SPC实例详述-混凝土、钢箱、组合截面

midasCivil技术资料----SPC实例操作详述目录midasCivil技术资料1----SPC实例操作详述11SPC总述22混凝土截面22.1混凝土截面SPC操作步骤22.2三种方法计算混凝土截面特性对比63钢箱梁截面73.1钢箱梁截面SPC操作步骤83.2数据库/用户截面特性与SPC对比134组合截面144.1组合截面SPC操作步骤15参考文献20北京迈达斯技术有限公司桥梁部2013/05/06midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）21SPC总述midasCivil→工具→截面特性计算器SPC是“截面特性值计算器—SectionalPropertyCalculator”的缩写。Civil截面库提供很多截面供用户选择，但并非涵盖所有工程截面，故为方便与绘图软件AutoCAD交互操作，用户可使用Civil提供的SPC工具实现任意截面的计算并导入，完成分析和设计。SPC一般步骤为：导入AutoCADDXF文件或直接在SPC中绘制图形→生成截面→计算截面特性→导出.sec文件→导入Civil中生成相应截面。2混凝土截面2.1混凝土截面SPC操作步骤（1）打开SPC，首先进行工作环境设置：ToolsSetting，length长度单位设为m，保持与DXF文件长度单位一致，如下图2-1所示；同时应确保DXF文件中的截面线无重叠，在DXF中把要导入的截面放在当前图层的x-y平面内，另外暂不支持DXF中pline线导入SPC，具体步骤：FileImportAutoCADDXF，如下图2-2所示。Tolerance：长度容许误差。一般情况下，程序会根据设定的单位体系自动进行合理的调整，设计者也可以手动进行修改，默认值为1mm。图2-1设置单位体系图2-2导入DXF文件Anglestep：默认10°，将曲线段按每10°为一段进行分割，例如，导入圆形截面，圆周则被自动分割成36段直线。Translation：Tx、Ty分别表示截面导入后在X轴和Y轴的偏移距离。midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）3Rotation：Rz表示截面导入后绕Z轴旋转的角度，逆时针旋转为正。导入DXF截面文件后，有时会弹出如下对话框，其是确保截面中没有重复线，可以通过ModelCurveInteresect中进行交叉计算来进行检查分割。（2）选择Plane形式，生成截面：ModelSectionGenerate。Plane形式的截面需要在CAD中画出截面实际形状，导入后在Generatesection里选择PlaneType，程序会按照截面形状所指定的范围自动生成截面。计算截面特性值时，程序会通过自动划分网格功能或人为指定网格尺寸在截面的Plane范围内生成网格，之后利用该网格有限元计算截面特性值。图2-3生成Plane截面选择Plane形式时，可以勾选是否合并为直线“MergeStraightLines”，合并标准为当直线间角度小于某一值时，默认为2°，比如：Civil805之前版本的SPC双向横坡截面，当横坡线角度小于2°时，程序会自动将横坡线合并为一条直线，而导致双向横坡截面转换成了无横坡截面，大家在此注意一下。另，若同时勾选图2-3中CalculatePropertyNow计算截面特性（也可下一步进行计算），但是对于截面中存在细长区域时建议通过下一步骤指定网格划分条件后再计算截面特性，因为直接在生成截面同时计算截面特性可能会导致网格划分过粗，导致出现截面剪切面积无法计算等问题。（3）计算截面特性：PropertyCalculateSectionProperty，选择生成的截面，设定网midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）4格划分条件，点击Apply。网格划分精度可以通过MeshDensity调节，也可通过MeshSize输入网格划分的尺寸定义，尺寸越小，计算精度越好，但计算速率降低，一般以不小于最薄截面处厚度的一半为宜。选择PauseafterEachCalc.，可以在窗口中显示出截面划分的网格单元情况及数目，如图2-4示。图2-4计算Plane截面特性（4）显示截面特性计算结果：PropertyListSectionProperty，如图2-5所示。图2-5列出截面特性截面特性内容包括截面面积Area、剪切面积SAx/SAy、截面抗弯惯性矩Ixx/Iyy、截面惯性积Ixy、截面扭转惯性矩J及截面四个角点坐标。Plane形式截面计算扭转惯性矩J时，首midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）5先利用有限元方法及Prandtl应力函数[1]，通过对应力函数进行积分计算抗扭刚度。注：Prandtl应力函数即为扭转应力函数，由普朗特Prandtl提出，详细可参考徐芝纶《弹性力学》中第十章中内容。（5）导出截面特性，SPC有多种导出截面形式，对于混凝土截面一般是通过ModelSectionExportMIDASSectionFile，保存成为sec类型截面文件，此截面文件导入到civil中消隐可以显示出实际截面形状。图2-6导出sec截面选择MIDASSectionFile截面类型，点击FileName按钮，如上图2-6所示，定义文件名为混凝土截面.sec，点击保存、退出，选中计算完毕的截面，点击Apply适用。图2-7混凝土sec截面导入到设计用数值截面midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）6至此，混凝土箱形SPC数值截面已经生成，可以通过midasCivil特性截面数值任意截面或midasCivil特性截面设计截面设计用数值截面导入生成相应截面。其中设计截面设计用数值截面需要输入设计参数和剪切验算位置，如图2-7所示，参数设置具体可参考桥梁荟2月刊。图2-8混凝土sec截面导入到数值截面中任意截面数值任意截面，可以不用输入相关参数，如上图2-8所示，但是，此种形式导入的截面不支持梁和柱的设计，仅在柱抗震设计时可采用该类型截面。2.2三种方法计算混凝土截面特性对比将SPC计算的截面特性分别与CAD计算结果及Civil数据库中的截面特性计算结果对比如下：首先是CAD面域计算结果，如图2-9所示；图2-9CAD中面域计算结果midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）7其次，采用Civil中设计截面中单箱多室2截面输入参数，输入截面参数及计算结果如图2-10所示；图2-10Civil中设计截面中“单箱多室2”计算结果三种方法计算结果对比汇总如下：表2-1三种方法计算混凝土截面特性对比截面特性CADCivil设计截面SPC面积7.667.667.66Ixx-抗扭——9.185269.272235Iyy-抗弯3.4093.4089953.40899Izz-抗弯75.098875.0987975.0988对比看到三种方法计算结果中的面积、惯性矩基本上可以对应起来，只是后两种方法中的抗扭惯性矩Ixx略有差别，差值约有1%。分析原因：Civil设计截面与SPC计算截面特性时网格划分精度不同。有限元网格划分的精细程度直接影响最终的计算结果。3钢箱梁截面对于薄壁钢结构截面及分离式截面需要通过Line的形式生成截面，在CAD中画出截面各部分中心线或是内外轮廓线即可,如下图3-1示，红色部分为箱梁实际截面形状，蓝色部分为截面各部分中心线组成的截面，也即是后续导入到SPC中的截面。同样，若采用SPC自带画图功能时，也只需将截面各部分中心线或内侧轮廓线或外侧轮廓线画出即可。midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）8图3-1CAD中line截面图示3.1钢箱梁截面SPC操作步骤(1)首先进行工作环境设置：:ToolsSetting，导入DXF文件：FileImportAutoCADDXF。图3-2设置单位体系图3-3导入DXF文件（2）指定线宽：ModelCurveChangeWidth，根据截面各部分实际宽度分别指定其宽度，以顶底板、腹板宽度16mm为例，按Ctrl键依次将顶底板与腹板中心线选中，如图3-4红色部分所示；Alignment对准方式包含四种选择：Center选项与截面中心线对应，表示向midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）9图3-4指定线宽两侧扩展宽度；Left表示由线的起点到终点方向的左侧扩展宽度，Right表示由线的起点到终点方向的右侧扩展宽度，与截面的内外侧轮廓线对应；Left-Right功能表示Left与Right两种扩展宽度方式的切换；Width：输入窗口中选中线的宽度，即此处截面的实际宽度，单位与前面设置单位体系一致。宽度不同的线，可以分别选中，赋予其对应的宽度。其他部分如U肋等的设置宽度方式同上，在此不赘述。图3-5指定闭合区域（3）指定闭合：ModelCurveClosedLoopRegister，对于闭合截面，需要指定闭合区域，如下图3-5中顶底板和腹板组成的闭合区域，若对于闭合截面没有指定闭合区域会导midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）10致截面惯性积Ixy与扭转惯性矩J计算不准确。如果截面本身不存在闭合区域，那么此步骤可以省略。另外对于单箱多室的钢箱梁截面，可以只指定由顶底板和外侧腹板组成的闭合区域，这样计算得到的扭转惯性矩J比分别指定每个箱室的闭合区域计算得到的小，计算结果偏保守。（4）生成截面，选择Line形式，ModelSectionGenerate，如图3-6所示。对于薄壁截面，只需在CAD中画出截面各部分的中心线或轮廓线，导入SPC后可先指定线的宽度生成实际截面形状，然后在Generatesection里选择LineType生成截面，Line截面通过简化公式计算截面特性，其中抗扭刚度是根据剪力流(ShearFlow)原理计算的，假设剪应力沿壁厚均匀分布，则剪力流为常数，根据自由扭转扭矩的近似计算公式可以反推出抗扭刚度。另外，对于分离式钢结构截面，只能通过Line形式生成截面并计算输出。对于截面厚度特别小的时候，若以Plane截面操作很难在又窄又长的领域内自动生成适当的网格，虽然在截面特性计算对话框里的MeshSize可以直接指定网格的大小，但是这样会增多网格的个数，降低计算效率，所以薄壁钢结构截面尽量使用Line形式截面计算。图3-6生成Line截面（5）计算截面特性：PropertyCalculateSectionProperty，选择生成的截面，无需设定网格划分条件，因网格划分条件是针对于Plane类型截面，故，直接点击Apply即可。midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）11图3-7计算Line截面特性（6）列出计算完成的截面特性PropertyListSectionProperty图3-8列出Line截面特性由图3-8可知，Line类型生成的截面不计算剪切面积SAx、SAy，其他截面特性值同前述的混凝土截面特性分项说明，洋红色区域即设置闭合（RegisterClosedLoop）的区域。（7）导出截面ModelSectionExport。midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）12图3-9导出sec截面选择MIDASSectionFile截面形式，然后点击FileName按钮，如图3-9所示，定义文件名为钢箱梁截面.sec，点击保存、退出，选中计算完毕的截面，点击Apply适用。至此，薄壁钢箱梁SPC数值截面已经生成，可以通过midasCivil特性截面数值任意截面导