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MIDAS培训资料

第一章关于MIDAS/Civil

1.1midas软件/Civil简介

MIDAS系列软件是以有限元为理论基础开发的分析和设计软件。

早在1989年韩国浦项集团成立CAD/CAE研发机构开始专门研发MIDAS系列软件，于2000年9月正式成立InformationTechnologyCo.,Ltd.（简称MIDASIT）。

目前MIDAS系列软件包含建筑（Gen），桥梁（Civil），岩土隧道（GTS），机械（MEC），基础（SDS），有限元网格划分（FX+）等多种软件。

在计算机技术方面，MIDAS/Civil所使用的是客体指向性计算机语言VisualC++，因此可以充分地使32bit视窗环境的优点和特点得到发挥。

以用户为中心的输入输出功能使用的是精确而且直观的用户界面和尖端的电脑图形技术，从而为考虑施工阶段或者材料时间依存性的土木建筑物的建模和分析提供了很大的便利。

在结构设计方面，MIDAS/Civil全面强化了实际工作中结构分析所需要的分析功能。

通过在已有的有限元库中加入索单元、钩单元、间隙单元等非线性要素，结合施工阶段、时间依存性、几何非线性等最新结构分析理论，从而计算出更加准确的和切合实际的分析结果。

建模技术采用的是自行开发的新概念CAD形式的建模技术，可以更加提高建模效率。

特别是由于拥有如桥梁建模助手等高效自动化建模功能，所以只要输入截面形状、桥梁特点、预应力桥的钢束位置等基本数据，就可以自动建立桥梁模型以及施工阶段的各种数据。

悬索桥完成系模型

为青潭大桥的抗震设计所进行的特征值分析

栈桥模型

墩柱静力分析

1.2MIDAS/Civil的适用领域

MIDAS/Civil的适用领域如下。

􀂾所有形式的桥梁分析与设计

钢筋混凝土桥、钢桥、联合梁桥、预应力桥、悬索桥、斜张桥

􀂾大体积混凝土的水化热分析

桥台、桥墩、防波堤、地铁、其它基础建筑

􀂾地下建筑的分析

地铁、通信电缆管道、上下水处理设施、隧道

􀂾发电站及工业设施结构设计

发电站、铁塔、压力容器、水塔等

􀂾其它国家基础建设结构设计

飞机场、大坝、港湾等

1.3MIDAS/Civil的特点

*提供菜单交互式、表格输入、导入CAD等灵活多样的建模功能。

　　*提供刚构桥、板型桥、箱梁桥、顶推法桥梁、悬臂法桥梁、移动支架/满堂支架法桥梁、悬索桥、斜拉桥的建模助手。

　　*提供中国、美国、英国、德国、欧洲、日本、韩国等国家的材料和截面数据库，以及混凝土收缩和徐变规范和移动何在规范。

　　*提供桁架、一般梁/边截面梁、平面应力/平面应变、只受拉/只受压、钩、索、板、实体单元等工程实际时所需的各种有限元模型。

　　*提供静力分析、动力分析、静/动力弹塑性分析、几何非线形分析、优化索力、屈曲分析、移动荷载分析（影响线/影响面分析）、支座沉降分析、施工阶段分析、联合截面施工阶段分析等功能。

　　*在后处理中，可以根据设计规范自动生成荷载组合，也可以添加和修改荷载组合。

　　*可以输出各种反力、位移、内力和应力的图形、表格和文本。

　　*可在进行结构分析后对多种形式的梁、柱截面进行设计和验算。

1.4分析框图

1.5操作界面

第二章土木结构分析

2.1MIDAS/Civil中的数值分析模型

结构分析模型是由节点、单元及边界条件三要素所构成的。

其中，节点是用来确定构件的位置；单元是用分析模型数据表达结构构件的元素，它是由连续的结构构件按有限元法划分而成的；边界条件是用来表达所研究的对象结构与相邻的结构之间的连接方式。

所谓的结构分析就是为了研究结构的力学性能，建立结构的数值分析模型，利用假定的外部环境作用，对数学模型作理论性的实验分析的总过程。

在结构分析时，需要准确的表现结构的特性和结构所处的外部环境。

其中外部环境主要就是指荷载因素。

可通过规范或者一些现有的统计资料得到。

但是，要想把握好结构的特性，充分地了解结构的受力性能，则不是一件非常简单的事情。

它将直接影响到结构的受力分析结果。

因此，作结构分析时必须充分细致的了解实际结构的材料特性，掌握结构的变形能力即刚度，选择合理的有限计算单元，使得计算结构模型同实际结构相接近，使计算结果同实际结构相符合。

但是，通常结构的形状是复杂的，而且很难精确地把握其材料的物理特性。

要想把结构的刚度（即变形能力）和质量精确地反映到计算结构模型上，将会花去很大的精力和时间，有时有可能带来事倍功半的效果。

因此，进行结构分析时，在不破坏整体结构特征的前提下，必须做到简化、调整计算结构的数学模型，使得用最少的投入，得到最佳的结果。

例如，对桥梁的主梁建立数学模型时，不使用板形单元（平面应力单元或板单

元），而采用线形单元（桁架单元或梁单元）时，不但缩短结构分析时间，而且

更便于作结构设计。

所谓的有限元（FiniteElement）就是用分析模型数据表达结构构件特性的元

素，它是由连续的结构构件按有限元法划分而成的。

它必须充分的反映结构受力

特性，但通常很难做到用数学的方法完整地反映出实际结构固有的特性。

因此，作为用户必须充分地了解实际结构的受力性能，掌握好各种有限单元的力

学特性，以便较好的选择有限单元，正确地做到结构分析和设计。

2.2坐标系和节点

MIDAS/Civil软件使用如下几个坐标系系统。

..全局坐标系（GlobalCoordinateSystem）

..单元坐标系（ElementCoordinateSystem）

..节点坐标系（NodelocalCoordinateSystem）

全局坐标系是由X、Y、Z三轴满足右手螺旋法则的空间直角坐标系（ConventionalCartesianCoordinateSystem），用大写X、Y、Z表示三个轴的方向。

通常利用该坐标系表达节点坐标、节点位移、节点反力及相关于节点的其它输入数据。

全局坐标系是用来确定所分析对象结构空间位置的坐标系统。

启动MIDAS/Civil软件，在系统界面视窗区，将自动生成基准点（ReferencePoint）即全局坐标系的原点X=0、Y=0、Z=0和全局坐标系统。

其中Z轴的方向平行于重力加速度方向并与其反向。

因此利用软件建立结构的计算模型时，建议做到结构的垂直方向与全局坐标系的Z轴平行建模，将有利于结构分析。

单元坐标系也是由x、y、z三轴满足右手螺旋法则的空间直角坐标系统，可用小写x、y、z表示三个轴的方向。

通常利用该坐标系表达单元内力、单元应力及相关于单元的其它输入数据。

结构端部节点的约束（支撑）方向、弹簧支撑方向及节点的强制位移方向同全局坐标系的坐标轴方向不相吻合时，通常采用节点坐标系。

节点坐标系也是由x、y、z三轴满足右手螺旋法则的空间直角坐标系统，可用小写x、y、z表示三个轴的方向。

全局坐标系和节点坐标

2.3单元种类及主要考虑事项

MIDAS/Civil使用以下几种单元类型。

􀂾桁架单元（TrussElement）

􀂾只受拉单元（Tension-onlyElement,包含Hook功能）

􀂾索单元（CableElement）

􀂾只受压单元（Compression-onlyElement,包含Gap功能）

􀂾梁单元/变截面梁单元（BeamElement/TaperedBeamElement）

􀂾平面应力单元（PlaneStressElement）

􀂾板单元（PlateElement）

􀂾平面应变单元（2DPlaneStrainElement）

􀂾平面轴对称单元（2DAxisymmetricElement）

􀂾空间单元（SolidElement）

输入有限单元就是输入相关于单元的种类、材料特性、刚度大小的数据和输入确定单元位置、形状和大小的节点数据的过程。

2.3.1桁架单元（TrussElement）

􀀟一般事项

由2个节点构成的桁架单元是属于“单向受拉-受压的三维线性单元（UniaxialTension-Compression3DLineElement）”，它只能传递轴向的拉力和压力。

通常利用该单元做空间桁架结构（SpaceTruss）或交叉支撑结构（DiagonalBrace）的受力分析。

􀀟单元自由度和单元坐标系

桁架单元的两端各有一个沿单元坐标系的x轴方向的位移，它具有两个自由度。

单元坐标系是单元的内力及单元的应力输出的基准。

在梁单元上，单元的抗剪刚度和抗弯刚度输入方向依据单元坐标系。

所以在做结构分析时必须正确地理解单元坐标系的概念。

对于桁架单元、只受拉单元及只仅受压单元等只具有轴向刚度的单元而言，只有单元坐标系的x轴有意义，它是确定结构变形的基准，但利用y、z轴可确定桁架截面在视窗上的方向。

为便于用户使用MIDAS/Civil软件，通常可利用β角来表示单元坐标系的y,z轴方向。

线性单元的单元坐标系里，x轴的方向将平行于节点N1和节点N2的连线方向（参照下图）如果，单元坐标系的x轴平行于全局坐标系的Z轴，β角是全局坐标系X轴与单元坐标系z轴件的夹角。

该角度的正负符号是，以单元坐标系的x轴为旋转轴依据右手螺旋法则来确定。

如果单元坐标系的x轴与全局坐标系的Z轴不相互平行时，β角是全局坐标系的Z轴与单元坐标系的x-z轴所构成的平面间的夹角。

β角概念

单元内力输出

单元的输出内力符号见图1.3所示，图中以箭头指示方向为正“+”。

桁架单元的单元坐标系及单元的输出内力（应力）符号规定

2.3.2梁单元（BeamElement）

􀀟一般事项

这是由2个节点构成的，是属于“等截面或变截面三维梁单元（Prismatic/Nonprismatic3DBeamElement）”，它具有拉、压、剪、弯、扭的变形刚度（依据TimoshenkoBeamTheory）。

当梁截面面积沿长度范围内不发生变化（PrismaticBeamElement）时，把一个截面面积（Section）输入到对话窗口；当梁截面面积沿长度范围内发生变化（Non-PrismaticBeamElement）时，把梁两端的两个截面面积输入到对话窗口。

利用MIDASI/Civil软件分析变截面梁时，截面面积、有效抗剪截面及截面的抗扭刚度都看作是x轴方向的线性函数（LinearVariation）。

而横截面面积对该截面的主轴计算的截面惯性矩，按用户选择的不同，沿x轴方向可以形成为1次、2次、3次性函数。

􀀟单元自由度及单元坐标系

无论是在单元坐标系还是在全局坐标系里，梁单元的每一个节点都具有三个方向的线性移动位移和三个方向的旋转位移，因而每一个节点具有6个自由度。

梁单元坐标系与桁架单元具有相同的坐标系。

􀀟相关功能

CreateElements输入计算单元

Material输入材料的物理特性

Section输入截面特性

BeamEndRelease确定两节点的连接方式（释放梁端约束，刚结及铰接等）

BeamEndOffsets输入梁端偏心距离

ElementBeamLoads输入梁荷载（作用于梁上的集中及均布荷载）

LineBeamLoads确定加荷范围并输入线荷载

AssignFloorLoads将楼板荷载转换成梁荷载来输入

PrestressBeamLoads输入预应力荷载值

TemperatureGradient输入温度梯度

􀀟单元内力输出

输出的单元内力符号如图1.9所示，箭头指向为正（+）。

构件应力的正负号规定与单元内力符号规定相同。

但在弯矩作用下截面上产生应力时，则以受拉为正、受压为负来规定其符号。

*输出的内力是以箭头指向为正（+）。

梁单元的单元坐标系及单元内力（或应力）符号规定

2.3.3板单元（PlateElement）

􀀟一般事项

此本单元是由同一平面上的3到4个节点构成的平板单元（PlateElement），在工程中可以利用它解决平面张拉、平面压缩、平面剪切及平板沿厚度方向的弯曲剪切等结构问题。

MIDAS/Civil软件所采用的板单元，根据平面外刚度不同可以把单元划分成薄板单元DKT、DKQ（DiscreteKichhoffElement）和厚板单元DKMT、DKMQ（DiscreteKirchhoff-MindlinElement）两种。

其中，根据KirchhoffPlateTheory理论开发了薄板单元；依据Mindlin-ReissnerPlateTheory理论开发了厚板单元。

由于板单元考虑了局部的横向剪切应力的影响，因此对于薄板单元或厚板单元都能计算出比较准确的结果。

对三角形板单元，利用线性应变三角形理论LST（LinearStrainTriangle）公式化了板单元的平面内刚度。

对四边形板单元，利用了等参数平面应力理论（IsoparametricPlaneStressFormulationwithIncompatibleModes）公式化了单元的平面内刚度。

输入板厚的方式有两种，一是为计算平面内的刚度（In-planeStiffness）输入板厚，另一是为计算平面外的刚度（Out-of-Plane-Stiffness）输入板厚。

当计算结构的自重或质量时软件自动取用前者数据。

如果用户只输入了计算平面外刚度的厚度时，软件取用该值。

􀀟单元自由度及单元坐标系

板单元的自由度是以单元坐标系为基准，每个节点具有x、y、z轴方向的移动的线性位移自由度和绕x、y轴旋转的旋转位移自由度。

单元坐标系是由x、y、z三轴构成的，满足右手螺旋法则的空间直角坐标系。

单元坐标系的方向类似于平面应力单元的坐标系统。

􀀟单元相关功能

CreateElements输入单元

Material输入材料的物理特性

Thickness输入单元厚度

PressureLoads输入沿单元变长分布的受压荷载值

TemperatureGradient输入温度梯度

四边形单元的单元坐标系

三角形单元的单元坐标系

􀀟单元内力输出

按以下方式输出平板单元的单元内力及应力，其符号及方向依据单元坐标系或整体坐标系。

下面以单元坐标系为基准对其说明。

􀂾节点单元内力输出

􀂾节点和单元中心处上输出单位长度内力

􀂾节点及单元中心处输出截面上部和截面下部的应力

节点的单元内力是该节点的位移乘以该节点的刚度而得到。

节点和单元中心处的单位长度内力有平面内内力和平面外内力。

这些内力可以按计算点处的应力对厚度积分方式计算。

在对钢筋混凝土构件设计时可以有效地利用单元的单位长度内力值。

节点和单元中心的应力是把在该单元积分点上（GaussPoint）应力按外推法（Extrapolation）推算而得到。

􀂾单元内力输出

输出的单元内力符号规定见图1.28所示，其中箭头指向为正（+）。

􀂾单位长度上单元内力输出

在节点和单元中心处，单位长度内力符号规定见图1.29所示，其中箭头指向为正（+）。

􀂾单元应力输出

在节点和单元中心处，输出的单元应力可分为截面上部（TopSurface）单元应力和截面下部（BottomSurface）单元应力。

符号规定见图1.30所示，其中

箭头指向为正（+）。

●输出的单元应力依据单元坐标系，箭头指向为正（+）。

板单元的各节点处的内力输出位置及符号规定

●输出的单元应力依据单元坐标系，箭头指向为正（+）。

板单元的单位长度内力输出及符号规定

●输出的单元应力依据单元坐标系，箭头指向为正（+）。

板单元的单元应力输出位置及输出值的符号规定

2.4边界条件

2.4.1自由度约束

利用自由度约束（Constraint）功能可以约束节点的位移；或者在缺少自由度的单元（如桁架单元、平面应力单元、板单元等）之间相互连接时，利用此功能约束这些节点的自由度，以防止发生奇异（SingularError）。

在整体坐标系（GlobalCoordinateSystem）或在节点坐标系（NodelocalCoordinateSystem）上的每一个节点都可以输入六个方向的自由度约束条件（Dx,Dy,Dz,Rx,Ry,Rz）。

2.4.2梁的节点约束

MIDAS/CIVIL是三维空间结构分析程序，故每个节点有6个自由度（Dx,Dy,Dz,Rx,Ry,Rz）。

如果已将结构类型定义X-Z平面，故不需对Dy,Rx,Rz自由度再做约束。

如未定义X-Z平面，一般需对Dy,Rx,Rz自由度进行约束。

对于活动铰，一般只约束Dx，固定铰约束Dx、Dz，固定端约束Dx,Dz,Ry。

2.4.3梁单元之间的约束

一般弹性支承，定义为DX10000Kn/mm,DY10KN/mm，Dz10KN/mm，其余释放弯矩，例如贝雷和型钢横梁的约束。