SAPv11桥梁设计功能.docx

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SAPv11桥梁设计功能

SAP2000桥梁设计

SAP2000是国际知名的通用有限元结构分析软件，缘起于被国际工程界一致认可的利用计算机进行结构辅助分析的卓越贡献者，美国加州Berkeley分校的EdwardL.Wilson教授。

SAP自诞生以来，已经成为最新分析方法的代名词，为交通运输、工业、公共事业、运动和其他领域的工程师提供了无出其右的分析引擎和设计工具。

其先进的分析技术提供了：

逐步大变形分析、多重P-Delta效应、特征向量和Ritz向量分析、索分析、单拉和单压、屈曲分析、爆炸分析，针对阻尼器、基础隔震和支承塑性的快速非线性分析，用能量方法进行侧移控制，基于性能的Pushover分析和包含收缩徐变效应的分段施工分析等。

SAP2000中文版桥梁设计分析是依据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）（以下简称“通用规范”）和《公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）（以下简称“桥规”）进行的。

桥梁设计采用概率极限状态设计法即：

γ0S≤R，S为作用效应，R为结构抗力，γ0桥梁结构的重要性系数。

桥梁的设计分为三个方面：

持久状况承载能力极限状态设计、持久状况正常使用极限状态设计、持久状况和短暂状况的应力计算等三个过程。

桥梁设计者可以用SAP2000的桥梁模块建立桥梁模型，自动进行桥梁活荷载的分析和设计，进行桥梁基础隔震和桥梁施工顺序分析，进行大变形悬索桥分析和Pushover推覆分析。

重点实现以下功能：

梯度温度效应的计算；预应力次效应的考虑；预应力损失（包括弹性压缩、收缩徐变损失等）的计算；引入持久状况承载能力极限状态、持久状况正常使用极限状态、持久状况和短暂状况应力计算；完善桥梁设计所需的荷载工况和荷载组合；区分全预应力与部分预应力；利用莫尔理论进行主应力计算；考虑冲击系数的影响。

1．丰富的桥型设计分析功能

SAP2000能够分析设计国内常见的大部分桥型：

预应力钢筋混凝土桥梁：

板桥、简支梁桥、连续梁桥、T形刚构桥等等；

钢桥：

钢板桥、钢梁桥、钢桁架桥等等；

联合桥梁:

钢箱型桥梁、梁板桥梁；

大跨度桥梁:

悬索桥、斜拉桥、拱桥。

斜桥、弯桥

2．多种方便快捷的建模方法

BAG模块——是采用参数化的形式来建立桥梁模型，能帮助用户方便快速的形成梁单元模型，且它形成的框架截面等等存在于SAP2000的公用环境中，工程师可以方便的进行修改及指定。

桥梁向导——提供了使用SAP2000桥梁模块一步一步建模过程指导。

在进行建模的每一步，桥梁向导会介绍各步骤的具体功能。

桥梁向导不但操作简单快捷，而且能够建立较为复杂的桥梁模型。

桥梁模块——可以快速方便地建立各种复杂的桥梁模型，包括参数化的横截面定义、复杂的三维桥轴线、桥台和桥墩、各种预应力钢筋布置、自动生成框架、壳体和实体单元模型，自动进行桥梁活荷载布置，进行桥梁基础隔震和桥梁施工顺序分析，进行大变形悬索桥分析和静力非线性Pushover分析等等。

SAP2000的顺序施工模块增加了对任意模型考虑施工顺序的功能，顺序施工分析可以包括与时间相关的效应，如混凝土的徐变和收缩、混凝土的龄期效应、预应力钢筋的松弛效应等等。

用户可以将桥梁模块建立的模型方便地转化为梁单元模型、桥单元模型、实体单元模型，利用SAP2000强大的分析引擎，可以最大限度满足用户的各种分析需求。

3．纳入的中国规范

《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）

《公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）

《城市桥梁设计荷载标准》（CJJ77—98）

4．前处理功能简介

定义桥轴线

桥轴线可以说是桥梁的主梁中心线，相对来讲，它比SAP2000中普遍使用的轴线的作用更广。

它表达了桥梁的平面及竖向布置，同时桥梁的其它构件如桥台、桥墩位置的定义都要用到轴线的数据。

在SAP2000中，能够方便灵活的定义各种桥轴线及其组合，如图4.1所示。

图4.1轴线输入示意图

定义下部结构

下部结构包括桥台、桥墩及地基。

墩、台主要承受上部结构传来的荷载，并通过基础又将此荷载及本身的自重传递到地基上。

用户可以分别定义上部结构与桥台、桥墩以及桥台桥墩与地基的连接形式。

连接形式可以为：

固定（Fixed）、自由（Free）或者部分刚性（PartialFixity），如果为部分刚性，需要指定刚度。

图4.2~图4.3分别是桥台、桥墩和桥柱支座的输入窗口，图4.5是桥台支座水平位置示意图。

另外，用户还可按自己的设计需求添加横隔板。

图4.2桥台输入对话框

图4.3桥墩输入示意图

图4.4桥柱支座数据

图4.5桥台支座水平位置示意图

定义上部结构

普通的主梁截面基本都可以利用桥梁模块采用参数化的形式来输入：

如混凝土箱梁、T梁、现浇板梁、钢－混凝土组合梁等。

截面类型如图4.6所示。

图4.6桥截面输入示意图

定义变量

主梁截面常常沿桥梁纵向是不断变化的。

SAP2000的框架单元的截面属性按照一定的规律进行变化。

在桥梁模块中这项功能得到了大大的加强。

沿桥梁的跨度定义任意一个变量，将来这个变量附给主梁的截面任一参数，如高度、宽度、腹板厚度等。

注意这里的变量指的是尺寸改变量，即基于截面参数的标准值遵照参变量进行增或减。

变量定义如图4.7所示。

图4.7变量定义示意图

桥接缝定义

主梁沿跨度方向可能是连续的，也可能存在不连续的行为，如存在铰或者伸缩缝。

这些不连续的行为需要在桥铰（伸缩缝）数据对话框中定义，如图4.8所示。

图4.8桥铰（伸缩缝）数据对话框

定义桥对象

当上部结构与下部结构所需参数基本完成后，就可以通过定义桥对象组建桥梁模型，在桥对象数据对话框中，可以定义跨径、主梁变化、桥台、桥墩、横隔板、预应力等。

如图4.9所示。

图4.9桥对象定义示意图

定义预应力

预应力在桥梁工程中应用较为广泛。

SAP2000能够定义直线、圆弧、抛物线等线形的平弯、竖弯预应力筋，并可以根据用户需要将预应力筋分别模拟为荷载或单元进行计算。

并能根据桥规进行预应力损失计算。

如图4.10所示。

图4.10预应力筋输入示意图

更新桥结构模型

通过更新桥梁模型的命令，可以将参数化表示的桥梁对象转换为线对象、面对象或实体对象模型。

通过这个操作，形成了桥梁的有限元模型。

由于桥梁模块是采用大量的参数对象来表征桥梁模型，所以基于桥对象的有限元模型可以在不同的单元类型上进行转换。

如图4.11所示。

图4.12更新桥结构模型

5．定义车辆荷载

定义车道：

SAP2000中车道的定义有两种方式：

一种是根据已经定义好的桥轴线，二是根据模型中的框架单元（注意，框架只是为车道提供起始点，即框架相当于轴线的作用）。

如图5.1所示。

图5.1车道定义

定义车辆：

SAP2000包括《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）和《城市桥梁设计荷载标准》（CJJ77—98）的标准车辆。

另外用户还可以根据自己的需要定义一般车辆，如图5.2所示。

图5.2一般车辆数据对话框

定义车辆荷载工况

定义工况类型为MovingLoad的分析工况。

在此工况中要输入包括多车道的折减系数（比例系数）、加载的车道等数据。

如图5.3所示。

图5.3分析工矿数据

6．定义输出选项

移动荷载分析工况主要目的是得到桥梁某些反应值的包络。

反应值需要工程师指定，一个大型的桥梁模型，可以根据分析目的不同，进行有目的的选择反应量：

如位移、框架内力等，这样程序就能节省很多计算时间。

另外在计算出某些反应最大/最小值时，伴随着其它反应量是否与此最大/最小值一致的问题。

程序为工程师添加了一个一致的复选框，如果对于某一个反应点选一致选项，则此反应的最大/最小值对应的其它内力值或变形值也需要计算。

例如计算某个框架对象的最大弯矩M3，则相应值包括P、V2、V3、T、M2也要同时计算出来。

定义桥梁反应的对话框如图6.1所示。

图6.1桥梁反应对话框

7．显示桥梁反应

桥梁内力或应力，详细内容见表7.1。

图形输出见图7.1，弯矩包络图如图7.2所示。

表7.1输出内容

对象类型

结果类型

分量

节点

位移

U1、U2、U3、R1、R2、R3

反力

F1、F2、F3、M1、M2、M3

框架

内力

P1、V2、V3、T、M2、M3

壳

内力

F11、F22、F12、M11、M22、M12、V13、V23

VMax、Fmax、Mmax、Fmin、Mmin、FVM

顶部应力

底部应力

S11、S22、S12、S13、S23

Smax、SmaxV、Smin、SVM

实体

应力

S11、S22、S33、S12、S13、S23

Smax、SMID、Smin、SVM

连接

内变形

U1、U2、U3、R1、R2、R3

I端力

J端力

P1、V2、V3、T、M2、M3

图7.1桥梁内力/应力显示对话框

图7.2弯矩包络图示意图

11．伴随移动荷载分析工况的求解带来的影响线或影响面，影响线见图7.3，影响面见图7.4。

图7.3影响线示意图

图7.4影响面示意图

12．定义施工阶段

如图9.1所示：

图9.1定义阶段施工

13．荷载组合：

正常使用极限状态

短期效应组合（组合中采用频遇值系数）：

永久作用组合和永久作用+汽车荷载+其他可变作用组合。

长期效应组合（组合中采用准永久值系数）：

永久作用+汽车荷载+其他可变作用。

应力组合

永久荷载+汽车荷载+其他可变作用

14．正常使用极限状态计算

持久状况正常使用极限状态计算包括抗裂验算和挠度验算等等。

15．持久状况和短暂状况构件的应力计算

持久状况和短暂状况构件的应力计算包括持久状况作用下预应力混凝土的混凝土和钢筋应力验算，短暂状况作用下混凝土和钢筋的应力计算。

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