MIDAS索单元应用(悬索桥、斜拉桥分析)课件.ppt

1、www. MidasUwww.MidasU目目 录录 1.1. 悬索桥分析悬索桥分析 2. 2. 斜拉桥分析斜拉桥分析基本操作步骤索单元简介索单元初始刚度初始平衡状态悬索桥分析控制基本操作步骤未知荷载系数法体外力与体内力未必和配合力悬索桥分析：基本操作步骤悬索桥分析：基本操作步骤www.MidasU 定义主缆、边缆、主塔、加劲梁、吊杆等构件的材料和截面特性； 打开主菜单“模型/结构建模助手/悬索桥”，输入相应参数（各参数意义可参考在线帮助）； 将建模助手的数据另存为“*.wzd”文件，以便以后修改或确认； 运行建模助手后，程序将自动生成悬索桥模型，且提供所有索单元的几何刚度初始荷载和初始单元内

2、力； 将模型根据实际桥梁进行修改。如边界条件、横梁、加劲梁等，或改为自锚式悬索桥。 将主缆上的所有节点定义为更新节点组，将跨中最低点（垂点定义为垂点组；悬索桥分析：基本操作步骤悬索桥分析：基本操作步骤www.MidasU 删除建模助手自动生成的“几何非线性分析控制”，定义“悬索桥分析控制数据”后运行分析。运行过程中在信息窗口确认是否计算收敛。通过此步骤可得出新平衡状态的几何刚度初始荷载、初始单元内力，且还会提供“平衡单元节点内力”数据； 删除悬索桥分析控制数据，将所有结构、边界条件和荷载都定义为相应的结构组、边界组和荷载组。定义一次成桥的施工阶段，在施工阶段分析控制对话框中选择“考虑非线性分析

3、/独立模型”，并勾选“包含平衡单元节点内力”，点击运行分析； 分析结束后，查看该施工阶段的位移是否接近于0，且查看构件的内力是否与几何刚度初始荷载表格或者平衡单元节点内力表格的数据接近或相同； 各项结果都满足要求（目标状态），说明成桥平衡状态非常好。再通过倒拆分析计算每个施工阶段以及空缆的状态。也可进行成桥状态其他荷载的分析；悬索桥分析：索单元简介悬索桥分析：索单元简介www.MidasUv只能传递单元的轴向拉力只能传递单元的轴向拉力v随着内力的变化几何刚度发生变化随着内力的变化几何刚度发生变化v有了初始刚度索单元才能承受各种荷载有了初始刚度索单元才能承受各种荷载pretension悬索桥分析

4、：索单元初始刚度悬索桥分析：索单元初始刚度定义索单元时定义索单元时几何刚度初始荷载几何刚度初始荷载平衡单元节点内力平衡单元节点内力初始单元内力初始单元内力www.MidasUMIDAS程序中的初始刚度：程序中的初始刚度：悬索桥分析：索单元初始刚度悬索桥分析：索单元初始刚度www.MidasU定义索单元时：定义索单元时：Lu：无应力索长：无应力索长初拉力：激活索单元的初始拉力初拉力：激活索单元的初始拉力水平力：激活索单元的初始水平力水平力：激活索单元的初始水平力悬索桥分析：索单元初始刚度悬索桥分析：索单元初始刚度www.MidasU几何刚度初始荷载几何刚度初始荷载荷载荷载初始荷载初始荷载大位移大

5、位移几何刚度几何刚度初始荷载初始荷载v静力线性分析：不起作用。v静力非线性分析：根据输入的内力，赋予索单元相应的初始刚度，对于定义的荷载工况，进行几何非线性分析。v仅提供初始刚度之用，所输入内力值不起作用，即没有荷载效应。悬索桥分析：索单元初始刚度悬索桥分析：索单元初始刚度www.MidasU平衡单元节点内力平衡单元节点内力荷载荷载初始荷载初始荷载大位移大位移平衡单元节点内力平衡单元节点内力v该功能仅适用于施工阶段分析时，选择非线性分析的独立模型，并且勾选了“包含平衡单元节点内力”选项时的情形。v可手动输入所有所有构件的平衡单元节点内力，也可通过“悬索桥分析控制”自动计算生成，在成桥状态下，平

6、衡单元节点内力与成桥恒载相平衡，使结构处于0位移状态。v可考虑包括梁单元等的所有构件所有构件的平衡内力，对于自锚式悬索桥更加适用，因自锚式悬索桥是索梁协同作用的结构，加劲梁的内力对刚度影响也不可忽视。悬索桥分析：索单元初始刚度悬索桥分析：索单元初始刚度www.MidasU初始单元内力初始单元内力荷载荷载初始荷载初始荷载小位移小位移初始单元内力初始单元内力v根据输入的初始单元内力，提供初始刚度，与几何刚度荷载类似。但仅适用于小位移分析，其初始刚度不随新荷载的输入而进行修正。v是为了对于非线性结构进行线性分析而提供的功能，例如对于悬索桥进行特征值分析、移动荷载分析等。悬索桥分析：索单元初始刚度悬索

7、桥分析：索单元初始刚度www.MidasU各个初始刚度之间的关系各个初始刚度之间的关系v 定义单元时的初始刚度：仅适用于几何非线性分析。不仅提供初始刚度且有荷载效应。（施工阶段与非施工阶段均适用。）v 几何刚度初始荷载：仅适用于几何非线性分析。仅提供几何初始刚度，无荷载效应，但内力结果中包含此内力。与上面定义单元时的初始刚度同时定义时，几何刚度初始荷载优先优先起作用，定义单元时的初始荷载不起作用。（施工阶段与非施工阶段均适用。）v 平衡单元节点内力：仅适用于施工阶段几何非线性分析。不仅提供几何初始刚度且有荷载效应。还可考虑索单元以外单元的初始刚度以及内力效应。与上述两个同时定义时，平衡单元节点

8、内力优先起作用。v 初始单元内力：仅适用于成桥荷载的小位移分析，如移动荷载、特征值分析等。仅提供刚度。与上述三项无优先级。悬索桥分析：初始平衡状态悬索桥分析：初始平衡状态www.MidasU初始平衡状态初始平衡状态悬索桥在成桥状态下处于平衡状态，又称为悬索桥的初始悬索桥在成桥状态下处于平衡状态，又称为悬索桥的初始平衡状态。平衡状态。平衡状态下的相平衡荷载：平衡状态下的相平衡荷载：n 索单元的拉力以及各单元的内力n 索、吊杆、加劲梁的自重n 二期荷载等悬索桥分析：悬索桥建模助手悬索桥分析：悬索桥建模助手www.MidasU原理：程序内部自动分两个步骤进行迭代分析原理：程序内部自动分两个步骤进行迭

9、代分析v 第一步骤：根据建模助手中输入几何控制点参数、材料与截面、桥面系荷载进行第一次几何非线性迭代分析。此时仅考虑悬索桥建模助手对话框 “桥面系”栏中输入的荷载作为恒载进行分析，求出第一平衡状态。（未包含索构件自重）v第二步骤：根据第一步骤平衡状态分析得出的主缆线形（坐标）以及吊杆的长度自动计算索单元的自重。然后，重新考虑索构件自重及“桥面系”栏输入的荷载进行第二次平衡状态分析。悬索桥分析：悬索桥分析控制悬索桥分析：悬索桥分析控制www.MidasU 定义定义“悬索桥分析控制悬索桥分析控制”，再运行分析的目的：，再运行分析的目的：v通过建模助手得到的模型大部分与实际结构有所不同，如主塔与加劲

10、梁的关系、主塔横梁位置，且也有可能是自锚式悬索桥。（建模助手只能得出地锚时的状态）v模型被修改后，原来的几何刚度初始荷载、初始单元内力等无法满足新模型的平衡条件。为了重新计算出新模型的平衡状态的几何刚度、平衡单元节点内力、初始单元内力，进行第三次平衡状态分析。v为了找到新平衡状态的主缆坐标，需要定义更新节点和垂点，以及平衡状态要考虑的所有恒载。在这里考虑的荷载必须要与建模助手中考虑的荷载（桥面系荷载、索自重）尽可能相同，不然迭代分析不容易收敛。且修改模型时，不建议删除或增加吊杆，且大量修改，都将会成为不收敛的因素。斜拉桥分析：基本操作步骤斜拉桥分析：基本操作步骤www.MidasU 定义斜拉索

11、、主塔、主梁等构件的材料和截面特性； 打开“模型/结构建模助手/斜拉桥”，输入相应参数（各参数意义请参考在线帮助的说明）； 将建模助手的数据另存为“*.wzd”文件，以便以后修改或确认； 运行建模助手后，程序将自动生成斜拉桥模型； 将模型根据实际桥梁状况，进行修改（或手动建立模型也可） ； 定义自重、二期等荷载 定义斜拉索的单位初力（例如输入1tonf）斜拉桥分析：基本操作步骤斜拉桥分析：基本操作步骤www.MidasU 运行静力分析后，利用 “未知荷载系数法” ，计算符合设计要求的成桥平衡状态的拉索张拉力。 利用成桥状态模型，通过倒拆施工阶段分析，计算各施工阶段，每根斜拉索张拉控制应力。 再

12、利用求得的拉索张拉控制应力，进行正装施工阶段分析。查看最终施工阶段的变形、内力等结果是否符合设计要求。（因跨中合拢时，合拢段构件存在未必和配合力，最终阶段的成桥状态可能与初始成桥分析结果不同）斜拉桥分析：未知荷载系数法斜拉桥分析：未知荷载系数法www.MidasU结果结果未知荷载系数未知荷载系数v利用未知荷载系数功能，可以计算出最小误差范围内的能够满足特定约束条件的最佳荷载系数，利用这些荷载系数计算拉索初拉力。 v指定位移、反力、内力的“0”值以及最大最小值作为约束条件，拉索初拉力作为变量（未知数）来计算。 v计算未知荷载系数适用于线性结构体系，为了计算出最佳的索力，必须要输入适当的约束条件。

13、n主塔不受或只受较小的弯矩作用 ；n主塔弯矩均匀分布 ；n主梁的变形最小；n最终索力不集中在几根拉索，而是均匀分布在每根拉索上。斜拉桥分析：考虑施工阶段的未知荷载系数法斜拉桥分析：考虑施工阶段的未知荷载系数法www.MidasUv 本程序还可考虑施工阶段，计算未知荷载系数。利用此功能可直接计算出，施工过程中每根拉索的拉索控制力。v 定义正装施工阶段模型。v 将每个施工阶段的拉索初拉力定义单位初拉力。（注：拉索过程必须单独定义施工阶段）v 运行分析后，通过未知荷载系数计算，求得符合约束的条件的，施工过程中的拉索控制力。v 但，此方法不太容易定义约束条件。斜拉桥分析：体内力与体外力斜拉桥分析：体内

14、力与体外力www.MidasU分析分析施工阶段分析控制数据施工阶段分析控制数据体内力（类似于先张法预应力）n将索的初拉力视为内力。n首先将拉索张拉至输入的初拉力值，然后连接拉索两端构件。根据两端构件的刚度，发生新的变形以及内力重分配，索力发生变化。n只有在拉索两端为固接状态下，张拉后的内力与输入初拉力相同。体外力（类似于后张法预应力）n将索的初拉力视为外力。n首先将拉索连接在两端构件，再将拉索张拉至初拉力值。因随着张拉过程结构随即发生变形，最终索力即为所输入初拉力值。n与其他荷载同时激活时，也可使最终内力达到输入的初拉力值。n添加：将第二次张拉的初拉力添加给前一阶段的拉索内力n替换：用第二次张

15、拉的初拉力替换前一阶段的拉索内力斜拉桥分析：体内力与体外力应用斜拉桥分析：体内力与体外力应用www.MidasUv 斜拉桥的施工工艺中不存在先张法工艺，只有后张法。体内力结果对于施工来说是没有意义的。v 通过成桥未知荷载系数法，计算得出的荷载系数是体内力系数。v 将体内力系数带入单位初拉力后，重新运行分析，分析结果中的拉索内力即为体外力，也叫最终张拉控制力。v 或将体内力系数带入单位初拉力后，建立倒拆施工阶段模型运行分析，查看每根拉索即将拆除之前一阶段的拉索内力，此内力即为每根拉索的张拉控制力。（此时，施工阶段分析控制中的初拉力控制应选为“体内力”）v 为了验证，再把拉索张拉控制力带入初拉力后

16、，建立正装施工阶段模型运行分析。查看最终成桥阶段的状态是否符合设计要求。（此时，施工阶段分析控制中的初拉力控制应选为“体外力”。斜拉桥分析：未闭合配合力法斜拉桥分析：未闭合配合力法www.MidasU分析分析施工阶段分析控制数据施工阶段分析控制数据n斜拉桥施工时，最终阶段往往是跨中合拢的施工。跨中合拢的一刹那，结构体系完全转换。需要说明的是，利用成桥模型计算未知荷载系数时，跨中合拢段处于连续状态。但在施工合拢段时，合拢段并非处于连续状态，即两端的弯矩为0。按照前面介绍的分析方法，结果会出现不必和的情况。n通过未必和配合力的分析方法，可以得到最终合拢后的阶段与成桥目标函数完全闭合的结果。n未必和配合力方法，仅通过正装模型就可以计算拉索张拉控制力，没必要像前面所诉的方法，还需要建立一个倒拆模型来求得。n未必和配合力计算原理：激活斜拉索之前，拉索两端节点因前一阶段的荷载，发生的变形。激活拉索时，已输入的体内力还不能把发生变形的节点拉回原位，还需要补一定量的张力，此张拉力即为未必和配合力。n程序不仅可以计算出，每根斜拉索的未必和配合力，还可计算出合拢段的未必和配合力。使最终阶段的内力以及变形结果与成桥目标完全闭合。 （注：合拢段的未必和配合力，其实也没有实际意义。因目前还没有能够对于合拢段预加内力的工具）谢谢谢谢 ! !