midas连续梁桥设计专题.docx
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midas连续梁桥设计专题
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连续梁桥设计专题
Midas建模专题
钱江
2011/5/18
1桥梁概况
1.1主要设计指标
该桥是某一级公路上一座(25m+35m+25m)预应力混凝土等截面连续梁桥,横桥向宽度为12.5m,下部结构采用双柱框架墩,承台接钻孔灌注桩基础。
DgIzV。
1)桥梁设计基准期100年;
2)结构设计安全等级一级,A类构件;
3)横向布置:
双幅桥,双向4车道;
4)桥梁全宽:
0.5m(外侧护栏)+11.5m(行车道)+0.5m(内侧护栏)+0.4m(中央分隔带)+0.5m(内侧护栏)+11.5m(行车道)+0.5m(外侧护栏);iHAuw。
5)设计洪水频率:
1/300,设计流量:
7150m3/s;
6)设计恒载:
钢结构容重78.5KN/m3,钢筋混凝土容重26KN/m3,混凝土铺装和沥青混凝土铺装容重24KN/m3;tb0V7。
7)可变荷载:
汽车荷载:
公路—Ⅰ级车道荷载的均布荷载标准值kN/m;车道荷载集中荷载标准值,KN,车道荷载计算剪力效应时,考虑1.2的系数,KN;6ukbN。
汽车冲击力:
按《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)规定取值。
1.2相关计算参数
该桥采用后张法预应力施工,结构验算考虑了施工和使用阶段中预应力损失以及预应力、温度、混凝土收缩徐变等引起的次内力对结构的影响。
相关计算参数如下所示:
Xx1hG。
1)二期恒载:
桥面铺装:
0.1×11.5×24=27.6KN/m;
防撞护栏:
0.325×26=8.5KN/m;
波形护栏:
0.253×26=6.6KN/m;
横梁实心:
4.410×26=114.66KN/m;
2)预应力管道每米局部偏差对摩擦的影响系数:
;
3)对于预应力钢筋与管道壁的摩擦系数:
;
4)钢筋松弛系数,Ⅱ级(低松弛),;
5)锚具变形和接缝压缩值:
(单端);
6)混凝土收缩龄期3天,加载龄期7天;
7)考虑支座不均匀沉降:
边跨6.25mm,中跨8.75mm;
8)箱梁的有效宽度按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004第4.2.3条计算;GQ2jb。
9)竖向日照温差:
℃,℃,竖向日照反温差为正温差乘以-0.5;
10)年最高气温:
34℃;年最低气温:
-23℃;施工温度为10℃。
整体升温温差:
24℃;整体降温温差:
-33℃;
1.3相关设计依据
1)《公路工程技术标准》(JTGB01-2003);
2)《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004);
3)《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004);
4)《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTGD63-2007);
1.4一般构造及钢束布置
1.4.1一般构造
结构采用C50混凝土、桥面混凝土铺装采用C50防水混凝土。
其轴心抗压强度设计值为Mpa,轴心抗拉强度设计值为Mpa,弹性模量为Mpa。
XttH6。
桥梁结构的总体布置如图1-1和图1-2所示:
图1-1边跨25m构造图
图1-2中跨35m构造图
1.4.2钢束布置
预应力钢绞线采用高强度低松弛钢绞线,其标准强度为Mpa,张拉控制应力采用=1395Mpa,弹性模量为Mpa。
gUbLB。
钢绞线孔道采用预埋桥梁用塑料波纹管,波纹管外径D=77mm。
预应力筋与管道壁摩擦系数,管道每米局部偏差对摩擦的影响系数,预应力钢绞线松驰系数0.3。
BsCNM。
普通钢筋采用R235、HRB335级。
R235抗拉、抗压强度设计值、均为195Mpa,弹性模量为Mpa。
HRB335抗拉、抗压强度设计值、均为285Mpa,弹性模量为Mpa。
UDEM4。
结构断面布置及预应力钢束布置如图1-3、1-4和1-5所示:
图1-3边跨25m钢束布置示意图
图1-4中跨35m钢束布置示意图
图1-5各断面钢束布置示意图
1.5施工过程
结构采用满堂支架施工,具体如图1-6所示。
图1-6结构施工流程示意图
2建模分析
2.1模型概述
本章以杆系理论为基础进行全桥整体结构分析,构件类型为A类预应力构件。
其设计安全等级为一级,构件制作方法为现浇。
n0gg8。
采用梁单元建立模型。
其中梁单元共计80个,节点97个,结构离散图见图2-1。
图2-1全桥结构离散图
结构的边界条件如图2-2所示,在实际支座位置建立节点,而后将主梁节点与支座顶节点用“刚性连接”进行连接,而后将支座节点往下复制20cm,两者之间用弹性连接模拟支座,最后在支座底节点用固定支撑进行约束。
hQKHt。
图2-2结构边界条件示意图
全桥采用整体支架现浇,先在支架上浇筑混凝土,养护至规定强度后张拉预应力钢筋,最后进行桥面施工,具体施工阶段划分见表2-1。
6tFSB。
表2-1施工阶段划分
NO.
周期(d)
说明
1
30
浇筑中跨混凝土,张拉钢束;
2
30
浇筑边跨混凝土,张拉钢束;
3
30
桥面铺装施工,拆除支架;
4
3650
十年收缩徐变;
2.2建模要点
2.2.1定义材料与截面
在“模型>材料和截面特性>材料”中,定义“C50”的混凝土材料、预应力钢束材料,如图2-3所示。
在“模型>材料和截面特性>截面”中,分别定义结构跨中截面与支点截面,如图2-4所示。
图2-3结构材料定义示意图
图2-4截面定义示意图
注:
若要结合规范进行PSC设计,在定义截面的时候,需要选择“设计截面”中进行定义,同时对于截面中的“剪切验算位置”及“验算用腹板厚度”需要定义,否则会提示“PSC设计数据失败”。
irz7C。
对于跨中截面及支点截面具体参数如图2-5所示,最后再定义“支点-跨中”及“跨中-支点”的变截面,具体如图2-6所示。
JbOoQ。
图2-5跨中及支点截面示意图
图2-6支点-跨中变截面示意图
2.2.2定义节点、单元及边界条件
在程序中可以用交互输入的方式定义节点与单元,也可以利用与Excel数据交换的功能,建立模型,在此推荐用后面的方式,能大幅提高建模及分析的效率。
22vKn。
将Excel表格中的节点坐标(表2-2所示)数据复制后,粘贴在“树形菜单>表格>节点”中,生成相应节点如图2-7所示。
DP1Z1。
表2-2Excel中节点坐标表
注:
导入数据的时候,需要保证两者的单位统一,否则导入后计算出错。
同时对于从CAD中导入平面线型,打开消隐,在midasCivil中显示是x-y平面上,若要将其调整至是x-z平面上,可以将“节点—表格”的数据,拷入Excel中,而后对y和z的坐标进行互换,而后将修正后的坐标重新粘贴至“节点—表格”中即可。
6IbWN。
同时还可以利用表格的功能,进行荷载、边界条件定义,非常方便。
图2-7模型中节点坐标
连接节点1和节点81,建立单元,并交叉分割,生成全桥单元,并赋予相应的截面,最后根据支座的位置,建立支座的空间节点,定义相应的边界条件,见图2-8所示。
DeVuL。
图2-8定义节点单元及边界
注:
在端横梁和中横梁处,建议不用实心截面进行模拟,用旁边的空心截面进行模拟,同时实心部分用等效荷载的方式代替;若用实心截面代替,则此处的中性轴有较大的突变,对于计算结果读取反而有影响,具体说明可以参考《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)中第4.2.6条的规定。
W8D0c。
2.2.3定义时间依存材料特性
在“模型>材料和截面特性>时间依存材料(徐变/收缩)”中,定义C50混凝土收缩徐变特性,具体如图2-9所示。
DdQBZ。
图2-9定义混凝土收缩徐变特性
注:
定义收缩徐变时,需要注意标号强度不要输错,对于C50混凝土的定义,许多工程师经常输入5000KN/m2,导致后续计算中出现奇异或警告等信息;u6loO。
同时由于单元的构件理论厚度都不一样,因此在此先输入一个非0值,最后利用“修改单元时间依存材料特性”的功能,重新计算构件理论厚度,如图2-10所示。
nktjp。
图2-10修改单元的构件理论厚度
2.2.4定义静力荷载工况
在“荷载>静力荷载工况”中,定义荷载工况类型,如图2-11所示。
“施工阶段荷载(CS)”仅在施工阶段分析时起作用,在成桥阶段不起作用。
为了避免在进行自动荷载组合时,发生相同荷载重复作用,建议在施工阶段作用的荷载,其荷载类型最好定义为“施工阶段荷载(CS)”。
ClgZP。
图2-11定义静力荷载工况
而后分别定义自重,二期,横梁自重等,温度等荷载工况,具体数值详见模型“连续梁桥设计”。
注:
在模型中,在定义整体升降温和梁截面温度时,为了防止出现错误,建议初始温度选择0℃。
对于midasCivil中,混凝土重量为25KN/m3,若要将其改成26KN/m3,可以在自重工况考虑-1.04的系数,如图2-12所示。
kZj3v。
图2-12定义自重工况
2.2.5定义预应力荷载
在“荷载>预应力荷载>钢束特征值”中,定义钢束特征值,如图2-13所示。
图2-13定义钢束特征值
注:
定义钢束特征值时,对于导管直径不要输错,有很多工程师,把导管直径定义为0.9m,导致计算中出现歧义,容易对计算者产生误导,检查边界条件,而不会注意到钢束特征值的问题。
GgvPF。
在“荷载>预应力荷载>钢束布置形状”中,先定义中跨的中腹板钢束,依据钢束线型,选用“直线”,输入坐标数据;而后再将生成好的钢束,进行左右复制,分别定义中跨边腹板的钢束,按同样的方法,完成边跨腹板钢束的定义,如图2-14所示。
JrvsY。
注:
定义钢束形状时,对于无应力场长度,在国外相关规范中有规定,若按中国规范进行分析,可不需定义。
图2-14定义钢束形状
在“荷载>预应力荷载>钢束预应力荷载”中,定义钢束的张拉控制应力,对于结构的中跨钢束,采用两端张拉,对于边跨钢束,采用钢束连接器进行连接,采用单端张拉,张拉控制应力为1395MPa,具体如图2-15所示,张拉应力表格数值如图2-16所示。
9upkv。
图2-15定义钢束张拉控制应力
图2-16钢束张拉控制应力表
2.2.6定义移动荷载
在“荷载>移动荷载分析数据>移动荷载规范”中,选择中国移动荷载规范,如图2-17所示。
图2-17选择移动荷载规范
在“荷载>移动荷载分析数据>车道”中,定义移动荷载车道,如图2-18所示。
图2-18定义移动荷载车道
注:
在定义车道时,对于单梁模型,选用“车道单元”的方式定义车道;若对于梁格模型,建议用“横向联系梁”的方式定义车道。
若采用新规范进行验算,“跨度”取全桥最不利跨径,同时“跨度始点”可不定义。
WHl7b。
“跨度”有两个作用,确定车道荷载集中荷载的大小;同时还确定移动荷载的纵向折减系数大小。
在“荷载>移动荷载分析数据>车辆”中,定义“标准车辆荷载”,如图2-19所示。
图2-19定义移动荷载标准车辆
在“荷载>移动荷载分析数据>移动荷载工况”中,定义移动荷载工况,如图2-20所示。
图2-20定义移动荷载工况
定义移动荷载工况时,若只有一个荷载子工况,选择“组合”或“单独”,对结果没有影响,当存在两个子工况时,才会存在差别。
9lZW7。
在midasCivil中,是对结构进行空间分析,车道按实际车道线进行定义,因此不需要定义横向分布系数。
若要在程序中采用横向分布系数的算法,可以在“子荷载工况”中定义“系数”