midas Civil 2010拱桥桥专题拱桥分析专题 Integrated Solution System for Bridge and Civil Strucutres 1.不同结构中索单元的使用: 悬索桥的主缆和吊杆：建议使用考虑大变形的悬索单元 大跨斜拉桥的斜拉索：对于近千米或者超过千米的斜拉桥建议使用考虑大 变形的索单元 中小跨斜拉桥的斜拉索：建议使用考虑恩斯特公式修正的等效桁架单元 拱桥的吊杆：建议使用桁架单元或只受拉桁架单元 系杆拱桥的系杆：建议使用桁架单元 体内预应力或体外预应力的钢索（钢束）：与索单元无关，使用预应力荷 载功能按荷载来模拟即可。 进行细部分析时对于钢束可以按桁架单元来模拟 midas Civil 2010抗震专题08公路抗震规范设计专题 抗震 3 结果未知荷载系数 利用未知荷载系数功能，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。 指定位移、反力、内力的“0”值以及最大最小值作为约束条件，拉索初拉力作 为变量（未知数）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 入适当的约束条件。 主梁的变形最小； 最终索力不集中在几根拉索，而是均匀分布在每根拉索上。 2.未知荷载系数法功能 midas Civil 2010抗震专题08公路抗震规范设计专题 抗震 4 复制和粘贴 midas Civil 2010抗震专题08公路抗震规范设计专题 抗震 5 考虑施工阶段的未知荷载系数法 本程序还可考虑施工阶段，计算未知荷载系数。利用此功能可直接计算出， 施工过程中每根拉索的拉索控制力。 定义正装施工阶段模型。 将每个施工阶段的拉索初拉力定义单位初拉力。（注：拉索过程必须单独定义施 工阶段） 运行分析后，通过未知荷载系数计算，求得符合约束条件的施工过程中的拉索控 制力。 midas Civil 2010抗震专题08公路抗震规范设计专题 抗震 6 索力的计算非常复杂，过去是依靠设计人员判断以及参考实际经验值来确定 拉索张力的。为了使设计人员可以更加便捷地计算拉索的初始张力，midas Civil 提供未知荷载系数功能。不过，由于未知荷载系数的功能提供的张力结果 只是能够满足约束条件的解，所以有时无法完全满足技术人员的设计意图。 midas Civil 2010中，为了改善未知荷载系数功能，并且使设计过程中的反 复调整工作尽可能简便，特别开发和提供了索力调整功能。 索力调整功能使设计人员可以直接调整索力，并且不需要任何重新分析即可 实时查看主梁或者主塔的变形情况，因此可以非常便捷、快速地获得初始张力 。 3.索力调整功能 midas Civil 2010抗震专题08公路抗震规范设计专题 抗震 7 拉索的张力( 或者荷载系数 )可以利用输 入窗口或柱状 图进行微调来 确定最优索力 设计人员 指定的范 围(红线) 随拉索张力变化 的结果(蓝线) 影响值(绿线) midas Civil 2010抗震专题08公路抗震规范设计专题 抗震 8 在影响矩阵中 确认对单元影 响最大的张力 后，使用搜索 功能，确定最 优索力 midas Civil 2010抗震专题08公路抗震规范设计专题 抗震 9 索力调整步骤 STEP 1. 拱桥建模 STEP 2. 定义主梁的恒载和各索单位荷载的荷载工况 STEP 3. 输入恒载和单位荷载 STEP 4. 对恒载和单位荷载进行荷载组合 STEP 5. 利用未知荷载系数功能计算未知荷载系数 STEP 6. 利用调索功能调整拉索初始索力 STEP 7. 查看分析结果并最终确定初始索力 midas Civil 2010抗震专题08公路抗震规范设计专题 抗震 10 4.未闭合配合力功能 midas Civil能够在小位移分析中考虑假想位移，以无应力长为基础进行正装分 析。这种通过无应力长与索长度的关系计算索初拉力的功能叫未闭合配合力功能 。未闭合配合力具体包括两部分，一是因为施工过程中产生的结构位移和结构体 系的变化而产生的拉索的附加初拉力，二是为使安装合拢段时达到设计的成桥阶 段状态合拢段上也会产生附加的内力。利用此功能可不必进行倒拆分析，只要进 行正装分析就能得到最终理想的设计桥型和内力结果。 midas Civil 2010抗震专题08公路抗震规范设计专题 抗震 11 分析施工阶段分析控制数据 斜拉桥施工时，最终阶段往往是跨中合拢的施工。跨中合拢的一刹那， 结构体系完全转换。需要说明的是，利用成桥模型计算未知荷载系数时，跨 中合拢段处于连续状态。但在施工合拢段时，合拢段并非处于连续状态，即 两端的弯矩为0。按照前面介绍的分析方法，结果会出现闭合的情况。 通过未必和配合力的分析方法，可以得到最终合拢后的阶段与成桥目标 函数完全闭合的结果。 未必和配合力方法，仅通过正装模型就可以计算拉索张拉控制力，没必 要像前面所说的方法，还需要建立一个倒拆模型来求得。 midas Civil 2010抗震专题08公路抗震规范设计专题 抗震 12 未必和配合力计算原理：激活斜拉索之前，拉索两端节点因前一阶段的荷载 ，发生的变形。激活拉索时，已输入的体内力还不能把发生变形的节点拉回原位 ，还需要补一定量的张力，此张拉力即为未必和配合力。 程序不仅可以计算出，每根斜拉索的未必和配合力，还可计算出合拢段的未 必和配合力。使最终阶段的内力以及变形结果与成桥目标完全闭合。 （注：合拢段的未必和配合力，其实也没有实际意义。因目前还没有能够对 于合拢段预加内力的工具） midas Civil 2010抗震专题08公路抗震规范设计专题 抗震 13 三、拱桥分析 本例题中的拱桥是一座80米跨径的系杆拱桥，桥梁外部为简支结构体系，桥梁内 部为超静定结构体系。 1.系杆拱桥模型况 桥梁有限元模型 midas Civil 2010抗震专题08公路抗震规范设计专题 抗震 14 2.系杆拱桥成桥分析 第一步 建立成桥模型 关键点：为了结合未知荷载系数法进行调索，索结构必须用桁架（线性）单元进行模 拟，这样结构才支持荷载的线性叠加功能。 第二步 定义荷载工况 关键点：将不同的索力定义为不同的荷载工况，作为未知荷载来考虑。 第三步 采用未知荷载系数法进行拱桥吊杆调索 关键点：定义成桥约束条件，求解最优的荷载组合系数（未知荷载系数） 拱桥 成桥分析流程 第四步 采用调索功能进行拱桥吊杆索力微调 关键点：结合影响矩阵，找出影响效应大的吊杆单元，对此吊杆单元做优先考虑的微 调（如果调索幅度太大的话，可能会引起其它结构不满足最优化状态） midas Civil 2010抗震专题08公路抗震规范设计专题 抗震 15 3.系杆拱桥施工阶段仿真模拟 第一步 建立倒拆施工阶段模拟模型 关键点：将调索成功的成桥吊杆索力（单位荷载*组合系数）作为体内力赋予给相应的 吊杆单元，然后对结构进行倒拆模拟。 第二步 得出倒拆的各施工阶段的吊杆内力 拱桥 施工阶段仿真分析流程方法一 第三步 建立正装施工阶段模拟模型 关键点：将倒拆的各施工阶段的吊杆内力作为体外力加在相应的正装阶段。 第四步 调整索力使正装的最后阶段与成桥基本相符 关键点：采用未知荷载系数法进行施工阶段的索力二次调整 midas Civil 2010抗震专题08公路抗震规范设计专题 抗震 16 第一步 建立正装施工阶段模拟模型 关键点：将调索成功的成桥吊杆内力作为体外力参考值赋予给相应的吊杆单元，加在 相应的正装阶段，对结构进行一次张拉正装模拟。 第二步 调整索力使正装的最后阶段与成桥基本相符 关键点：采用未知荷载系数法进行施工阶段的吊杆索力二次调整 拱桥 施工阶段仿真分析流程方法二 midas Civil 2010抗震专题08公路抗震规范设计专题 抗震 17 4.拱桥稳定分析 因为屈曲和特征值分析只能在POSTCS阶段进行，因此当为了求解某个施工阶段状 态下的结构稳定特性和自振周期特性时，可以通过指定施工阶段分析的截止阶段，然 后进行屈曲分析或特征值分析数据即可。 如果要考虑施工阶段内力对结构刚度的影响，可以按以下步骤执行： 1）施工阶段分析控制选择 2）选择某个施工阶段为分析的最终分析阶段； 3）执行施工阶段分析完成后，选择某个终止的施工阶段然后使用文件另存 当前施工阶段为功能另存为一个独立模型； 4）打开荷载工具条，点击初始荷载小位移初始单元内力CS，将打开的表 格数据复制，然后黏贴到另存的独立模型中的初始荷载小位移初始单元内力 表格中，在此基础上就可以定义其它可变荷载的稳定分析。 拱桥施工阶段稳定分析 midas Civil 2010抗震专题08公路抗震规范设计专题 抗震 18 方法一：可以借鉴施工阶段的稳定分析，得到最后一个施工阶段的初始单元内力作 为成桥的几何刚度，然后定义成桥的可变荷载做问题分析。 拱桥成桥稳定分析 方法二：直接以成桥模型为基础，对成桥结构进行可变荷载或者不变荷载的定义， 然后对此状态做成桥的稳定分析。 midas Civil 2010抗震专题08公路抗震规范设计专题 抗震 19 5.混凝土拱桥模型模拟与设计关键点 混凝土拱桥设计时，一般混凝土拱圈是设计的重点，而拱上填料的传力模拟 是否合理，又是混凝土拱桥模型模拟的关键点。 桥梁有限元模型 midas Civil 2010抗震专题08公路抗震规范设计专题 抗震 20 拱上填料在整个结构中起到竖向传递桥面系荷载的作用，因此是否正确模拟拱上填料 ，是建模成败关键点。 拱上填料模拟方法一：采用弹性连接进行模拟，不考虑面外荷载效应，所以可以模拟 成Sry=0的弹性连接，轴向刚度模拟时要合理； 拱上填料模拟方法二：采用立柱单元进行传力模拟，此单元用梁单元进行模拟，不考 虑面外荷载效应，所以可以对它采用释放梁端My的约束进行等效传力模拟。 如果考虑面外荷载效应时，三维模型的等效上述方法就不可行，结构就得要另外处理 了。 第一步 拱圈进行梁的设计 关键点：1）将曲线拱圈单元（设计一般设计参数编辑构件类型）强制定义为梁构 件类型。2）将拱圈单元的截面定义为设计截面类型，否则没法进行RC梁设计验算 模型建立时，拱上填料的合理模拟 第二步 拱圈进行柱的设计 关键点：1）将曲线拱圈单元（设计一般设计参数编辑构件类型）强制定义为柱构 件类型。2）将拱圈单元的截面定义为数据库截面类型，否则没法进行RC柱设计验算 混凝土拱圈进行钢筋混凝土设计时，要分别进行梁和柱的设计