midas施工阶段分析

1 本例题使用一个简单的两跨连续梁模型 图1 来重点介绍MIDAS Civil的施工 阶段分析功能 钢束预应力荷载的输入方法以及查看分析结果的方法等 主要包括 分析预应力混凝土结构时定义钢束特性 钢束形状 输入预应力荷载 定义施工阶 段等的方法 以及在分析结果中查看徐变和收缩 钢束预应力等引起的结构的应力 和内力变化特性的步骤和方法 图1 分析模型 2 12 m6 m6 m L 30 mL 30 m CS1CS2 3 m 1 5 m 0 2 m 0 2 m 0 2 m 0 2 m 1 8 m 2 m 桥梁概况及一般截面桥梁概况及一般截面 分析模型为一个两跨连续梁 其钢束的布置如图2所示 分为两个阶段来施工 桥梁形式 两跨连续的预应力混凝土梁 桥梁长度 L 2 30 60 0 m 钢束坐标钢束坐标 区区 分分 x m 0122430364860 钢束1z m 1 50 22 61 8 钢束2z m 2 02 80 21 5 图2 立面图和剖面图 1 5 m 0 2 m 0 2 0 2 m 3 m 2 m 3 预应力混凝土梁的分析步骤预应力混凝土梁的分析步骤 预应力混凝土梁的分析步骤如下 1 定义材料和截面 2 建立结构模型 3 输入荷载 恒荷载 钢束特性和形状 钢束预应力荷载 4 定义施工阶段 5 输入移动荷载数据 6 运行结构分析 7 查看结果 4 使用的材料及其容许应力使用的材料及其容许应力 混凝土混凝土 设计强度 2 ck cm kgf400 f 初期抗压强度 2 ci cm kgf270 f 弹性模量 Ec 3 000Wc1 5 fck 70 000 3 07 105kgf cm2 容许应力 容许应力预应力作用后 瞬间 预应力损失发生后 最终 抗 拉 抗 压 2 ci ca cm kgf 5 148 f55 0 f 2 ci ta cm kgf 1 13 f8 0 f 2 ckca cm kgf0 160f4 0f 2 ckta cm kgf 0 32 f6 1 f 预应力钢束预应力钢束 KSD 7002 SWPC 7B 15 2mm 0 6 strand 屈服强度 2 py mm kgf160 fstrand tonf 6 22 Py 抗拉强度 2 pu mm kgf190 fstrand tonf 6 26 Pu 截面面积 2 387 1 cmAp 弹性模量 26 p cm kgf10 0 2 E 张 拉 力 fpi 0 7fpu 133kgf mm2 锚固装置滑动 mm6 s 磨擦系数 rad 30 0 m 006 0 k 容许应力 张拉时的最大应力锚固瞬间 po f应力损失后使用状态 2 py mm kgf144 f9 0 2 pu mm kgf133 f7 0 2 py mm kgf128 f8 0 5 荷载荷载 恒荷载恒荷载 自重 在程序中按自重自重输入 预应力预应力 钢束 15 2 mm 31 0 6 31 截面面积 Au 1 387 31 42 997 cm2 孔道直径 133 mm 张拉力 抗拉强度的70 fpj 0 7 fpu 13 300 kgf cm2 Pi Au fpj 405 8 tonf 张拉后的瞬间损失 程序自动计算 摩擦损失 0 kL X ePP 30 0 006 0 k 锚固装置滑动引起的损失 mm6 I c 弹性收缩引起的损失 损失量 SPPE AfP 最终损失 程序自动计算 钢束的松弛 Relaxation 徐变和收缩引起的损失 徐变和收缩徐变和收缩 条件 水泥 普通硅酸盐水泥 长期荷载作用时混凝土的材龄 5天 o t 混凝土与大气接触时的材龄 3天 s t 相对湿度 70 RH 大气或养护温度 C 20 T 适用规范 CEB FIP 徐变系数 程序计算 混凝土收缩变形率 程序计算 活荷载活荷载 适用规范 城市桥梁设计荷载规范 荷载种类 C AL C AD 20 6 设置操作环境设置操作环境 打开新文件 新项目新项目 以 PSC beam 为名保存 保存保存 将单位体系设置为 tonf 和 m 该单位体系可根据输入数据的种类任意转换 File New Project File Save PSC beam Tools Unit System Length m Force tonf 图3 设置单位体系 单位体系还可以通单位体系还可以通 过点击画面下端状态过点击画面下端状态 条的单位选择键条的单位选择键 来进行转换 来进行转换 7 定义材料和截面定义材料和截面 下面定义PSC beam所使用的混凝土和钢束的材料特性 Model Properties Material Type Concrete Standard KS civil RC DB C400 Name Tendon Type User Defined Standard None Analysis Data Modulus of Elasticity 2 1e7 图4 定义材料对话框 同时定义多种材料同时定义多种材料 特性时 使用特性时 使用 键可以连续输入 键可以连续输入 8 定义截面定义截面 PSC beam的截面使用比较简单的矩形截面来定义 Model Properties Section DB User Section ID 1 Name Beam Section Type Solid Rectangle User H 3 B 2 Offset Center Bottom 图5 定义截面的对话框 9 定义材料的时间依存性并连接定义材料的时间依存性并连接 为了考虑徐变 收缩以及抗压强度的变化 下面定义材料的时间依存特性 材料的时间依存特性参照以下数据来输入 28天强度 fck 400 kgf cm2 相对湿度 RH 70 理论厚度 1 2m 2Ac u 2 x 6 10 1 2 混凝土种类 普通水泥 N R 拆模时间 3天 Model Property Time Dependent Material Creep Code CEB FIP Compressive strength of concrete at the age of 28 days 4000 Relative humidity of ambient environment 40 99 70 Notational size of member 1 2 Type of cement Normal or rapid hardening cements N R Age of concrete at the beginning of shrinkage 3 图6 定义材料的徐变和收缩特性 截面形状比较复杂时 截面形状比较复杂时 可使用可使用模型模型 材料和街面特材料和街面特 性值性值 修改单元材料时间依修改单元材料时间依 存特性存特性 的功能来输入的功能来输入h h值值 10 混凝土浇筑后随时间变化而逐渐硬化 时间越长其强度越大 本例题根据CEB FIP所规定的混凝土强度发展函数考虑了混凝土的这一特性 Model Property Time Dependent Material Comp Strength Name Comp Strength Type Code Development of Strength Code CEB FIP Concrete Compressive Strength at 28 Days S28 4000 Cement Type a N R 0 25 图7 定义随时间变化的混凝土强度发展函数 11 参照图8将一般材料特性和时间依存材料特性相连接 即 将时间依存材料特性 赋予相应的材料 Model Property Time Dependent Material Link Time Dependent Material Type Creep Shrinkage Creep Shrinkage Comp Strength Comp Strength Select Material for Assign Materials 1 C400 Selected Materials 图8 连接时间依存材料特性 12 建立结构模型建立结构模型 利用建立节点建立节点和扩展单元扩展单元的功能来建立单元 Point Grid off Point Grid Snap off Line Grid Snap off Front View Auto Fitting Model Nodes Create Nodes Coordinates 0 0 0 Model Elements Extrude Elements Select All Extrude Type Node Line Element Element Type Beam Material 1 C400 Section 1 Beam General Type Translate Translation Equal Distance dx dy dz 2 0 0 Number of Times 30 图9 建立几何模型 13 定义结构组 边界条件组和荷载组定义结构组 边界条件组和荷载组 为了进行施工阶段分析 将在各施工阶段 construction stage 所要激活和钝化的 单元和边界条件定义为组 并利用组来定义施工阶段 Group Structure Group New Define Structure Group Name S G Suffix 1to2 Define Structure Group Name All Element Number on Select Window Elements 1 to 18 Group Structure Group S G1 Drag Suffix 1to2 图11 建立边界组 Boundary Group C 15 新建荷载组新建荷载组 恒荷载组和预应力荷载组名称的新建方法如下 Group Load Group New Define Load Group Name Selfweight Define Load Group Name Tendon Suffix 1to2 图12 建立荷载组 Load Group C 16 输入边界条件输入边界条件 边界条件的输入方法如下 Element Number off Node Number on Model Boundary Supports Select Single Nodes 1 Boundary Group Name B G1 Options Add Support Type Dy Dz Rx on Select Single Nodes 16 Boundary Group Name B G1 Options Add Support Type Dx Dy Dz Rx on Select Single Nodes 31 Boundary Group Name B G2 Options Add Support Type Dy Dz Rx on 图13 定义边界条件 17 输入荷载输入荷载 本例题针对恒荷载和预应力荷载进行施工阶段分析 移动荷载分析则需 另行输入移动荷载数据 Load Static Load Cases Name 恒荷载恒荷载 Type Construction Stage Load Name Prestress 1 Type Construction Stage Load Name Prestress 2 Type Construction Stage Load 图14 输入静力荷载工况的对话框 18 输入恒荷载输入恒荷载 使用 自重自重 功能输入恒荷载 Load Self Weight Load Case Name 恒荷载 Load Group Name Selfweight Self Weight Factor Z 1 图15 输入恒荷载 19 输入钢束特性值输入钢束特性值 Load Prestress Loads Tendon Property Tendon Name Tendon Tendon Type Internal Material 2 Tendon Total Tendon Area 0 or Tendon Area 15 2mm 0 6 Number of Tendon Area 31 Duct Diameter 0 133 Relaxation Coefficient 45 Curvature Friction Factor 0 3 Wobble Friction Factor 0 0066 Ultimate Strength Yield Strength Load Type Post Tension Anchorage Slip Begin 0 006 End 0 006 图16 输入钢束特性值 当当钢钢束施加束施加张张拉力拉力 维维持其一定的持其一定的应变应变 时时 作用到 作用到钢钢束上的束上的 张张拉拉应应力力随随时间时间的推的推 移逐移逐渐渐减减小小 这这个个现现 象象称称之之为为松弛松弛 Relaxat ion MIDAS Civil采采 用用Magura公式公式来来考考虑虑 钢钢束的松弛 松弛系束的松弛 松弛系 数数为该为该式中式中与与钢钢材有材有 关关的常的常数数 一般 一般钢钢材材 取取值为值为10 低松弛 低松弛钢钢 材取材取值值45 详见详见用用户户 手手册册Analysis for Civil Structures的的 预应力预应力 损失损失 20 输入钢束形状输入钢束形状 首先输入第一跨的钢束形状 Hidden on Element Number on Node Number off Model Loads Prestress Loads Tendon Profile Tendon Name Tendon 1 Tendon Property Tendon Select Window Elements 1 to 18 Straight Length of Tendon Begin 0 End 0 Profile 1 x 0 y 0 z 1 5 fix off 2 x 12 y 0 z 0 2 fix on Ry 0 Rz 0 3 x 30 y 0 z 2 6 fix on Ry 0 Rz 0 4 x 36 y 0 z 1 8 fix off Tendon Shape Straight Profile Insertion Point 0 0 0 X Axis Direction X 图17 定义钢束形状 钩选固定钩选固定 fix fix 的话的话 该点的斜率为所输入该点的斜率为所输入 的值 若不选则生成的值 若不选则生成 拥有适当斜率的曲线拥有适当斜率的曲线 21 下面输入第二跨的钢束布置形状 Model Loads Prestress Loads Tendon Profile Tendon Name Tendon 2 Tendon Property Tendon Select Window Elements 13 to 30 Straight Length of Tendon Begin 0 End 0 Profile 1 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 Straight Profile Insertion Point 0 0 0 X Axis Direction X 图18 定义第二跨的钢束布置形状 22 下面按如下方法确认所输入的钢束的形状 Element Number off Display Misc tab Tendon Profile on Name on Point on 图19 确认输入的钢束形状 23 输入钢束预应力荷载输入钢束预应力荷载 定义完钢束的形状后 在各施工阶段施加相应的预应力荷载 Load Prestress Loads Tendon Prestress Loads Load Case Name Prestress 1 Load Group Name Tendon 1 Tendon Tendon 1 Selected Tendons Stress Value Stress 1st Jacking Begin Begin End Grouting after 1 图20 输入预应力荷载 选择两端张拉时的选择两端张拉时的 先张拉端 先张拉端 定义对钢束孔道注定义对钢束孔道注 浆的施工阶段 注浆浆的施工阶段 注浆 前的应力按实际截面前的应力按实际截面 计算 注浆后按组合计算 注浆后按组合 成的截面来计算 成的截面来计算 在在 注浆中输入了注浆中输入了1 1意味着意味着 在张拉钢束之后的施在张拉钢束之后的施 工阶段注浆工阶段注浆 24 输入钢束2的预应力荷载 Load Prestress Loads Tendon Prestress Loads Load Case Name Prestress 2 Load Group Name Tendon 2 Tendon Tendon 2 Selected Tendons Stress Value Stress 1st Jacking Begin Begin End Grouting after 1 图21 输入预应力荷载 25 定义施工阶段定义施工阶段 本例题的施工阶段如表1所示 表1 各施工阶段的结构组 边界组和荷载组 Load Construction Stage Analysis Data Define Construction Stage 图22 施工阶段输入窗口 施工阶段分析模型的阶段是由基本 施工阶段 最后阶段组成的 基本阶段是对单元进行添加或删除 定义材料 截面 荷载和边界条件的阶段 可以说与实际施工阶段分析无关 且上述工作只能在基本阶段进行 施工阶段是进行实际施工阶段分析的阶段 在这里可以更改荷载状况和边界条 件 结构组结构组边界组边界组荷载组荷载组施工施工 阶段阶段 持续时间持续时间 天天 激活激活钝化钝化激活激活钝化钝化激活激活钝化钝化 CS120S G 1B G 1 恒荷载 Tendon 1 CS220S G 2B G 2Tendon 2 CS310000 26 最后阶段是对除施工阶段荷载以外的其他荷载进行分析的阶段 在该阶段可以 将一般荷载的分析结果和施工阶段分析的结果进行组合 最后阶段可以被定义为施 工阶段中的任一阶段 27 下面定义施工阶段1 CS1 Load Construction Analysis Control Data Define Construction Stage Name CS 1 Duration 20 Save Result Stage on Additional Step on Additional Step Auto Generation Step Number 5 Element tab Group List S G1 Activation Age 5 Boundary tab Group List B G1 Activation Support Spring Position Deformed Load tab Group List Selfweight Tendon 1 Activation Active Day First 图23 定义施工阶段1 CS1 28 定义施工阶段2 CS2 Load Construction Analysis Control Data Define Construction Stage Name CS 2 Duration 20 Save Result Stage on Additional Step on Additional Step Auto Generation Step Number 5 Element tab Group List S G2 Activation Age 5 Boundary tab Group List B G2 Activation Support Spring Position Deformed Load tab Group List Tendon 2 Activation Active Day First 图24 定义施工阶段2 CS2 29 下面定义施工阶段3 CS3 在施工阶段3中结构体系 边界条件 荷载没 有变化 只是进行持续时间为10 000天的时间依存性分析 Load Construction Analysis Control Data Define Construction Stage Name CS 3 Duration 10000 Save Result Stage on Additional Step on Additional Step Auto Generation Step Number 15 图25 定义施工阶段3 CS3 30 完成建模和定义施工阶段后 在施工阶段分析选项中选择是否考虑材料的时间 依存特性和弹性收缩引起的钢束应力损失 并指定分析徐变时的收敛条件和迭代次 数 Analysis Construction Stage Analysis Control Final Stage Last Stage Analysis Option Include Time Dependent Effect on Time Dependent Effect Creep Shrinkage on Type Creep Tolerance 0 01 Auto Time Step Generation for Large Time Gap on Tendon Tension Loss Effect Creep C AD 20 图28 输入车辆荷载 本例题中不考虑C AL和C AD 20 荷载同时在多条车道加载的情况 故在这里不定义 车辆组 标准车辆荷载数据标准车辆荷载数据 库中未包含的荷载可库中未包含的荷载可 通过用户定义来输入通过用户定义来输入 33 下面输入移动荷载工况 Load Moving Load Analysis Data Moving Load Cases Load Case Name Moving Load Sub Load Cases Vehicle Class VL C AL Min Number of Loaded Lanes 0 Max Number of Loaded Lanes 1 List of Lanes Lane1 Selected Lane Lane1 Sub 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 图29 移动荷载工况的输入窗口 34 图30 定义移动荷载工况 35 运行结构分析运行结构分析 建模 定义施工阶段全部输入结束后 运行结构分析 Analysis Perform Analysis 36 查看分析结果查看分析结果 对于MIDAS Civil施工阶段分析的结果 可查看到某一施工阶段为止所累积的全 部构件的应力和位移 也可查看某一单元随施工阶段的应力和位移的变化 利用图形查看应力和构件内力利用图形查看应力和构件内力 利用桥梁内力图桥梁内力图 查看施工阶段1 CS 1 中截面下缘的应力 Stage CS1 Results Bridge Girder Stress Diagram Load Cases Combinations CS Summation on Step Last Step Diagram Type Stress X Axis Type Distance Bridge Girder Elem Group All Components to combine 组合组合 on 3 y z Allowable Stress Line Draw Allowable Stress Line on Tens 320 图31 施工阶段1 CS1 中下缘应力曲线 参照联机帮助的参照联机帮助的 桥梁内力图桥梁内力图 参照联机帮助的参照联机帮助的 阶段阶段 步骤时程图步骤时程图 形形 合计是对于自重 合计是对于自重 恒荷载 徐变和收缩 恒荷载 徐变和收缩 钢束等分析结果的和 钢束等分析结果的和 37 利用桥梁内力图桥梁内力图 查看在各施工阶段所发生的最大 最小应力 Stage Min Max Results Bridge Girder Stress Diagram Load Cases Combinations CSmax Summation on CSmin Summation on Diagram Type Stress X Axis Type Distance Bridge Girder Elem Group All Components to combine 组合组合 on 3 y z Allowable Stress Line Draw Allowable Stress Line off Stage Min Max Results Bridge Girder Stress Diagram Load Cases Combinations CSmax Summation on CSmin Summation on Diagram Type Stress X Axis Type Distance Bridge Girder Elem Group All Components to combine 组合组合 on 3 y z Allowable Stress Line Draw Allowable Stress Line off 38 想详细查看应力曲线的某一特定区域的结果时 只要用鼠标框选该区域就可将 其放大 点击鼠标右键选择恢复到初始画面恢复到初始画面 即可回到原来状态 图32 在整个施工阶段发生的最大 最小应力图 Drag 39 下面查看由徐变和收缩引起的弯矩 由徐变和收缩引起的弯矩按一次应力和二 次应力分别输出 由于徐变系数和收缩促使结构发生变形的力叫一次应力 而当结构处于超静定 状态时 结构会产生约束上述变形的约束力 这种力叫二次应力 Stage CS3 Results Bridge Girder Stress Diagram Load Cases Combinations CS C X Axis Type Distance Bridge Girder Elem Group All Components to combine Sbz Generation Option Current Stage Step 图33 由徐变和收缩引起的弯矩 40 定义定义荷载组合荷载组合 对于未定义成为施工阶段荷载的其他荷载 将在最后施工阶段进行结构分析 并对其结果进行组合 在这里将与移动荷载的分析结果进行组合 查看其容许应力 Com1 而且会定义施工阶段荷载的分项系数来查看其极限强度 Com2 荷载组合 的定义步骤如下 Stage PostCS Results Combinations Active on Name Com1 Type Add Load Case Summation CS Factor 1 0 Load Case Moving load MV Factor 1 0 Active on Name Com2 Type Add Load 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 图34 定义荷载组合 荷载组合的定义荷载组合的定义 和删除只能在基本和删除只能在基本 阶段和最后阶段进阶段和最后阶段进 行 故需将阶段转行 故需将阶段转 换为最后阶段 换为最后阶段 41 利用荷载组合查看应力利用荷载组合查看应力 在最后施工阶段查看施工阶段分析结果和移动荷载分析结果叠加起来的应力图 形 Stage PostCS Results Bridge Girder Stress Diagram Load Cases Combinations CSmax Com1 on CSmin Com1 on Diagram Type Stress X Axis Type Distance Bridge Girder Elem Group All Components to combine 组合组合 on 3 y z Allowable Stress Line Draw Allowable Stress Line off Components to combine 组合组合 on 3 y z Allowable Stress Line Draw Allowable Stress Line off 图35 施工阶段荷载和移动荷载叠加的应力图 42 利用阶段阶段 步骤时程图形步骤时程图形 来查看受正 负弯矩的部位在各施工阶段的应力变化 Model View Results Stage Step History Graph Define Function Beam Force Stress Beam Force Stress Name 正弯矩端正弯矩端 Element ID 10 Stress Point J Node Components Bend z Combine Axial on Beam Force Stress Name 负弯矩端负弯矩端 Element ID 15 Stress Point J Node Components Bend z Combine Axial on Mode Multi F