【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 20xx屆工程力學(xué)專業(yè)畢業(yè)論文 第 6 頁(yè) 共 61 頁(yè) 第二章 建立有限元模型及其力學(xué)分析 MIDAS/Civil 簡(jiǎn)介 對(duì)于 嘉濱路牛角沱高 架橋外二橋 的研究，我采用 MIDAS/Civil 軟件進(jìn)行建模以及后續(xù)的有限元法分析。 MIDAS/Civil 是針對(duì)土木結(jié)構(gòu)，特別是分析象預(yù)應(yīng)力箱型橋梁、懸索橋、斜拉橋等特殊的橋梁結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)可以做非線性邊界分析、材料非線性分析、靜力彈塑性分析、動(dòng)力彈塑性分析。為能夠迅速、準(zhǔn)確地完成類似結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)，以填補(bǔ)目前土木結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)軟件市場(chǎng)的空白，而開發(fā)的“土木結(jié)構(gòu)專用的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件”。 MIDAS/Civil 是一個(gè)通用結(jié)構(gòu)及橋梁結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件，用于橋梁結(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)、工業(yè)建筑等結(jié)構(gòu)的靜力分析、動(dòng) 力分析、非線性分析、施工階段分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。在橋梁結(jié)構(gòu)方面， MIDAS/Civil 結(jié)合中國(guó)公路、鐵路和城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范，提供了從建模、分析、后處理到設(shè)計(jì)的一體化功能。 MIDAS/Civil 的主要特點(diǎn)如下： ① 建模便捷。提供靈活多樣的建模功能，還可以導(dǎo)入由 SAP20xx 創(chuàng)建的有限元模型。 ② 提供多種橋梁的建模助手。 ③ 內(nèi)置豐富的材料和截面數(shù)據(jù)庫(kù)，提供多國(guó)的材料和截面數(shù)據(jù)庫(kù)，以及混凝土收縮和徐變規(guī)范和移動(dòng)荷載規(guī)范，同時(shí)用戶還可以根據(jù)需要自行定義材料和截面。 ④ 單元類型豐富，提供桁架、一般梁 /變截面梁、鉤、索、板、實(shí)體單 元等工程實(shí)際時(shí)所需的各種有限元模型。 ⑤ 提供靜力分析、動(dòng)力分析、靜力彈塑性分析、動(dòng)力彈塑性分析、動(dòng)力邊界非線形分析、幾何非線形分析、移動(dòng)荷載分析（影響線 /影響面分析）、支座沉降分析、施工階段分析等功能。 ⑥ 在后處理中，可以根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范自動(dòng)生成荷載組合，也可以添加和修改荷載組合。 ⑦ 可以輸出各種反力、內(nèi)力、位移和應(yīng)力的圖形、文本和表格。 ⑧ 可在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析后對(duì)多種形式的梁、柱截面進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。 【 6】 模型總體概況 嘉濱路牛角沱高架橋外二橋上部橋跨布置全部為： 1+1 +12 + 1 24,7m=， 本次課題為 嘉濱路牛角沱高架橋外二橋 的前 5跨，即 +4 = m橋梁結(jié)構(gòu)為普通鋼筋混凝土連續(xù)空心板橋。橋面布置為 (護(hù)欄 )+ (行王振：嘉濱路牛角沱高架橋 15 跨維護(hù) 方案研究 第 7 頁(yè) 共 61 頁(yè) 車道 )+(護(hù)欄 )=?？招陌灏甯?，頂板寬 ，翼板寬 ，底板寬，空心板空心部分采用直徑為 D=，上下底板厚 。 圖 1 橋梁截面 現(xiàn)澆空心板采用 30號(hào)混凝土。下部橋墩 為直徑 ，基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)，橋墩采用 25號(hào)混凝土，擴(kuò)大基礎(chǔ)采用 20號(hào)混凝土。原設(shè)計(jì)荷載為汽車 20級(jí)，掛車 100級(jí)，人群 。 圖 2 前五跨剖面圖 建立模型 建立截面 橋面橫斷面 在 MIDAS/Civil 中，系統(tǒng)默認(rèn)的常用截面模板不能完成此次需要的截面，因此，我們需要用其他軟件設(shè)計(jì)這個(gè)截面然后將其導(dǎo)入邁達(dá)斯中，在這里，我采用的是 CAD畫圖。效果圖如圖 所示。 20xx屆工程力學(xué)專業(yè)畢業(yè)論文 第 8 頁(yè) 共 61 頁(yè) 圖 1 橋梁截面 其中空心板板高 ，頂板寬 ，翼板寬 ，底板寬 ，空心板空心部分采用直徑為 D= 的圓，上下底板厚 ，兩個(gè)圓形空心圓圓心距離為 ，最兩邊的空心圓圓心距離兩邊的距離為 。截面在 MIDAS/Civil 中模型及具體參數(shù)如下圖所示。 圖 2 定義橋梁截面 圖 3 橋梁截面參數(shù) 橋墩橫斷面及基礎(chǔ)斷面 王振：嘉濱路牛角沱高架橋 15 跨維護(hù) 方案研究 第 9 頁(yè) 共 61 頁(yè) 下部橋墩為直徑 的鋼筋混凝土圓柱墩，基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書給出圖片，我將其直徑定義為 。在 MIDAS/Civil 的截面數(shù)據(jù)庫(kù)中提供了這種截面，因此只需要在 MIDAS/Civil 中直接建立截面。其具體參數(shù)如下圖所示。 圖 4 橋墩截面 1 號(hào)橋墩斷面 1 號(hào)橋墩與中間的其他橋墩在規(guī)格尺寸上有很大的差異，并且在橋墩直徑 ，上面橋面相對(duì)較寬，我們將橋墩上的橋面算在第一跨中，即第一跨 。其截面建立過(guò)程與其他橋墩和擴(kuò)大基礎(chǔ)完全相同，具體參數(shù)如下圖所示。 20xx屆工程力學(xué)專業(yè)畢業(yè)論文 第 10 頁(yè) 共 61 頁(yè) 圖 5 一號(hào)橋墩截面 定義材料 MIDAS/Civil 中內(nèi)設(shè)很多國(guó)家常用的材料，用戶可以直接使用這些數(shù)據(jù)庫(kù)，也可以根據(jù)需要自己定義材料。在 MIDAS/Civil 中，為識(shí)別不同的材料特性，需要定義材料號(hào)和材料名稱。 MIDAS/Civil 可定義混凝土、鋼材、組合材料的材料特性，同時(shí)可以選擇某個(gè)國(guó)家的材料標(biāo)準(zhǔn)。 定義橋梁材料 根據(jù)任務(wù)書要求，參照 中國(guó)交通部公路標(biāo)準(zhǔn) JTG04(RC)規(guī)范，預(yù)制空心梁板采用30 號(hào)混凝土。 C30 混凝土：軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 fcd=，軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 ftd=，彈性模量 Ec= 104Mpa【 8】 。 定義橋墩材料 根據(jù)任務(wù)書要求，參照 中國(guó)交通部公路標(biāo)準(zhǔn) JTG04(RC)規(guī)范，預(yù)制空心梁板采用25 號(hào)混凝土。 C25 混凝土：軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 fcd=，軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 ftd=，彈性模量 Ec= 104Mpa【 8】 。 定義基礎(chǔ)材料 根據(jù)任務(wù)書要求，參照 中國(guó)交通部公路標(biāo)準(zhǔn) JTG04(RC)規(guī)范，預(yù)制空心梁板采用20 號(hào)混凝土。 C20 混凝土：軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 fcd=20Mpa，軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 ftd=，彈性模量 Ec= 104Mpa【 8】 。 王振：嘉濱路牛角沱高架橋 15 跨維護(hù) 方案研究 第 11 頁(yè) 共 61 頁(yè) 圖 6 材料標(biāo)準(zhǔn) 簡(jiǎn)化模型 創(chuàng)建節(jié)點(diǎn) 根據(jù)整座橋各個(gè)部分的尺寸定義出模型幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的位置。 MIDAS/Civil 中可采用兩種方式輸入節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)： a、直接在坐標(biāo)輸入?yún)^(qū)中鍵入 UCS 中的 x,y,z； b、先點(diǎn)擊坐標(biāo)輸入?yún)^(qū)，然后再工作窗口中選擇目標(biāo)位置，一旦選中，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)會(huì)立即顯示在坐標(biāo)輸入?yún)^(qū)的和狀態(tài)欄內(nèi) 【 6】 。 創(chuàng)建單元 將之前建立的節(jié)點(diǎn)連接成單元，并且在建立單元時(shí)定義單元類型、截面特性和材料特性。 MIDAS/Civil 提供了桁架單元、梁?jiǎn)卧?、?shí)體單元、板單元等 9中單元類型。在這里橋梁我選用了“一般梁 /變截面梁”類型。 分割單元 分割單元長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)建模需要來(lái)確定，可按照等間距、任意間距、任意距離比等方式進(jìn)行分割。我選用了等間距分割的方式，把各個(gè)長(zhǎng)單元分割成若干個(gè)小單元。效果圖如下圖所示。 20xx屆工程力學(xué)專業(yè)畢業(yè)論文 第 12 頁(yè) 共 61 頁(yè) 圖 7 模型節(jié)點(diǎn)及單元 使用 MIDAS/Civil 中的顯示特性功能，可以把單元的截面特性和材料特性顯示在效果圖中， 嘉濱路牛角沱高架橋外二橋 前五跨，模型如下圖所示。 圖 8 模型渲染圖 設(shè)置邊界條件 圖 9 邊界條件（ 1） 王振：嘉濱路牛角沱高架橋 15 跨維護(hù) 方案研究 第 13 頁(yè) 共 61 頁(yè) 圖 10 邊界條件（ 2） 本橋的邊界約束采用的是一般支承，其中橋墩基礎(chǔ)約束了 6 個(gè)自由度，第一跨最左端采約束了 6 個(gè)自由度，橋梁與橋墩連接的位置約束了 5 個(gè)自由度，釋放了 Y 軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖 11 橋墩與橋梁的聯(lián)系 彈性連接單元用于模擬橋梁上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)之間的支座，實(shí)質(zhì)上是在 6 個(gè)自由度方向設(shè)置剛度很大的彈簧單元。因此本橋的橋墩與橋梁之間的聯(lián)系，采用了彈性連接中的剛性類型，上下兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移關(guān)系是不關(guān)聯(lián)的。 添加荷載 MIDAS/Civil 中，為分析各種結(jié)構(gòu)，提供了三種荷載類型：靜力荷載、動(dòng)力荷載、移動(dòng)荷載。 MIDAS/Civil 將作用于結(jié)構(gòu)上的所有荷載分別定義一個(gè)專門的類型，并且用大寫字母區(qū)分。荷載按照不同性質(zhì)劃分不同組進(jìn)行計(jì)算，這些組叫做荷載工況。荷載工況可以包含多個(gè)荷載類型。一個(gè)荷載類型只能 定義一個(gè)靜力荷載工況。 自重 20xx屆工程力學(xué)專業(yè)畢業(yè)論文 第 14 頁(yè) 共 61 頁(yè) 修正混凝土材料重度 混模鋼混凝土混凝土混凝土 V GV ??? ?? MIDAS/Civil 可以根據(jù)單元體積和重度自動(dòng)計(jì)算模型的自重，在靜力分析中，求得的自重可適用于整體坐標(biāo)系的 X、 Y、 Z 軸方向。在此模型中，我選用的混凝土重度為25kN/m3,自重系數(shù)為 X=0， Y=0， Z=1。 圖 12 自重系數(shù) 移動(dòng)荷載 移動(dòng)荷載定義分三個(gè)步驟：（ 1）定義車道或者車道面，前者適用于梁?jiǎn)卧?，后者適 用于板單元。（ 2）定義車輛荷載，既可以使用規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)車輛荷載，也可以用戶定義。（ 3）定義移動(dòng)荷載工況，即把車道或者車道面與車輛荷載組合起來(lái)。 選擇移動(dòng)荷載的規(guī)范， MIDAS/Civil 中文版中，默認(rèn)移動(dòng)荷載規(guī)范是中國(guó)規(guī)范，包括了公路、鐵路、城市橋梁等設(shè)計(jì)規(guī)范中的移動(dòng)荷載。 圖 13 移動(dòng)荷載規(guī)范 ① 定義車道面 王振：嘉濱路牛角沱高架橋 15 跨維護(hù) 方案研究 第 15 頁(yè) 共 61 頁(yè) MIDAS/Civil 中的車道并非是指車道荷載，而是用來(lái)描述移動(dòng)荷載所在位置。指定車輛荷載加載方式有兩種：“車道單元法”、“橫向連系梁”，在這 里采用了車道單元法，車輪間距設(shè)為 米，偏心距 米，橋梁跨度 米，車輛移動(dòng)方向設(shè)置為單向向前，最終橋面上車道布置如下圖。 圖 14 車道面 ② 定義移動(dòng)荷載 MIDAS/Civil 中定義車輛荷載的方法有兩種，一種是用戶直接輸入，輸入的數(shù)據(jù)可參考標(biāo)準(zhǔn)車輛的一些參數(shù)，另一種是指定標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載在設(shè)計(jì)規(guī)范中的名稱，系統(tǒng)自動(dòng)匹配內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載 【 6】 。 牛角沱嘉陵江大橋的級(jí)別是公路橋梁，因此選用了中國(guó)公路橋梁橋梁荷載JTJ00197，分別 定義了標(biāo)準(zhǔn)汽車和標(biāo)準(zhǔn)掛車荷載，汽車等級(jí) 20 級(jí)，掛車 100 級(jí)。人群荷載我采用的是用戶自定義的方式，荷載類型選擇人群荷載，由于牛角沱嘉陵江大橋已有幾十年的歷史，因此我選用舊公路人群荷載類型， 每平米，即每平米 噸 圖 15 汽車荷載 圖 16 掛車荷載 20xx屆工程力學(xué)專業(yè)畢業(yè)論文 第 16 頁(yè) 共 61 頁(yè) 圖 17 人群荷載 圖 18 全部移動(dòng)荷載 ③ 定義移動(dòng)荷載工況 定義了車道和車道荷載后，需要定義指定每個(gè)車道對(duì)應(yīng)的移動(dòng)荷載，把車道和車道荷載聯(lián)系起來(lái)，即定義移動(dòng)荷載工況。 王振：嘉濱路牛角沱高架橋 15 跨維護(hù) 方案研究 第 17 頁(yè) 共 61 頁(yè) 圖 19 移動(dòng)荷載工況 ④移動(dòng)荷載在車道上的布置 在橋上行駛的車輛種類繁多，有汽車、平板掛車、履帶車、壓路機(jī)等，各類車輛在橋梁上出現(xiàn)的 組合 不同。通過(guò)對(duì)實(shí)際車輛的輪軸數(shù)目、前后軸的間距、輪軸壓力等情況的分析、綜合和 概括，公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定了橋梁設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)化荷載。把經(jīng)常地、大量地出現(xiàn)的汽車隊(duì)做為汽車荷載；把偶然地個(gè)別地出現(xiàn)的履帶車和平板掛車做為履帶車和平板掛車荷載。 計(jì)算荷載采用汽車荷載，驗(yàn)算荷載采用履帶車、平板掛車荷載。荷載級(jí)別的數(shù)字即表示一輛主車的總重量噸數(shù)。每級(jí)車隊(duì)中只有一輛重車，前后都是主車 （ 重車是指在規(guī)定的某荷載級(jí)別中總重量大的車輛 ）。 20xx屆工程力學(xué)專業(yè)畢業(yè)論文 第 18 頁(yè) 共 61 頁(yè) 汽車橫向布置 圖 20 汽車的荷載布置 汽車荷載以汽車隊(duì) 表示，分為汽車 10 級(jí)、汽車 15 級(jí)、汽車 20級(jí)、汽車 超 20級(jí)四個(gè)等級(jí)。 汽車 20級(jí)代表 20噸重的汽車 車隊(duì) ，車輪軸距為 米，車輛寬度 米，車輛間隔 ，兩輛車相鄰軸距 米。 掛120300 300 300 300軸重單位： 尺寸單位： 掛車橫向布置 王振：嘉濱路牛角沱高架橋 15 跨維護(hù) 方案研究 第 19 頁(yè) 共 61 頁(yè) 圖 21 掛車的荷載布置 掛 120 是驗(yàn)算荷載 ， 掛車 120 就是 120t 重設(shè)計(jì)的掛車車隊(duì)， 掛車長(zhǎng)度 米，寬度 米，車輪寬度 米，四個(gè)車輪 間軸距為 米。 橋面鋪裝 橋面鋪裝，指的是為保護(hù)橋面板和分布車輪的集中荷載，用瀝青混凝土、水泥混凝土、高分子聚合物等材料鋪筑在橋面板上的保