【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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”。故本設(shè)計(jì)采用MIDAS/CIVIL來進(jìn)行建模分析。 模型的建立 建立橋梁模型之前，首先要充分理解結(jié)構(gòu)和作用的荷載，而且設(shè)法理解結(jié)構(gòu)在荷載作用下的結(jié)構(gòu)行為。事先對(duì)要分析的結(jié)構(gòu)行為有一個(gè)比較深刻的認(rèn)識(shí)，要以較深厚的力學(xué)理論和較豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)。在MIDAS/CIVIL中，模型的建立可以大致歸納為節(jié)點(diǎn)和單元的建立，定義材料、截面，添加邊界條件，施加靜力、移動(dòng)荷載，添加預(yù)應(yīng)力束，定義施工階段等步驟。在建立節(jié)點(diǎn)和單元之前，需要將結(jié)構(gòu)劃分為若干個(gè)節(jié)段。劃分節(jié)段一般遵循的原則有：（1）0塊應(yīng)保證一定的寬度，以便安裝吊機(jī)、掛籃以及堆放材料機(jī)械設(shè)備等；（2）應(yīng)劃分合攏段，～，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際地形、水文、氣候等條件考慮施工階段的方便性，；（3）盡量使每一節(jié)段的重量不超過吊籃的設(shè)計(jì)起吊能力，且保證各節(jié)段重量基本相等；（4）在結(jié)構(gòu)中，設(shè)有支座的位置，截面變化的位置，設(shè)有橫隔板的位置等都應(yīng)劃分開來；（5）在一些需要輸出結(jié)果的位置也可以設(shè)置節(jié)點(diǎn)，如跨中截面、1/4截面、3/4截面等。 節(jié)段的劃分 本橋梁橋跨為100+160+100m，另外橋墩高50m，承臺(tái)厚5m，根據(jù)節(jié)段劃分原則劃分該橋梁結(jié)構(gòu)。承臺(tái)單獨(dú)作為一個(gè)節(jié)段，橋墩在實(shí)心和空心交界處應(yīng)劃分開來，故將橋墩劃分為5m2+10m3+5m2。主梁合攏段取200cm，其余部分劃分為550cm（0塊）+350cm5+400cm5+450cm8=7900cm（懸臂對(duì)稱澆筑段）；邊跨有19m的不對(duì)稱段，考慮到地形邊坡較平緩，搭設(shè)滿堂支架較為簡(jiǎn)便，故采取先邊合攏再中合攏的方式，因此邊跨劃分為75cm2+150cm++400cm4（邊跨現(xiàn)澆段）=1900cm。圖32為主梁節(jié)段劃分圖。圖32 1/2主梁節(jié)段劃分 材料本設(shè)計(jì)中，主梁采用C55級(jí)混凝土，墩身采用C40混凝土，承臺(tái)、樁基礎(chǔ)采用C30混凝土；預(yù)應(yīng)力束采用1860標(biāo)準(zhǔn)鋼絞線。《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定以150mm150mm300mm的棱柱體試件試驗(yàn)測(cè)得的具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，用符號(hào)表示。考慮到實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作、養(yǎng)護(hù)和受力情況，實(shí)際構(gòu)件強(qiáng)度與試件強(qiáng)度之間存在的差異，基于安全取軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的關(guān)系按下式確定： （31） 式中：為棱柱體強(qiáng)度與立方體強(qiáng)度之比，對(duì)于混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50及以下的取=，對(duì)于C80取=，兩者之間按線性內(nèi)插取值。為高強(qiáng)度砼的脆性折減系數(shù)，對(duì)于C40及以下取=，對(duì)于C80取=，中間的按線性內(nèi)插取值。但是在實(shí)際工程中考慮一定的安全儲(chǔ)備，常采用混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，參見《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（D622004），各種材料的基本特性數(shù)據(jù)見表31。表31各材料特性值材料彈性模量（MPa）線膨脹系數(shù)1/[C]容重kN/m^3 軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa） 軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MPa）C5525C4025C3025Strand1860　　注：計(jì)算現(xiàn)澆鋼筋混凝土軸心受壓和偏心受壓構(gòu)件時(shí)，如截面的長邊或直徑小于300mm，；當(dāng)構(gòu)件質(zhì)量（混凝土成型、截面和軸線尺寸等）確有保證時(shí)，可不受此限。 截面的定義以及邊界條件的添加箱梁截面的定義通常有兩種方法：一是，在MIDAS/CIVIL中設(shè)計(jì)截面的部分，通過直接輸入數(shù)據(jù)來加以定義，此種方法適用于平坡或?qū)ΨQ的雙坡截面，單坡的截面將無法定義；二是，通過截面特性計(jì)算器導(dǎo)入dxf文件計(jì)算截面特性值來設(shè)計(jì)界面，此種方法較為廣泛，無論何種形式的截面均可采用此方法，但是應(yīng)注意導(dǎo)入的截面要保證封閉，變截面兩端的截面線段數(shù)量相同，轉(zhuǎn)角、交點(diǎn)等應(yīng)一一對(duì)應(yīng)。本設(shè)計(jì)是雙幅橋其中的一幅，主梁橫截面為單坡，故采用上述第二種方法定義截面。定義的截面包括，邊支點(diǎn)截面，中支點(diǎn)截面，以及設(shè)有橫隔板的截面，腹板、底板變化處的截面等。邊界條件是整個(gè)模型建立中很重要的一環(huán)，邊界條件不同會(huì)導(dǎo)致整個(gè)體系構(gòu)成不同，因而計(jì)算結(jié)果也就不同甚至是錯(cuò)誤的。剛構(gòu)橋較為特殊的是中墩與主梁采用固結(jié)的形式，只需將主梁節(jié)點(diǎn)與墩的節(jié)點(diǎn)用“一般連接”中的“剛性”加以連接即可。邊支座則設(shè)為活動(dòng)支座，滿堂支架的部分應(yīng)模擬為臨時(shí)支座，單支座要注意約束轉(zhuǎn)動(dòng)軸。如下表32為成橋階段（無樁）時(shí)的邊界條件。表32成橋階段邊界條件　DxDyDzRxRyRz邊墩支座011000邊墩支座001000邊墩支座001000邊墩支座011000邊墩支座001000邊墩支座001000承臺(tái)底固結(jié)111111承臺(tái)底固結(jié)111111注：表中Dx、Dy、Dz分別表示約束在x、y、z方向上的平動(dòng)；Rx、Ry、Rz分別表示約束繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。恒載主要包括主梁自重（前期恒載）引起的主梁自重內(nèi)力和后期恒載（如橋面鋪裝、人行道等）引起的二期恒載內(nèi)力。（1）自重自重包括箱梁及橫隔板的荷載集度。其計(jì)算公式為： （32）式中：i—單元號(hào)；—i號(hào)單元恒載集度；—i號(hào)單元的毛截面面積。設(shè)計(jì)中為簡(jiǎn)便計(jì)算，把箱梁與橫隔板均按均布荷載考慮。（2）二期橫載橋面鋪裝層寬12m，由下至上依次為8cm厚的C40混凝土調(diào)平層，防水層，瀝青混凝土橋面鋪裝層，混凝土和瀝青混凝土容重分別取25 kN/m^3，23 kN/m^3。另外在橋面兩邊還設(shè)有混凝土防撞欄。因此，二期橫載集度為橋面鋪裝集度與防撞護(hù)攔集度之和，即： = + =（2512+2312）+25（+） =（3）混凝土濕重及掛籃自重在施工過程中，濕重是每一節(jié)段在澆筑后的自重，混凝土的濕重是比較大的，其中的水分會(huì)隨著時(shí)間的推移而揮發(fā)，混凝土的濕重也會(huì)減輕，但在施工中是不可以忽略的，每一節(jié)段的混凝土濕重可以通過查詢獲得。可以近似認(rèn)為每一節(jié)段的濕重作用在節(jié)段的中間，為了模擬的方便，根據(jù)理論力學(xué)的知識(shí)，將濕重簡(jiǎn)化到節(jié)點(diǎn)上，并加上一附加彎矩。掛籃自重的添加與濕重類似，取掛籃重120噸，作用在每一節(jié)段上的掛籃重量相等，同樣簡(jiǎn)化到節(jié)點(diǎn)上，并加上一附加彎矩。合攏段采用與掛籃同重量的吊籃，也就是合攏段的兩端分各自分擔(dān)一半吊籃的重量。 施工階段的定義施工階段主要是根據(jù)單元的劃分以及實(shí)際施工過程來定義。施工掛籃自重按120噸計(jì)算，本設(shè)計(jì)的施工階段劃分為：步驟1：① 墩臺(tái)基礎(chǔ)施工：樁基、承臺(tái)、墩身施工完畢至墩頂；② 在托架上澆筑0塊；③ 在0塊上對(duì)稱架設(shè)掛籃，每個(gè)掛籃按120噸計(jì)；④ 經(jīng)后期分析，有必要在澆筑0塊強(qiáng)度達(dá)到85%后張拉預(yù)應(yīng)力束T0、W0、W0’。步驟2：① 對(duì)稱澆筑1塊；② 混凝土強(qiáng)度達(dá)到85％后，張拉預(yù)應(yīng)力索T1和W1；步驟3：① 移動(dòng)掛籃；② 綁扎鋼筋，支模；③ 對(duì)稱澆筑2塊；④ 混凝土強(qiáng)度達(dá)到85％后，張拉預(yù)應(yīng)力索T2和W2。步驟4： ① 按前步驟依次澆筑3～18號(hào)梁段；② 強(qiáng)度達(dá)到85％后，張拉預(yù)應(yīng)力索。步驟5：安裝邊支座，搭設(shè)滿堂支架，現(xiàn)澆邊跨等高梁段。步驟6： ① 拆除18梁段掛籃，安裝邊跨合攏段吊籃；② 澆筑邊跨合攏段梁段。步驟7： ① 拆除邊跨臨時(shí)支座及吊籃，安裝中跨合攏段吊籃；② 澆筑中跨合攏段；③ 待混凝土強(qiáng)度達(dá)到85％后，張拉中跨頂板及底板預(yù)應(yīng)力索。步驟8： ① 拆除中合攏段吊籃；② 橋面鋪裝、人行道板及欄桿施工。 模型承臺(tái)底端模擬為固定支座，邊支座模擬為活動(dòng)支座。最終模型如圖33所示：圖33內(nèi)力計(jì)算模型 橋梁恒載內(nèi)力計(jì)算 計(jì)算階段劃分恒載內(nèi)力計(jì)算采用Midas軟件提供的有限元方法計(jì)算。恒載內(nèi)力主要包括主梁自重引起的主梁自重內(nèi)力和后期恒載（如橋面鋪裝、人行道等）引起的二期恒載內(nèi)力。自重是在結(jié)構(gòu)逐步形成的過程中作用于橋上的，因而它的計(jì)算與施工方法密切相關(guān)。本橋主梁采用懸臂澆筑對(duì)稱平衡施工，結(jié)構(gòu)經(jīng)過懸臂剛構(gòu)，單跨固端梁，簡(jiǎn)支梁等不同體系最后才形成多跨連續(xù)梁，施工過程中不斷進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，使得內(nèi)力計(jì)算更為復(fù)雜，所以計(jì)算時(shí)要分施工階段進(jìn)行。一般劃分為以下階段：① 由中支墩懸臂法施工至最大懸臂；② 安裝邊支座，現(xiàn)澆邊跨等高梁段；③ 邊跨合攏；④ 拆除邊跨臨時(shí)支座；⑤ 合攏中跨；⑥ 拆除吊籃；⑦ 橋面鋪裝；⑧ 運(yùn)營階段。 施工階段內(nèi)力計(jì)算采用懸臂施工的連續(xù)梁，其恒載彎矩與一次落架形成的連續(xù)梁有很大的不同。主要是由于施工中經(jīng)歷了懸臂階段，造成其支座負(fù)彎矩遠(yuǎn)大于跨中正彎矩。用MIDAS/Civil對(duì)橋梁進(jìn)行施工階段分析時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)生成以下荷載工況并保存與其相應(yīng)的分析結(jié)果。不僅可以針對(duì)各個(gè)施工階段查看分析結(jié)果，而且可以在自動(dòng)生成的Min/Max階段查看所有階段中構(gòu)件產(chǎn)生的最大/最小計(jì)算結(jié)果。本設(shè)計(jì)列出各個(gè)主要施工階段內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見下：① 最大懸臂階段內(nèi)力圖34最大懸臂階段恒載彎矩圖（單位：kNm）表33 最大懸臂階段內(nèi)力數(shù)據(jù)位置軸向（kN）剪力z（kZ）彎矩y（kNm）備注邊跨1/4最大懸臂階段最大懸臂階段邊跨1/2最大懸臂階段12542最大懸臂階段邊跨3/4最大懸臂階段最大懸臂階段中支點(diǎn)1273598最大懸臂階段1273598最大懸臂階段中跨1/4234099最大懸臂階段234099最大懸臂階段通過內(nèi)力圖和數(shù)據(jù)可以看出，主梁最大負(fù)彎矩為1282850kNm，發(fā)生在墩頂處；從墩頂?shù)阶畲髴冶?8塊，負(fù)彎矩成2次拋物線遞減，并在懸臂最后變?yōu)?；整個(gè)過程不出現(xiàn)正彎矩。②邊跨合攏階段內(nèi)力。圖35邊跨合攏階段恒載彎矩圖（單位：kNm）表34 邊跨合攏階段內(nèi)力數(shù)據(jù)位置軸向（kN）剪力z（kZ）彎矩y（kNm）備注邊跨1/4邊跨合攏階段邊跨合攏階段邊跨1/2邊跨合攏階段 邊跨合攏階段邊跨3/4邊跨合攏階段邊跨合攏階段中支點(diǎn)邊跨合攏階段邊跨合攏階段中跨1/4 邊跨合攏階段 邊跨合攏階段通個(gè)內(nèi)力圖和數(shù)據(jù)可以看出在邊合攏階段，主梁最大負(fù)彎矩為1262070kNm，發(fā)生在墩頂；從墩頂?shù)竭吅蠑n階段負(fù)彎矩成拋物線性遞減，并在邊合攏階段開始變?yōu)?；在邊合攏結(jié)束后邊跨現(xiàn)澆段出現(xiàn)正彎矩,最大正彎矩為149574kNm，出現(xiàn)在邊合攏左側(cè)。③ 中跨合攏階段內(nèi)力圖36中跨合攏階段恒載彎矩圖（單位：kNm）表35 中跨合攏階段內(nèi)力數(shù)據(jù)位置軸向（kN）剪力z（kZ）彎矩y（kNm）備注邊跨1/4中跨合攏階段中跨合攏階段邊跨1/2中跨合攏階段 中跨合攏階段邊跨3/4中跨合攏階段中跨合攏階段中支點(diǎn)中跨合攏階段中跨合攏階段中跨1/4 中跨合攏階段 中跨合攏階段中跨1/20中跨合攏階段0中跨合攏階段通個(gè)內(nèi)力圖和數(shù)據(jù)可以看出在中合攏階段，主梁最大負(fù)彎矩為1266410kNm，發(fā)生在墩頂；負(fù)彎矩從墩頂開始成拋物線性遞減，并在邊合攏和中合攏區(qū)段出現(xiàn)少量正彎矩；最大正彎矩為102464kNm，發(fā)生于中跨現(xiàn)澆區(qū)段。 成橋階段內(nèi)力計(jì)算 梁體澆筑完畢后，還應(yīng)鋪設(shè)橋面鋪裝，以及增設(shè)欄桿、防撞欄、照明設(shè)施、排水系統(tǒng)等，這些設(shè)施的自重也作為恒載施加在梁體上。如圖37為成橋后的彎矩圖圖37成橋階段彎矩圖（單位：kNm）表36 成橋階段內(nèi)力數(shù)據(jù)單元軸向（kN）剪力z（kN）彎矩y（kNm）階段邊跨1/4二期二期邊跨1/2 189258二期189258二期邊跨3/4二期二期中支點(diǎn)二期二期中跨1/4二期19612二期中跨1/20二期0二期通個(gè)內(nèi)力圖和數(shù)據(jù)可以看出在中合攏階段，主梁最大負(fù)彎矩為1414740kNm，發(fā)生在墩頂；負(fù)彎矩從墩頂開始成拋物線性遞減，并在邊合攏和中合攏區(qū)段出現(xiàn)少量正彎矩；m，發(fā)生于中跨現(xiàn)澆區(qū)段。 橋梁活載內(nèi)力計(jì)算 活載內(nèi)力計(jì)算活載內(nèi)力計(jì)算為基本可變荷載在橋梁使用階段所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。公路標(biāo)準(zhǔn)活載圖式：公路Ⅰ級(jí)。（1）橫向分布系數(shù)的考慮荷載橫向分布系數(shù)是指作用在橋上的車輛荷載如何在各主梁之間進(jìn)行分配或者說各主梁如何分擔(dān)車輛荷載。因?yàn)榻孛娌捎脝蜗鋯问也豢紤]橫向分配系數(shù)但應(yīng)計(jì)入偏載系數(shù)。（2）荷載取值本橋設(shè)計(jì)荷載是公路Ⅰ級(jí)車道荷載，根據(jù)規(guī)范，集中荷載取值按下規(guī)定取值，當(dāng)橋梁跨徑小于或等于5米時(shí)，Pk=180kN，大于或等于50米時(shí)， =360kN，在中間時(shí)，按內(nèi)插法計(jì)算。（3）車輛荷載影響線加載圖示及計(jì)算結(jié)果