑器中选择了左节点X向、 右节点Y向偏移，如果没有选择此项，则左节点 为Y向、右节点X向偏移，即适合于桥塔另一侧的 拉索单元组。 本例中的坐标计算，左节点以1#控制点为基础X坐标 依次递增5.0米，右节点以2#控制点为基础，Y坐标依 次递增2.0米，其左节点的Y坐标和右节点的X坐标经 内插得到，本例为分别保持其起点对应坐标不变； 拉索特征模板：选择拉索单元的材料类型。 平行 功能：快速编辑多个平行单元信息，单击弹出平行单元组 编辑对话框，如图 421所示。 特点： 平行单元组是指在水平方向并列放置，其左右端分别位于 不同的直线或抛物线上的单元组,如拱桥的吊杆或立柱等。 图 422给出了平行单元组的生成示意： 图 421平行单元组编辑对话框 图 422 平行单元组编辑示意 其中要编辑的单元为吊杆，左右节点各有3个控制点 ，填入相应坐标，根据曲线方程自动计算各点的坐 标，其它单元信息将自动从模板单元中取用； 如果拱肋和桥面上的节点坐标已经形成，则可通过 单元-截取坐标方法形成节点坐标。 对称 功能：快速编辑多个单元信息，使之与已有的多个单元对 称。图 423给出了单个单元对称操作的示意： 系统在对称时自动将左右截面置换，用户需要在 定义生成单元的左右节点号定义时予以反置。 系统的对称操作将对换左右端的定义，即原单元 左端=生成单元右端，原单元右端=生成单元左端 。 在进行此操作时，左右节点号的设定应作相应考 虑：生成单元号与模板单元号一一对应，左右节 点号应与生成单元号一一对应。 平移 功能：快速编辑多个单元信息，使之与已有的多个 单元信息相似，而坐标不同。图 424给出了单个单 元平移的操作示意： 特点：平移操作实际上相当于拷贝操作，仅仅将生 成的单元的左右节点号和节点坐标改变即可。 图 424 单元组平移操作示意 内插 功能：内插操作是指在已经生成的单元中内插节点， 将原单元拆分为两个新单元。图 425示出了单元内插 操作的意义。 特点： 单元内插操作一般用在桁架桥的腹杆单元编辑。 如果腹杆需要内插节点，可先将腹杆两端节点生成，再 采用内插操作一次完成。 示例： 原有单元5，左节点号为3，右节点号为4。现内插节点8 。 内插结果为：原5#单元的右节点变为8，相应修改坐标 和截面信息。新生成6#单元，左节点号为8，右节点号 为4，相应修改坐标和截面信息，坐标和截面信息为根 据操作要求进行线性内插。 单元 功能：单元操作是对多个单元的某个共同特征进行全局修 改。如图 426所示。 单元编辑命令可全局修改单元的多个特征，也可完 成单元的坐标偏移，或截取单元的左右节点坐标。 截取坐标时指根据单元的左右节点号，在已经输入 的单元库中搜索已经输入的节点坐标，如果节点号 相同，则将已经输入的节点坐标拷贝到现编辑的单 元中。 这在输入桁架腹杆单元时非常有用，可先将上下弦 杆单元生成，再指定需编辑腹杆单元的左右节点号 ，然后采用截取坐标命令，搜索坐标。 如果同时选择了坐标偏移命令，则先搜索坐标，再 将该坐标按用户的坐标偏移控制进行偏移操作。 示例 例如，如果发现1-10号单元的自重系数需要由1变为 1.04，则使用单元命令，输入如图 426数据，单击 确定即可。 例如，如果发现1-10号单元的顶缘Y坐标偏低20cm， 则可选择坐标偏移，填写编辑量设置中的左右节点 坐标偏移Y=0.2，坐标的偏移可在X向、Y向或单元 的法向偏移。 截面 功能：截面操作是对多个单元的左或右截面的某个 共同特征进行全局修改。 示例：例如，如果发现1-10号单元截面上的普通钢筋 信息不正确，则可使用截面命令，将1-10号单元的截 面钢筋按模板截面上钢筋进行用户指定的修改。如 图 427所示。 图 427 截面编辑命令 坐标 功能：对结构一组单元左右节点坐标进行切割或拟合操作 。 特点： 复杂桥梁结构节点处构造复杂，或者大跨径桥梁设置的竖 曲线等，在结构的坐标输入时较难处理，采用坐标命令可 有效地解决这一问题。 切割一般用在构件的线形控制点已知，但其实际位置距离 控制点存在偏位。 拟合一般用在竖曲线的生成，可先将主梁按X坐标分段， 忽略竖曲线，然后采用拟合命令，根据主梁单元左右节点 X坐标和用户设定的竖曲线方程插值计算单元节点的实际 Y坐标。 示例 例如斜拉索锚固点与主梁轴线及主塔中线的偏移等 ，可先将拉索坐标设置在控制点上，然后采用切割 命令，给定切割线方程，系统自动内插得到实际位 置的坐标值。 单元编辑总结 以上所介绍的单元快速编辑器可随时使用，用户 应根据实际情况，寻找最快捷的方式输入，以下 将根据经验提供一些基本方法供用户参考： 单元顶缘线或中心线位于一条直线上时，例如桥 面单元或桥塔、桥墩及弦杆等，一般使用直线命 令，如果存在竖曲线可采用坐标命令进行拟合。 拱肋单元一般使用拱肋命令，也可以采用直线命 令，然后使用坐标命令进行拟合坐标。 斜拉索使用拉索命令，一般在施工图设计时，拉索的锚固 点坐标需特殊指定，一般应根据拉索节点与梁、塔坐标的 相对关系，通过截取拉索节点坐标，再采用坐标命令进行 切割。方案设计时可以将拉索置于梁塔节点处。 系杆拱吊杆一般采用指定吊杆节点号后使用坐标截取命令 。 拱桥立柱或桁架桥的腹杆一般采用指定节点号，截取节点 坐标，如果需要再内插单元，最后再根据力学需要，偏移 节点坐标或切割节点坐标，以便考虑节点刚臂的影响。 如果截面为等截面，可先不管单元的截面信息，最后采用 截面命令进行替换。 截面上的普通钢筋可通过添加式输入。 单元的基本信息可在最后采用单元命令统一设置。 如果发现坐标的输入有偏差，可使用单元的坐标偏移命令进 行修改。 对称结构可先输入半结构，再采用对称命令输入另一半结构 。 如果结构的某些部位可通过平移得到，则尽量采用平移命令 。 对称操作时，如果发现单元左右端信息反了，可使用单元命 令对换左右端信息。 结构输入前，亦将控制断面存入文件，便于数据维护。 如果截面在拟合时存在突变点，可先忽略突变点，拟合完成 后再局部修改。 节点坐标规律不明确时，可采用自CAD读入的方法将坐标读 入。 输入钢束信息 用户可以使用右键菜单或“数据”下拉式菜单，切换到钢束 输入窗口，如图 448所示： 数据准备 首先对结构中的所有预应力钢束进行编号。 编号的原则： (1) 不同钢束几何类型、不同材料类型需分别编号 ， (2) 如果几何类型相同，材料也相同，但需要考虑 钢束分批张拉弹性压缩损失时也需根据张拉过程进 行编号。 基本信息 钢束钢质：选择预应力钢束材料。 钢束编束根数：例如，如果采用OVM15-7，则编束根数为 7。 钢束束数：同一类型钢束的束数。 钢束锚固时弹性回缩合计总变形：指所有张拉端回缩合计 值。参考公桥规2004第6.2.3条取值。 张拉控制应力：钢束在张拉端锚固时的有效预应力（应扣 除锚口损失），输入正值表示锚固应力，负值表示张拉力 （对于先张法构件，应在此扣除温差导致的s3损失）。 超张拉系数：钢束超张拉应力与张拉控制应力的比值。如 果此值为0，该号钢束不超张拉。 成孔方式 用于确定管道摩阻系数和局部偏差系数，参见表4-1。 在公桥规2004中，成孔方式更多，管道摩阻系数和局 部偏差系数各异，程序所内定的取值不足以覆盖规范的全 部类型。 对于与下表取值不符的成孔方式，用户应选择自定义类型 ，然后填入相应的管道摩阻系数和局部偏差系数值。 成孔面积 钢束预留孔道的面积。 成孔面积是指一束钢束的成孔面积，即一个孔道的面积。 如果该号钢束由多束构成，系统自动将该面积乘以束数。 先张法构件应将此值设定为0。 在该钢束尚未灌浆之前考虑其孔道对截面特征削弱的影响 。 张拉方式：选择施工时采用的张拉方法。此处的左、右端 分别指钢束的起、终点。 体外束：选择是否体外钢束。若为体外束则不计入其对截 面换算截面特征的影响。 松弛率：输入钢束的松弛率（）。 (1) 可根据厂家提供的材料资料填写。或按规范取 值： (2) 公桥规85可参考第5.2.10条取值； (3) 公桥规2004参考第6.2.6条取值，填0时程序 根据公式（6.2.6-1）按低松弛计算； (4) 铁桥规参考第6.3.4条第5款取值。 松弛时间： (1) 填0时程序按相关规范规定的松弛曲线取值， 计算不同时间的松弛率； (2) 不为0时程序按所填天数，按直线内插取值， 计算不同时间的松弛率。 钢束名称：作为备注使用，用以区别钢束 上、下参考线：在此输入（在总体信息中）已经定义的上 下参考线名称，供输入竖弯信息时使用。对于不使用参考 线的钢束，可以不填。 取于文件：根据系统提供的几种钢束形状，以文本参数形 式输入。 相关单元号：与该钢束相关的所有单元号，系统将完全按 照用户的设定来形成等效荷载。系统能自动识别与钢束相 关的预应力单元；当非预应力单元内有钢束时，则必须人 为在此设定相关单元号。缺省系统只认为预应力单元才有 预应力钢束通过。 排除单元号：当钢束通过几个单元的交界处时，为确保钢 束位置判断的可靠性，采用排除单元来避免二义性，系统 在自动分析钢束位置后，再去掉用户输入的排除单元号。 一般不予使用。 钢束几何描述 竖弯： 功能：弹出钢束几何形状描述（竖弯）对话框，如图 429所 示。 输入 是否导线输入：按导线点输入，用户应逐行填入各导 线点的（x，y）坐标，以及此点处的钢束转折半径； 若不按导线点输入，用户应逐行填入各转折点的坐标 ，以及与前一点之间的曲线半径，直线则填“0”。 是否相对坐标输入：按相对坐标输入，则用户应逐行 填入各点相对前一点的相对x坐标，而y坐标仍是绝对 坐标；否则填绝对坐标；不论是否为相对坐标，其第 一点坐标必须是绝对坐标。 几何参数：用户根据所选的输入方式，填入适当的节 点坐标和对应的半径。用户在这里使用参考线的概念 ，使所输入的y坐标为相对于参考线的坐标。例如， 对一座变截面连续梁，可在“总体信息”中生成其梁底 缘线，作为参考线。而在输入其底板束时只需输入钢 束相对于底板的y高度方向位置，程序自动将直线钢 束调整为延梁底缘参考线走向的底板束。 在使用参考线时不可同时使用参考点坐标；不采用导 线输入的钢束不能进行调束操作。 平弯 钢束的平弯输入与竖弯输入方法类似。此时的“z”坐 标，是指横向坐标。平弯输入时，若不使用相对坐 标，则其输入的“x”值需与竖弯的“x”值以及整体坐标 的“x”值相一致。为简化输入，用户可使用相对坐标 输入，详见下例。 竖弯、平弯示例 说明：例图 430，这是一条底板钢束。在老版本 的桥梁博士中，为输入此钢束的竖弯信息， 需要用多条折线来模拟。现在，使用参考线的概 念，可以使输入数据大为简化。 竖弯几何参数输入： 选中“导线输入”； 输入四点坐标（-20，0.6）、（-17，0.13）、（17， 0.13）、（20，0.6），及相应半径。 相对于参考线0，即下参考线。 在钢束信息中，填入已经定义的梁底缘下参考线名称 ：“bot”。 这样，以上四点，既是相对于参考线的四点，在（-17 ，0.13）和（17，0.13）点间的长直线段，实际上就 是和参考线平行的、延底板弯曲的曲线段。 平弯几何参数输入： 若以绝对坐标输入，应输入六点（-20，0）、（-17，0） 、（-15，0.5）、（15，0.5）、（17，0）、（20，0）及 相应半径。 若以相对坐标输入，应输入（0，0）、（3，0）、（5， 0.5）、（-5，0.5）、（-3，0）、（0，0）六点，各点的 “x”值是相对于起终点（而非前一点）的偏移值。x为正， 表示相对于起点；x为负，表示相对于终点。 其中的“z”坐标，用来确定钢束向左（正值）或向右（负值 ）偏离中心线的距离。这种偏离并不使结构产生横向受力 的差异，但会影响钢束的损失和伸长量。 相对坐标输入平弯时的最后一点坐标的“x”无意义。 参考点、倾斜角度 会产生一个以参考点为原点、经过旋转的局部坐标系 。 X：钢束局部坐标系原点在结构总体坐标系中的X坐标 ； Y：钢束局部坐标系原点在结构总体坐标系中的Y坐标 ； 倾斜角度：钢束局部坐标系在结构总体坐标系中的角 度，如果钢束局部坐标系是结构总体坐标系经逆时针 转动一个角度而形成，则该角度为正值，反之为负值 。如图 431所示： 注：钢束位置必须位于结构体之内，但不一定位于单元的界线处 ，即只要钢束位于结构的单元体内即可。 输入施工信息 使用“数据”菜单中的“输入施工阶段信息”命令或鼠标右键 弹出右菜单来切换到施工阶段信息输入窗口，如图 433所 示： 基本信息 单元施工描述：输入阶段安装与拆除的单元。 预应力钢束施工描述： 如果钢束未灌浆，则单元的截面特征中将不计入钢束的影 响（但扣除预应力钢束管道对截面的削弱），即钢束不与 截面共同作用； 如果已灌浆，则截面特征中将计入钢束换算截面的影响。 考虑本阶段分批张拉损失：在计算钢束张拉力的等效作用 力时，如果需要计入钢束分批张拉预应力损失时，则应选 择考虑本阶段分批张拉损失。 竖向预应力：如果结构配有竖向预应力，则应输入各有关 单元竖向预加力的大小，以便系统进行剪应力、主应力的 验算。竖向预应力由用户折算为单元每延米预应力的大小 ，直接输入。 本阶段施工周期：从本阶段开始时刻至本阶段结束时刻的 天数。用于结构的收缩徐变计算时建立时间坐标。 索力调整：系统将打开一个索力设定对话框，如图 434所 示。如果是带索结构，则输入拉索单元索力在本阶段的调 整信息。施工阶段拉索索力的调整方法参见优化阶段信息 输入及计算原理中的斜拉索索力部分。 修改约束：如果发现边界条件和主从约束输入有误，可采 用修改约束命令进行全局修改。 本阶段施工荷载描述：参见相关内容。 全局挂篮编组：参见相关内容。 阶段挂篮操作：参见相关内容。 施工荷载 永久荷载：永久性作用于结构上的荷载，如结构横 梁重量、二期铺装等； 临时荷载：一般为施工机具等荷载，下一阶段将自 动去除。 施工活载：一般在需要验算某阶段几种加载情况下 ，结构安全性是否满足要求，一般只在特殊的阶段 需要验算。 临时荷载与施工活载的区别： 临时荷载将计入本阶段的累计效应中（本阶段结束时结构 效应）， 施工活载则不计入到本阶段累计效应中，仅在本阶段施工 阶段验算中计入到本阶段组合效应中。 升温与降温：是作为施工活载处理的。 平均温度：是作为永久荷载处理的， 平均温度的效应是指前一阶段的平均温度与本阶段平均温 度的差值作为本阶段的温度荷载来计算的。 施工阶段温度荷载一般在设计阶段不予考虑，因为设计阶 段对结构的温度场还不明确，一般在施工控制中才需计算 。 移动荷载：坐标荷载的输入，是作为永久荷载处理的。 例如，结构的横梁重量，一般作为集中荷载输入，如果荷 载不位于节点上，则需要将其转换成单元杆间荷载处理， 有时这样操作非常繁琐。 可将横梁荷载编组（全局移动荷载描述命令），在各施工 阶段定义各组移动荷载参考点的X坐标（移动荷载命令） 。 则系统自动完成杆间或节点集中荷载的转换。移动荷载（ 坐标荷载）安装构件的重量系统自动计入，并作为永久荷 载处理。 系统荷载的形式参见图所示： 边界条件 功能：结构的外部约束信息, 边界条件决定着具有约束的节 点的位移。系统将打开一个边界条件对话框如图 441所示。 基本信息 刚性支承：则该节点相应方向上的位移为零； 弹性支承：则根据弹性系数确定外界对该节点相应方向的 限制情况，如果弹性系数极大，则表示相应方向趋近于刚 性支承；同理，如果弹性系数为零，则表示该方向没有约 束。 双向支承：表示支承节点在相应方向不能发生任何位移。 单向支承：只能发生正向或负向位移，正向支承是指该节 点只可以发生正向位移，负向支承是指该节点只可以发生 负向位移。 弯剪系数：外部约束发生单位水平位移时在该约束上产生 的弯矩（或发生单位转角位移时在该约束上产生的水平力 ） 使用注意 对于弹性支承，系统不支持单向支承，必须为双向支承。 单向支承一般用于模拟施工临时支架，对于满堂支架可采 用将主梁节点密置，在各节点上添加单向支承，并且为正 向支承，如图 442所示。 系统不支持使用阶段的单向支承。 最后一个施工阶段的边界条件（包括主从约束），就是使 用阶段的边界条件。 图 442 主从约束 功能：结构的内部约束信息, 系统将打开一个如图 443所 示的对话框： 特点 主从约束主要用来描述结构内部单元间的连接情况 ，存在主从约束表示两节点在此方向上具有同位移 。 如果两节点间的位移完全一致，即三个