斜拉桥成桥及正装分析

斜拉桥成桥阶段和正装分析 目 录 目 录 概要概要 1 1 桥梁基本数据 2 荷载 2 设定建模环境 3 定义材料和截面特性值 4 成桥阶段分析成桥阶段分析 6 6 建立模型 7 建立加劲梁模型 8 建立主塔 9 建立拉索 11 建立主塔支座 12 输入边界条件 13 索初拉力计算 14 定义荷载工况 16 输入荷载 17 运行结构分析 22 建立荷载组合 22 计算未知荷载系数 23 查看成桥阶段分析结果查看成桥阶段分析结果 27 27 查看变形形状 27 正装施工阶段分析正装施工阶段分析 28 28 正装施工阶段分析 32 正装施工阶段分析 32 正装分析模型 34 定义施工阶段 36 定义结构组 39 定义边界组 46 定义荷载组 51 定义施工阶段 57 施工阶段分析控制数据 62 运行结构分析 63 查看施工阶段分析结果查看施工阶段分析结果 64 64 查看变形形状 64 查看弯矩 65 查看轴力 66 查看计算未闭合配合力时使用的节点位移和内力值 67 成桥阶段分析和正装分析结果比较 68 斜拉桥成桥阶段与正装分析 概要 概要 斜拉桥是塔、拉索和加劲梁三种基本结构组成的缆索承重结构体系，桥形美观，且根 据所选的索塔形式以及拉索的布置能够形成多种多样的结构形式，容易与周边环境融合， 是符合环境设计理念的桥梁形式之一。 为了决定安装拉索时的控制张拉力，首先要决定在成桥阶段恒载作用下的初始平衡状 态，然后再按施工顺序进行施工阶段分析。 一般进行斜拉桥分析时首先通过倒拆分析计算初张拉力，然后进行正装施工阶段分 析。在本例题将介绍建立斜拉桥模型的方法、计算拉索初拉力的方法、施工阶段分析方 法、采用未闭合配合力功能利用成桥阶段分析张力进行正装分析的方法。本例题中的桥梁 模型为三跨连续斜拉桥（如图1），主跨110m、边跨跨经为40m。 图 1. 斜拉桥分析模型 斜拉桥成桥阶段与正装分析 桥梁基本数据 桥梁基本数据 为了说明斜拉桥分析步骤，本例题采用了较简单的分析模型，可能与实际桥梁设计内 容有所差异。 本例题桥梁的基本数据如下。 桥梁形式 三跨连续斜拉桥 桥梁跨经 40.0 m + 110.0 m + 40.0 m = 190.0 m 桥梁高度 主塔下部 : 20m，主塔上部 : 40m 索 主塔 索 主塔 主梁 40m 110m40m 主梁 图 2. 立面图 荷载 荷载 分 类 分 类 荷载类型 荷载类型 荷载值 荷载值 自重 自重 程序内部自动计算 索初拉力 初拉力荷载 满足成桥阶段初始平衡状态的 索初拉力? 挂篮荷载 节点荷载 80 tonf 支座强制位移 强制位移 10 cm ? 使用MIDAS/Civil 软件内含的优化法则 计算出索初拉力。 使用MIDAS/Civil 软件内含的优化法则 计算出索初拉力。 斜拉桥成桥阶段与正装分析 设定建模环境 设定建模环境 为了做斜拉桥成桥阶段分析首先打开新项目“cable stayedcable stayed”为名保存文件，开始 建立模型。 单位体系设置为“m”和“tonf”。该单位体系可以根据输入的数据类型随时随意更 换。 文件 / 新项目新项目 文件 / 保存保存 (cable stayed)(cable stayed) 工具 / 单位体系 单位体系 长度 m ；力 tonf 图 3. 设定建模环境及单位体系 斜拉桥成桥阶段与正装分析 定义材料和截面特性值 定义材料和截面特性值 输入加劲梁、主塔下部、主塔上部、拉索的材料特性值。 在材料和截面对话框中选 择材料表单点击“添加”按钮。 模型 / 材料和截面特性 / 材料材料 名称 (加劲梁)(加劲梁) 设计类型 用户定义用户定义 弹性模量 (2.1e7) ; (2.1e7) ; 泊松比 (0.3)(0.3) 容重 (7.85)(7.85)? ? 定义多种材料时， 使用适用按钮会更方 便一些。 定义多种材料时， 使用适用按钮会更方 便一些。 按上述方法参照表1输入主塔下部、主塔上部、拉索的材料特性值。 表 1. 材料特性值 号 项目 弹性模量 (tonf/m 2) 泊松比 容重 (tonf/m 3) 1 加劲梁 2.110 7 0.3 7.85 2 主塔下部 2.510 6 0.17 2.5 3 主塔上部 2.110 7 0.3 7.85 4 拉索 1.5710 7 0.3 7.85 图 4. 定义材料特性值 斜拉桥成桥阶段与正装分析 输入加劲梁、主塔下部、主塔上部、拉索的截面特性值。在材料和截面特性对话框的 截面表单点击“添加”按钮。 模型 / 材料和截面特性 / 截面截面 数值表单 截面号 (1) (1) ; 名称 (加劲梁) (加劲梁) 截面形状实腹长方形截面实腹长方形截面 截面特性值面积 (0.8) (0.8) 按上述方法参照表2输入加劲梁、主塔下部、主塔上部、拉索的截面特性值。 表 2. 截面特性值 号 项目 截面形状 面积 (m 2) Ixx (m 4) Iyy (m 4) Izz (m 4) 1 加劲梁 实腹长方形0.8 15.0 1.0 15.0 2 主塔下部 实腹长方形50.0 1000.0 500.0 500.0 3 主塔上部 实腹长方形0.3 5.0 5.0 5.0 4 拉索 实腹圆形 0.005 0.0 0.0 0.0 图 5. 定义截面特性值对话框 斜拉桥成桥阶段与正装分析 成桥阶段分析 成桥阶段分析 建立成桥阶段模型后计算自重和二期荷载引起的索初拉力。然后利用拉索初拉力进行 成桥阶段初始平衡状态分析。 首先建立斜拉桥的成桥阶段二维模型，利用包含索力优化功能的未知荷载系数功能未知荷载系数功能 计算拉索初拉力。 斜拉桥成桥阶段模型参见图6。 图 6. 斜拉桥成桥阶段模型 斜拉桥成桥阶段与正装分析 建立模型 建立模型 首先建立成桥阶段分析模型，待成桥阶段分析结束后另存为其它名称做施工阶段分 析。 建立斜拉桥成桥阶段模型的详细步骤如下。 1. 建立加劲梁模型 2. 建立主塔模型 3. 建立拉索模型 4. 生成主塔上的支座 5. 输入边界条件 6. 拉索初拉力计算：利用未知荷载系数功能 7. 输入荷载工况以及荷载 8. 运行结构分析 9. 计算未知荷载系数 斜拉桥成桥阶段与正装分析 建立加劲梁模型 建立加劲梁模型 首先用 建立节点建立节点 功能建立节点后使用 扩展单元扩展单元 功能生成910+25+9 10m的梁单元模型。 正面正面, 捕捉节点 捕捉节点 (开), 捕捉点栅格捕捉点栅格 (开) 自动对齐 自动对齐 (开), 节点号 节点号 (开) 模型 / 节点 / 建立节点建立节点 坐标 ( -95, 0, 0 ) ( -95, 0, 0 ) 模型 / 单元 / 扩展单元扩展单元 全选全选 扩展类型节点?线单元节点?线单元 单元属性单元类型梁单元 梁单元 材料1 : 加劲梁 1 : 加劲梁 ; 截面1 : 加劲梁 1 : 加劲梁 生成模式复制和移动复制和移动 复制和移动任意间距 ; 方向x x 间距910, 25, 910 910, 25, 910 图 7. 建立加劲梁单元 斜拉桥成桥阶段与正装分析 建立主塔 建立主塔 在主塔下部利用 建立节点建立节点 功能建立节点后，利用 扩展功能扩展功能 建立10m 5m的主塔下部梁单元。 模型 / 节点 / 建立节点建立节点 坐标 (-55 , 0, -20 ) (-55 , 0, -20 ) 复制复制次数 (1)(1) ; 距离 (110, 0, 0)(110, 0, 0) 模型 / 单元 / 扩展单元扩展单元 窗口选择窗口选择 (节点 : 图8的；节点22，23) 生成类型节点?线单元 节点?线单元 单元属性单元类型梁单元 梁单元 材料2 : 主塔下部 2 : 主塔下部 ; 截面2 : 主塔下部 2 : 主塔下部 生成模式复制和移动复制和移动 复制和移动任意间距 任意间距 ; 方向z z 间距10, 5 10, 5 选 择 节 点 22, 23 选 择 节 点 22, 23 图 8. 建立主塔下部 斜拉桥成桥阶段与正装分析 选择节点后利用 扩展功能 扩展功能 建立加劲梁上部梁单元（10m+5m+310m）。 模型 / 单元 / 扩展单元扩展单元 窗口选择窗口选择 (节点 : 图9的；节点26，27) 扩展类型节点?线单元 节点?线单元 单元属性单元类型梁单元 梁单元 材料3 : 主塔上部 3 : 主塔上部 ; 截面3 : 主塔上部 3 : 主塔上部 生成模式复制和移动复制和移动 复制和移动任意间距 任意间距 ; 方向z z 间距15, 310 15, 310 选择节点26, 27 选择节点26, 27 图 9. 建立主塔上部 斜拉桥成桥阶段与正装分析 建立拉索 建立拉索 利用 建立单元 建立单元 功能建立拉索单元。 显示显示 单元 单元坐标轴单元坐标轴(开) 模型 / 单元 / 建立单元建立单元 单元类型桁架单元桁架单元 材料4: 拉索4: 拉索 ; 截面4: 拉索; 4: 拉索; Beta角 ( 0 )( 0 ) 节点连接 ( 34, 1 )( 34, 1 )? 节点连接 ( 34, 3 )( 34, 3 )? 节点连接 ( 34, 7 )( 34, 7 )? 节点连接 ( 34, 9 )( 34, 9 )? 节点连接 ( 35, 13 )( 35, 13 )? 节点连接 ( 35, 15 )( 35, 15 )? 节点连接 ( 35, 19 )( 35, 19 )? 节点连接 ( 35, 21 )( 35, 21 )? 图 10. 建立拉索 斜拉桥成桥阶段与正装分析 建立主塔支座 建立主塔支座 ? 弹性连接单元是把 两个节点按用户所需 要的刚度连接而形成 的计算单元。弹性连 接单元由3个轴向刚度 值和3个旋转刚度组 成，6个自由度按弹性 连接单元的单元坐标 系输入。 弹性连接单元是把 两个节点按用户所需 要的刚度连接而形成 的计算单元。弹性连 接单元由3个轴向刚度 值和3个旋转刚度组 成，6个自由度按弹性 连接单元的单元坐标 系输入。 使用弹性连接弹性连接(Elastic LinkElastic Link) )建立主塔上的支座。 支座的支承条件如下： SDx : 500000500000 tonf/m, SDy : 100000000100000000 tonf/m, SDz : 10001000 tonf/m 模型 / 边界条件 / 弹性连接弹性连接? 窗口缩放 窗口缩放 (图21的) 选项 添加添加 ; 连接类型 一般类型 一般类型 SDx (tonf/m) (500000)(500000) ; SDy(tonf/m) (100000000)(100000000) ; SDz(tonf/m) (1000)(1000) ? 剪切型弹性支承位置 (开) ? 到端点I的距离比 : SDy (1) ; (1) ; SDz (1)(1) Beta角 (0)(0) ? 2点 (26,5) (26,5) 2点 (27,17) (27,17) ? 弹性连接单元轴向 刚度输入单位长度所 施加的力，旋转刚度 输入单位转角所施加 的弯矩值。 弹性连接单元轴向 刚度输入单位长度所 施加的力，旋转刚度 输入单位转角所施加 的弯矩值。 ? 输入剪切型弹性支 座在弹性连接单元的 位置。 输入剪切型弹性支 座在弹性连接单元的 位置。 窗口放大窗口放大 ? 调整弹性连接单元 的布置方向。 调整弹性连接单元 的布置方向。 图 11. 建立主塔支座 斜拉桥成桥阶段与正装分析 输入边界条件 输入边界条件 分析模型的边界条件如下。 ? 主塔下端 : 固定端 (Dx, Dy, Dz, Rx, Ry, Rz) ? 桥台下端 : 铰支座 ( Dy, Dz, Rx, Rz) 输入主塔和桥台处边界条件。 自动对齐 自动对齐 模型 / 边界条件 / 一般支承一般支承 窗口选择窗口选择 (节点 : 图1212的；节点22, 23节点22, 23) 边界组名称 默认值 默认值 选项 添加 添加 ; 支承类型 D-ALL , R-ALL D-ALL , R-ALL 窗口选择窗口选择 (节点 : 图1212的；节点1, 21；节点1, 21) 边界组名称 默认值 默认值 选项 添加 添加 ; 支承类型 Dy, Dz, Rx, Rz Dy, Dz, Rx, Rz 图12. 输入边界条件 斜拉桥成桥阶段与正装分析 索初拉力计算 索初拉力计算 为了改善斜拉桥成桥阶段的加劲梁、主塔、拉索、支座的受力状态，给拉索施加初拉 力荷载，使之与恒荷载平衡。 斜拉桥是多次超静定结构体系，所以计算拉索初拉力需要多次的反复计算。另外，对 于每跟拉索的张力并不是只有一个解，对同一个斜拉桥不同的设计者可能选择不同的拉索 初拉力。 MIDAS/Civil的未知荷载系数未知荷载系数功能使用了索力优化法则，可以计算出特定约束条件 的最佳荷载系数，在计算斜拉桥拉索初拉力非常有效。 使用未知荷载系数未知荷载系数 功能计算斜拉桥拉索初拉力的计算步骤如表3。 步骤2. 定义主梁恒荷载和拉索的单位荷载的荷载工况 步骤2. 定义主梁恒荷载和拉索的单位荷载的荷载工况 步骤3. 输入恒荷载和单位荷载 步骤3. 输入恒荷载和单位荷载 步骤4. 建立恒荷载和单位荷载的荷载组合 步骤4. 建立恒荷载和单位荷载的荷载组合 步骤5.步骤5. 使用 使用未知荷载系数未知荷载系数 功能计算未知荷载系数 功能计算未知荷载系数 步骤6. 查看分析结果以及索初拉力 步骤6. 查看分析结果以及索初拉力 步骤1. 建立斜拉桥模型 步骤1. 建立斜拉桥模型 表 3. 拉索初拉力计算步骤流程图 斜拉桥成桥阶段与正装分析 初始平衡状态分析 初始平衡状态分析 为了使斜拉桥结构在恒载作用下拉索垂度、加劲梁的弯矩、拉索锚固点坐标、拉索张 力、主塔坐标达到设计期望值，通过初始平衡状态分析计算初始节点坐标、拉索变形前长 度、拉索初始张拉力。 斜拉桥设计时，最重要的是如何使加劲梁和主塔的弯曲内力达到最小状态。通过初始 平衡状态分析可以使恒载作用下成桥阶段变形形状接近于设计期望状态时，内力也会达到 最小状态。对于斜拉桥分析，初始平衡状态分析非常重要,且初始平衡状态分析能够计算 出变形前拉索长度、追踪拉索张力、加劲梁和主塔的预拱度、加劲梁的弯矩图等设计参 数。 斜拉桥的特殊结构体系决定了主塔和加劲梁上将产生很大的轴力，这些轴力和拉索的 张力决定结构的变形形状。为了确定拉索的初始张力，顺桥向的变形和拉索的张力要反映 到结构分析计算中。但斜拉桥是多次超静定结构体系，计算拉索初拉力需要多次的反复计 算，所以计算出满足初始状态的施工控制张力不是简单的事情。另外，对于每跟拉索的张 力并不是只有一个解，对同一个斜拉桥不同的设计者可能计算出不同的拉索初拉力。 利用MIDAS/Civil的利用MIDAS/Civil的未知荷载系数未知荷载系数功能计算拉索初拉力 功能计算拉索初拉力 给斜拉桥的拉索施加初拉力，使加劲梁产生的弯矩趋于最小，用这种方法来设计出更 大跨经桥梁。但是计算初始张力并不是简单的事情，过去设计人员一般都是采用经验值来 计算初拉力。 目前虽然计算斜拉桥拉索初拉力的方法很多，但是能够计算出满足设计条件的初拉力 非常困难。 利用MIDAS/Civil优化索力功能，可以计算出最小误差范围内的能够满足特定约束条 件的最佳荷载系数，利用这些荷载系数计算拉索初拉力。 优化索力时将位移、反力、内力的“0”值以及最大最小值作为控制条件，把拉索初 拉力作为变量来计算。 计算未知荷载系数适用于线性结构体系，为了计算出最佳的索力，必须要输入适当的 控制条件。 一般要满足如下控制条件： 主塔不受或只受较小的弯矩作用 ； 加劲梁的弯矩分布要均匀； 最终索力不集中在几根拉索，而是适当分布在每根拉索上。 斜拉桥成桥阶段与正装分析 定义荷载工况 定义荷载工况 为了计算恒载引起的拉索初拉力，定义自重、二期荷载、拉索单位初拉力等荷载工 况。 本例题斜拉桥为主塔两侧各有4根拉索的对称结构，需要的未知荷载系数为四个，定 义四个荷载工况。 荷载 / 静力荷载工况静力荷载工况 名称 (自重)(自重) ; 类型 恒荷载恒荷载? 说明 (自重) (自重) 名 称 (二期荷载)(二期荷载) ; 类型 恒荷载恒荷载 说明 (二期荷载) (二期荷载) 名 称 (拉索 1)(拉索 1) ; 类型 用户定义的荷载用户定义的荷载 说明 (拉索 1- 单位初拉力) (拉索 1- 单位初拉力) . . 名称 (拉索 4)(拉索 4) ; 类型 用户自定义荷载用户自定义荷载 说明 (拉索 4- 单位初拉力) (拉索 4- 单位初拉力) 名称 (支座强制位移)(支座强制位移) ; 类型 用户自定义荷载用户自定义荷载? 说明 (边跨支座强制位移) (边跨支座强制位移) ? 使用MCT命令窗口 输 入 荷 载 工 况 更 方 便。 使用MCT命令窗口 输 入 荷 载 工 况 更 方 便。 输入名称 (拉索 1)(拉索 1)至名称 (拉索 4)(拉索 4)的荷载工况。 图 13. 恒载和单位荷载的荷载工况 斜拉桥成桥阶段与正装分析 输入荷载 输入荷载 输入自重、加劲梁二期荷载、拉索单位荷载、支座强制位移荷载。 使用自重自重功能输入结构自重。二期荷载包括防撞墙、桥面铺装等荷载。 为了计算拉索初拉力输入拉索的单位荷载。 对齐 对齐 荷载 / 自重自重 荷载工况名称 自重 自重 荷载组名称 默认值默认值 自重系数 Z ( -1 ) ( -1 ) 图 14. 输入自重 斜拉桥成桥阶段与正装分析 输入作用于加劲梁的二期荷载。 使用梁单元荷载梁单元荷载功能输入防撞墙、桥面铺装荷载，荷载大小为3.0tonf/m 。 荷载 / 梁单元荷载（单元） 梁单元荷载（单元） 窗口选择窗口选择 (节点 : 图15的 ; 节点 123 ; 节点 123) 荷载工况名称 二期荷载 ; 选项 添加添加 荷载类型 均布荷载 ; 方向 整体坐标系 Z整体坐标系 Z 投影 否 否 数值 相对值相对值 ; x1 (0)(0) , x2 (1)(1) , W (-3) (-3) 二期荷载：3.0 tonf /m 二期荷载：3.0 tonf /m 图 15. 输入作用于加劲梁的二期荷载 斜拉桥成桥阶段与正装分析 输入拉索单元的单位初拉力。以桥梁跨中为对称轴赋予两侧相同的索初拉力，且对称 拉索赋予相同的荷载工况。 荷载 / 预应力荷载 / 初拉力荷载初拉力荷载 交叉线选择交叉线选择 (单元 :图16的 ; 单元 33, 40 ; 单元 33, 40) 荷载工况名称 拉索1拉索1 ; 荷载组名称 默认值默认值 选项 添加添加 ; 初拉力 ( 1 ) ( 1 ) 荷载工况名称 拉索4拉索4 ; 荷载组名称 默认值默认值 选项 添加 ; 添加 ; 初拉力 ( 1 ) ( 1 ) 交叉交叉线线选选择择 交叉交叉线线选选择择 图 16. 输入拉索的单位初拉力 拉索 2至拉索 4的单位初拉力荷载参照表4输入。此时也可用MCT命令窗口来输入。 表 4. 荷载工况和单元号 荷载工况 单元号 荷载工况 单元号 拉索 1 33, 40 拉索 3 35, 38 拉索 2 34, 39 拉索 4 36, 37 斜拉桥成桥阶段与正装分析 确认已输入的拉索单位初拉力。 图 17. 已输入的拉索单位初拉力 斜拉桥成桥阶段与正装分析 利用支座强制位移支座强制位移功能输入边跨支座的支座强制位移荷载。 支座强制位移荷载如下： 竖向位移 : 0.01 m 竖向位移 : 0.01 m ? 支座强制位移可以给任意节 点输入强制位移。 支座强制位移可以给任意节 点输入强制位移。 荷载 / 支座强制位移支座强制位移 ? 窗口选择窗口选择 (节点 : 图18的 ; 节点 1, 21; 节点 1, 21) 荷载工况名称支座强制位移 支座强制位移 ; 选项添加添加 位移 Dz ( 0.01 )( 0.01 ) 图 18.支座沉降荷载 斜拉桥成桥阶段与正装分析 运行结构分析 运行结构分析 运行结构自重、二期荷载、拉索单位初拉力、支座强制位移荷载的静力分析。 分析 / 运行分析 运行分析 建立荷载组合 建立荷载组合 利用拉索的初拉力荷载工况（4个）和自重、二期荷载、支座强制位移荷载工况，建立 荷载组合。 结果 / 荷载组合荷载组合 荷载组合列表 名称 LCB1LCB1 荷载工况 自重(ST)(ST) ; 分项系数 (1.0)(1.0) 荷载工况 二期荷载(ST)(ST) ; 分项系数 (1.0)(1.0) 荷载工况 拉索 1(ST)拉索 1(ST) ; 分项系数 (1.0) (1.0) 荷载工况 拉索 2(ST)拉索 2(ST) ; 分项系数 (1.0) (1.0) 荷载工况 拉索 3(ST)拉索 3(ST) ; 分项系数 (1.0) (1.0) 荷载工况 拉索 4(ST)拉索 4(ST) ; 分项系数 (1.0) (1.0) 荷载工况 支座强制位移(ST)支座强制位移(ST) ; 分项系数 (1.0) (1.0) 图 19.建立荷载组合 斜拉桥成桥阶段与正装分析 计算未知荷载系数 计算未知荷载系数 利用未知荷载系数 未知荷载系数 功能计算荷载组合LCB 1作用下满足特定约束条件的未知荷载系 数。控制条件为约束主塔水平位移（Dx）和控制加劲梁弯矩(My)。 在未知荷载系数未知荷载系数对话框输入荷载工况、约束条件、构成目标函数的方法等。 未知荷载系数未知荷载系数功能的详细说明请参照用户手册第二册“Civil分析功能利用优化设计方 法求解未知荷载”和在线帮助的“结果未知荷载系数”部分的说明。 结果 / 未知荷载系数 未知荷载系数 未知荷载系数组 项目名称 (未知荷载系数)(未知荷载系数) ; 荷载组合 LCB 1 LCB 1 目标函数类型 平方平方 ; 未知荷载系数符号 正负正负 荷载工况 拉索 1拉索 1 (开) 荷载工况 拉索 2拉索 2 (开) 荷载工况 拉索 3拉索 3 (开) 荷载工况 拉索 4拉索 4 (开) 图 20. 未知荷载系数详细对话框 斜拉桥成桥阶段与正装分析 在约束条件约束条件中输入主塔的水平方向位移约束条件和控制加劲梁弯矩的约束条件。 约束条件 约束名称 (节点 34)(节点 34) 约束类型 位移位移 节点号 (34) (34) ? 位移 Dx Dx 约束条件 相等相等 ; 数值 ( 0 ) ( 0 ) 约束条件 约束名称 (单元 5)(单元 5) 约束类型 梁单元内力梁单元内力 单元号 (5) (5) ? 位置 I-端I-端 内力 MyMy 约束条件 相等相等 ; 数值 ( -300 ) ( -300 ) 约束条件 约束名称 (单元 6)(单元 6) 约束类型 梁单元内力梁单元内力 单元号 (6) (6) ? 位置 J-端J-端 内力 MyMy 约束条件 相等相等 ; 数值 ( -200 ) ( -200 ) 约束条件 约束名称 (单元 8)(单元 8) 约束类型 梁单元内力梁单元内力 单元号 (8) (8) ? 位置 J-端J-端 内力 MyMy 约束条件 相等相等 ; 数值 ( -400 ) ( -400 ) ? 本例题将主塔水平 位移和主梁弯矩作为 约束条件。因分析模 型是对称结构所以只 定义1/2模型。 本例题将主塔水平 位移和主梁弯矩作为 约束条件。因分析模 型是对称结构所以只 定义1/2模型。 斜拉桥成桥阶段与正装分析 ? 可以使用MCT命令 窗口方便地输入计算 未知荷载系数的约束 条件。使用方法参照 “斜拉桥成桥阶段分析 例题”。 可以使用MCT命令 窗口方便地输入计算 未知荷载系数的约束 条件。使用方法参照 “斜拉桥成桥阶段分析 例题”。 图 21. 约束条件对话框 在未知荷载系数结果未知荷载系数结果对话框中查看约束条件和相应的未知荷载系数。? ? 关于未知荷载系数 计算的详细说明参见用 户手册第二册“Civil分 析功能利用优化设计 方法求解未知荷载”章 节。 关于未知荷载系数 计算的详细说明参见用 户手册第二册“Civil分 析功能利用优化设计 方法求解未知荷载”章 节。 未知荷载系数组 图22为使用未知荷载系数未知荷载系数功能计算的未知荷载系数结果。 未知荷载系数 未知荷载系数 (拉索初拉力)(拉索初拉力) ? 点击点击生成荷载组合生成荷载组合 可自动生成未知荷载 系数的荷载组合。 可自动生成未知荷载 系数的荷载组合。 ? 点击点击生成Excel文 件 生成Excel文 件按钮，导出Excel文 件格式计算结果。 按钮，导出Excel文 件格式计算结果。 图 22. 未知荷载系数分析结果 斜拉桥成桥阶段与正装分析 利用生成荷载组合生成荷载组合(图22的)，自动生成使用未知荷载系数的荷载组合，查看新的荷载 组合的分析结果是否满足约束条件。 图 23. 自动使用未知荷载系数的LCB2荷载组合 结果 / 荷载组合荷载组合 在图22中计算得出的拉索1(ST)至拉索4(ST)的未知荷载系数在荷载组合对话框里的荷 载工况系数中自动被输入。 图 24. 使用未知荷载系数自动生成的荷载组合 斜拉桥成桥阶段与正装分析 查看成桥阶段分析结果 查看成桥阶段分析结果 查看变形形状 查看变形形状 查看拉索初拉力、结构自重以及二期荷载、支座强制位移荷载下成桥阶段变形形状。 结果 / 位移 / 位移形状位移形状 荷载工况 / 荷载组合 CB:LCB 2 CB:LCB 2 位移 DXYZ DXYZ 显示类型 变形前 变形前 (开) ; 图例 图例 (开) 变形 变形图的比例(0.50.5) ? 窗口缩放窗口缩放 ? 可以调整变形显示 比例系数。 可以调整变形显示 比例系数。 图 25. 查看变形形状 斜拉桥成桥阶段与正装分析 正装施工阶段分析 正装施工阶段分析 一般通过斜拉桥的成桥阶段分析计算结构的截面和拉索的截面以及初拉力。 斜拉桥的设计除了成桥阶段的分析，而且还需要施工阶段的分析。根据施工方案的不 同，斜拉桥的结构体系会发生很大的变化，且施工中的结构体系有可能比成桥阶段更不稳 定，所以应对各施工阶段进行准确的分析。按施工顺序做的施工阶段分析称为正装施工阶 段分析(Forward Analysis)。通过正装施工阶段分析验算施工中产生的应力、检查施工顺 序、可施工性等，找出最佳的施工方法。 斜拉桥正装施工阶段分析较困难的部分是如何计算出拉索的施工控制张力。 MIDAS/Civil可以利用未闭合配合力未闭合配合力（Lack of Fit Force）功能，准确计算出拉索初拉 力(参见技术资料)。 为了进行施工阶段的分析，应将加劲梁、拉索、拉索锚固点、边界条件、荷载条件等 变化过程定义为施工阶段。 图 26 斜拉桥的施工顺序 斜拉桥成桥阶段与正装分析 (1) 拉索未闭合配合力的计算 (1) 拉索未闭合配合力的计算 首先，在安装拉索的前一阶段，求出拉索两端节点的位移。 利用拉索两端的位移，求拉索变形前长度（L）与变形后长度（L）之差。根据差值 求出相应的拉索附加初拉力(T)。把求出的附加初拉力(T)和初始平衡状态分析时计算 得出的初拉力(T)叠加作为施工阶段的控制张力进行施工阶段的正装分析。 L L (ui, vi) (uj, vj) L - LL = VbUbCosSin= + EA T = L L fi T =T + T 图 27 未闭合配合力计算拉索 斜拉桥成桥阶段与正装分析 （2）合拢段未闭合配合力的计算（2）合拢段未闭合配合力的计算 三跨连续斜拉桥的中间合拢段合拢时，不会产生内力（只有自重引起的内力），所以 合拢段与两侧相连的桥梁段之间形状是不连续的。为了让合拢段连续地连接在两侧桥梁段 上，求出合拢段两端所需的强制变形值，将其换算成能够产生此变形的内力，并将其施加 给合拢段后连接在两侧桥梁段上。 Reference Level Key Segment Reference Level Key Segment 图 28 未闭合配合力计算合拢段 斜拉桥成桥阶段与正装分析 定义正装施工阶段定义正装施工阶段 本例题考虑荷载和边界条件的变化，共分为13个施工阶段。 利用初始平衡状态分析计算得出的拉索初拉力，直接进行了正装施工阶段分析。只对 拉索、跨中的合拢段和Stage2阶段激活的边跨加劲梁部分使用了未闭合配合力。边跨与支 座连接时结构体系也会变化，所以边跨的加劲梁也考虑了未闭合配合力。 本例题的施工阶段如下。 表 5. 施工阶段列表 施工阶段 内 容 备 注 Stage 1 主塔、主塔和加劲梁的临时连接 Stage 2 边跨施工、支架、边跨支座 考虑未闭合 配合力 Stage 3 施加挂篮1荷载 Stage 4 拆除施工支架、生成拉索(单元 34，39) 考虑未闭合 配合力 Stage 5 生成加劲梁构件(单元 6, 7, 14, 15) Stage 6 生成拉索 (单元 35, 36) 考虑未闭合 配合力 Stage 7 拆除挂篮1荷载施加挂篮2荷载 Stage 7-1 生成拉索(单元 33, 40) 考虑未闭合 配合力 Stage 8 生成加劲梁(单元 8, 9, 12, 13) Stage 9 生成拉索 (单元 36, 37) 考虑未闭合 配合力 Stage 10 拆除挂篮2荷载施加挂篮3荷载 Stage 11 拆除挂篮3 Stage 11-1 生成合拢段 (单元 10, 11) 考虑未闭合 配合力 Stage 12 主塔与加劲梁连接体系转换，施加支座强制位移荷载 刚体连接? 弹性连接 Stage 13 二期荷载、成桥阶段 斜拉桥成桥阶段与正装分析 正装施工阶段分析 正装施工阶段分析 正装分析是指按桥梁的施工顺序进行分析的方法。 通过正装分析查看分析模型的结构变化、拉索张力变化以及弯矩的变化。 正装施工阶段分析顺序如图29。 Stage 13 Stage 11 Stage 7 Stage 5 Stage 3 Stage 1 图 29. 正装施工阶段分析的分析步骤 斜拉桥成桥阶段与正装分析 把成桥阶段分析的模型另存为其它名称用于施工阶段分析。 文件 /另存为另存为( cable stayed forward )( cable stayed forward ) 建立施工阶段分析模型的步骤如下。 1 正装施工阶段分析模型 将成桥阶段分析模型的桁架单元修改为索单元 定义正装分析荷载工况 2 定义施工阶段名称 划分施工阶段后定义施工阶段名称 3 定义结构组 将各施工阶段激活或拆除的单元和要输入未闭合配合力的单元定义为结构组 4 定义边界组 将各施工阶段激活或拆除的边界条件定义为边界组 5 定义荷载组 将各施工阶段激活或拆除的荷载定义为荷载组 6 定义施工阶段 定义各施工阶段的结构组、边界组、荷载组 斜拉桥成桥阶段与正装分析 正装分析模型 正装分析模型 为了建立施工阶段模型，首先要删除成桥阶段分析模型中的荷载组合LCB1、2以及单 位初拉力（拉索 1拉索 4）。 正装施工阶段分析模型中要输入拉索的初拉力荷载，所以要重新定义拉索初拉力的荷 载工况。 结果 / 荷载组合荷载组合 荷载组合列表 名称 删除LCB 1, LCB 2LCB 1, LCB 2 荷载 / 静力荷载工况静力荷载工况 名称 ( 拉索 1 )( 拉索 1 ) 名称 ( 拉索 4 )( 拉索 4 ) 名称 ( ( 拉索初拉力 ) ) ; 类型 用户自定义荷载 用户自定义荷载 说明 ( ( 正装分析初拉力 ) ) 图 30. 拉索初拉力荷载工况的定义 斜拉桥成桥阶段与正装分析 为了考虑斜拉桥拉索垂度的影响，应进行拉索的几何非线性分析。将成桥阶段分析中 使用的桁架单元修改为索单元。 模型 / 单元 / 修改单元参数修改单元参数 选择属性 - 单元选择属性 - 单元 选择类型 单元类型单元类型 节点节点 (关) ; 单元单元 (开) (桁架桁架) 参数类型 单元类型 单元类型 (开) 形式 原类型 桁架桁架(开) ; 修改为 只受拉/钩/索单元只受拉/钩/索单元(开) 索索(开) 图 31. 桁架单元转换为索单元 斜拉桥成桥阶段与正装分析 定义施工阶段 定义施工阶段 首先定义各个施工阶段名称。 本例题定义了包括成桥阶段在内的13个施工阶段。 荷载 / 施工阶段分析数据 定义施工阶段 定义施工阶段 施工阶段 名称 ( Stage )( Stage ) ; 后缀 ( 1to7 )( 1to7 ) ? 保存结果 施工阶段