悬索桥的成桥阶段和施工阶段分析 悬索桥的成桥阶段和施工阶段分析 目 录 目 录 概 要 1 概 要 1 桥梁基本数据 / 2 建立成桥阶段模型 3建立成桥阶段模型 3 建立结构模型 / 3 设定建模环境 / 4 定义构件材料 / 5 定义截面特性值 / 6 初始平衡状态分析 / 8 输入边界条件 / 21 输入加劲梁质量数据 / 25 输入特征值分析数据 / 27 输入静力荷载 / 28 运行结构分析(成桥阶段分析) 30运行结构分析(成桥阶段分析) 30 查看成桥阶段分析结果 31查看成桥阶段分析结果 31 静力分析结果 / 31 特征值分析结果 / 37 建立各施工阶段分析模型 41建立各施工阶段分析模型 41 设定建模环境 / 42 定义施工阶段名称 / 44 指定结构群 / 45 指定边界群 / 53 定义各施工阶段荷载和荷载群 / 63 定义施工阶段 / 66 输入各施工阶段分析数据 / 71 运行结构分析(施工阶段分析) 71运行结构分析(施工阶段分析) 71 查看各施工阶段分析结果 72查看各施工阶段分析结果 72 查看变形形状 / 72 查看弯矩 / 76 查看输出文件 / 77 使用变形形状动画 / 79 悬索桥的成桥阶段和施工阶段分析 1 概 要 概 要 悬索桥是由主缆、索鞍、加劲梁、吊杆、塔墩、锚碇等主要构件组成的较柔性的 结构形式，广泛应用于大跨度桥梁中。 悬索桥的结构分析主要分为成桥阶段分析和施工阶段分析两部分。 成桥阶段分析成桥阶段分析是指在所有工程竣工后，即在成桥状态下分析桥梁的静力和和动力 反应。悬索桥在成桥状态下处于结构自重平衡状态，又称为悬索桥的初始平衡状态， 计算初始平衡状态下主缆的坐标和张力称为初始平衡状态分析。成桥阶段分析包括初 始平衡状态分析以及在其它外力作用下的结构效应分析。 悬索桥在施工阶段具有很明显的非线性反应，但在给主缆以及吊杆施加了足够的 张力的成桥阶段，其它荷载(车辆荷载、风荷载等)作用下的结构效应显示为线性。所 以可以将初始平衡状态下的主缆和吊杆的张力转换为几何刚度，对于其它静力荷载可 以做线性化的分析。将初始平衡状态下构件的内力转换为几何刚度后做线性化分析的 方法称为线性化有限位移法线性化有限位移法。因为线性化有限位移法在成桥阶段分析中具有足够精确 的解，所以在成桥阶段分析中采用线性化有限位移法。 为了确认施工时的安全性以及施工时临设的设计，需要对各施工阶段做施工阶段 分析 施工阶段 分析。 因为在各施工阶段结构的位移很大，所以要对各施工阶段使用大位移理论大位移理论(几 何非线性理论)建立针对变形后的平衡方程组。悬索桥的施工阶段分析是从成桥阶段采 用逆施工顺序(或称倒退循环)进行的。 本例题桥梁为它承重式悬索桥，在本章节中将详细介绍成桥阶段和施工阶段的建 模方法和确认结果方法。 高级应用例题 2 图1 分析模型 桥梁基本数据 桥梁基本数据 如图1为桥长650m的它承重式悬索桥，详细的桥梁基本数据参见图2。 图2 纵向立面图 1012.5 = 125 m 3212.5 = 400 m 1012.5 = 125 m 2 % 直线坡形直线坡形 2 % 直线坡形直线坡形 (纵向纵向) 1% 抛物线坡形抛物线坡形 40.08 m 33.8 m 桥梁跨度组成桥梁跨度组成 : L = 125.0 + 400.0 + 125.0 = 650 m 桥桥 梁梁 宽宽 度度 : B = 11.0 m 20.72 m X Z 悬索桥的成桥阶段和施工阶段分析 3 建立成桥阶段模型 建立成桥阶段模型 建立结构模型 建立结构模型 本例题中建立悬索桥模型的步骤是首先建立成桥阶段模型，然后做成桥阶段分 析，最后使用其它名称做施工阶段分析。 建立悬索桥成桥阶段模型的详细步骤如下。 1. 定义材料以及截面特性值 2. 初始平衡状态分析 3. 为生成索塔水平杆件分割索塔构件 4. 连接索塔和加劲梁 5. 修改加劲梁位置 6. 复制主缆、吊杆和索塔 7. 生成索塔水平构件 8. 刚性连接加劲梁和吊杆 9. 输入边界条件 10. 输入中间跨跨中支撑 11. 输入质量数据 (加劲梁的回转质量) 12. 输入特征值分析数据 13. 输入静力荷载 高级应用例题 4 设定建模环境 设定建模环境 打开新项目( 新项目新项目)，以Suspension.mcbSuspension.mcb文件名保存( 保存保存)文件，指 定单位体系。 文件 / 新项目新项目 文件 / 保存 保存 (Suspension)(Suspension) 工具 / 单位体系 长度 m m ; 力 tonftonf 图3 设定单位体系 本例题将做三维空间分析，程序自动将自重转换为节点质量。 模型 / 结构类型结构类型 结构类型 3-D3-D 将模型重量转换为质量 转换方向 X, Y, Z转换方向 X, Y, Z 重力加速度 (9.806)(9.806) 图4 指定分析条件 悬索桥的成桥阶段和施工阶段分析 5 定义构件材料 定义构件材料 定义主缆(cable), 吊杆(hanger), 加劲梁(deck), 索塔(tower)的材料。 模型 / 特性值 / 材料材料 名称 主索主索 类型 用户定义用户定义 弹性模量 (2.0e+7)(2.0e+7) 比重 (8.267)(8.267) 图5 定义构件材料 参照表1按上述方法输入吊杆、加劲梁、索塔的材料。 表1 构件材料 项 目 项 目 主 缆 主 缆 吊 杆 吊 杆 加劲梁 加劲梁 索 塔 索 塔 类 型 类 型 用户定义 用户定义 用户定义 用户定义 弹性模量 弹性模量 2.0 x 10 7 1.4 x 10 7 2.1 x 10 7 2.1 x 10 7 比 重 比 重 8.267 7.85 7.85 7.85 单位 : tonf, m 高级应用例题 6 定义截面特性值 定义截面特性值 参照图6和表2，按下列步骤输入截面特性值。 模型 / 特性值 / 截面截面 特性值表单 截面号 ( 1 )( 1 ) ; 名称 (主索)(主索) 尺寸 D(0.23)(0.23) ; 计算特性值 Area ( 0.04178 )( 0.04178 ) 表2 材料以及截面特性值 项 目 项 目 加劲梁 加劲梁 主 索 主 索 吊 杆 吊 杆 索 塔 索 塔 索塔水平构件 索塔水平构件 Area 0.5395 0.04178 0.00209 0.16906 0.1046 Ixx 0.4399 0 0 0.1540 0.1540 Iyy 0.1316 0 0 0.1450 0.1080 Izz 3.2667 0 0 0.1143 0.0913 图6 输入截面特性值(主缆) 单位 : m 悬索桥的成桥阶段和施工阶段分析 7 参照图7和图8输入其它构件的截面特性值。 图7 输入截面特性值(吊杆、加劲梁) 图8 输入截面特性值(索塔、索塔水平构件) 高级应用例题 8 初始平衡状态分析 初始平衡状态分析 悬索桥的成桥阶段在加劲梁自重作用下发生位移后，处于平衡状态。初始平衡状 态下的主索坐标和张力不能由用户任意输入，需要通过力的平衡状态计算。 用户在悬索桥建模助手悬索桥建模助手中只需输入悬索桥的垂度、吊杆间距等基本数据以及各吊 杆上作用的荷载，程序将自动计算出初始平衡状态下主缆的坐标和主索、吊杆的初拉 力。然后将计算出的主缆和吊杆的张力转换为几何钢度初始荷载几何钢度初始荷载，并用其自动构成几 何刚度。 图9 悬索桥二维基本形状 作用于各吊杆上的结构物自重 垂度(sag) 悬索桥的成桥阶段和施工阶段分析 9 为了计算初拉力和成桥阶段基本形状，参照图10在悬索桥建模助手悬索桥建模助手中输入基本数 据。 模型 / 结构建模助手 / 悬索桥建模助手悬索桥建模助手 类型对称桥梁 X(m) Z(m) A (0)(0) (20.48) (20.48) A1 (3.6) (3.6) (20.72) (20.72) B (128.6) (128.6) (60.8) (60.8) C (328.6) (328.6) (27) (27) 索塔高度 (60.8)(60.8) 材料 主缆 (1: 主缆)(1: 主缆) ; 吊杆 (2: 吊杆)(2: 吊杆) 加劲梁 (3: 加劲梁)(3: 加劲梁); 索塔 (4: 索塔)(4: 索塔) 截面 主缆 (1:(1: 主缆)主缆) ; 吊杆 (2: 吊杆) (2: 吊杆) 加劲梁 (3: 加劲梁)(3: 加劲梁); 索塔 (4: 索塔)(4: 索塔) 选择主缆和吊杆单元类型 只受拉单元(索单元)只受拉单元(索单元)? 加劲梁形状 左侧坡度(%) (2)(2) ; 弧形坡度弦长(m) (400)(400) 吊杆间距和荷载 左侧跨 (1012.5)(1012.5) ; (930.89)(930.89) 中间跨 (3212.5)(3212.5) ; (3130.89) (3130.89) 作用于吊杆的恒荷载 加劲梁 : Wd/2 x Ld = 4.235/2 x 12.5 = 26.469 tonf 主 缆 : Wc x Lc = 0.3454 x 12.8 = 4.4421 tonf 合 计 : 30.8930.89 tonf 在此 Wd (加劲梁单位长度重量) : 4.235 tonf/m (假设) Wc (主缆单位长度重量) : 0.3454 tonf/m (假设) Ld (吊杆纵向间距) : 12.5 m Lc (吊杆间主索平均长度) : 12.8 m 忽略吊杆自重 ? 选择只受拉单元(索单 元)时，主缆和吊杆将被定 义为索单元。索单元在线 性分析时自动按等效桁架 单元计算，非线性分析时 自动按 弹性悬索单元计 算。 选择只受拉单元(索单 元)时，主缆和吊杆将被定 义为索单元。索单元在线 性分析时自动按等效桁架 单元计算，非线性分析时 自动按 弹性悬索单元计 算。 高级应用例题 10 如前所述，悬索桥的几何形状尤其是主缆的坐标不能由用户任意输入，而应该通 过悬索平衡条件计算。 悬索桥建模助手悬索桥建模助手利用内含的悬索公式计算自动计算出悬索桥的几何形状和初拉 力。如图10所示，用户只需输入索塔的坐标、垂度(B-C)、加劲梁的坡度、吊杆间距以 及作用在吊杆上的结构自重，程序将自动计算出包含主索坐标在内的所有坐标。 图10 悬索桥建模助手悬索桥建模助手对话框 悬索桥的成桥阶段和施工阶段分析 11 图11是使用悬索桥建模助手悬索桥建模助手功能生成的二维悬索桥模型。主缆和吊杆生成为索单 元，加劲梁和索塔生成为梁单元。如图11所示，程序自动给出了成桥阶段主缆的坐标 以及主缆、吊杆、索塔的内力。内力将自动转换为几何刚度初始荷载几何刚度初始荷载形成几何刚度。 在模型空间确认几何刚度初始荷载几何刚度初始荷载的方法如下。 显示 显示 杂项表单 几何刚度初始荷载几何刚度初始荷载(开) 窗口缩放 窗口缩放 荷载 / 荷载表格 / 几何刚度初始荷载几何刚度初始荷载 图11 使用悬索桥建模助手悬索桥建模助手做初始平衡状态分析 窗口缩放窗口缩放 高级应用例题 12 为生成索塔水平杆件分割索塔构件 为生成索塔水平杆件分割索塔构件 为生成索塔水平杆件如图12分割索塔构件。 模型 / 单元 / 分割单元分割单元 单选单选 (单元: 154, 155154, 155) 分割 单元类型 杆系杆系 不等间距 (1.25, 18.75, 17.58)(1.25, 18.75, 17.58) ? 收缩单元收缩单元 图12 分割索塔构件 ? 从索塔顶端开始输 入索塔水平构件。 从索塔顶端开始输 入索塔水平构件。 154154 155155 悬索桥的成桥阶段和施工阶段分析 13 连接索塔和加劲梁 连接索塔和加劲梁 在索塔和加劲梁相交的地方合并