桥梁电算

桥梁电算刘爱荣广州大学土木工程学院课程安排„第一章绪论„1.1学习内容„1.2学习目的„1.3学习要求„1.4工程实例演示(2)„第二章有限元基础„2.1有限元法基本概念„2.2有限元法解题步骤„2.3单元刚度矩阵的导出(6)„第四章Midas软件介绍„4.1Midas功能简介„4.2Midas前处理„4.3Midas加载功能„4.4计算结果整理(4)„第三章桥梁数值分析„3.1计算工具„3.2建模„3.3桥梁荷载介绍„3.4桥梁计算分析„3.6桥梁作用效应组合„3.7桥梁承载能力极限状态验算„3.8桥梁正常使用极限状态验算(14)„第五章上机实践„5.1Midas软件上机实践„5.2混凝土桥计算(10)第一章绪论„1.1学习目的„掌握桥梁结构分析的基本理论„了解桥梁结构分析的一般流程„初步了解计算分析软件Midas„1.2学习内容„有限元分析基本理论„Midas初级功能„桥梁平面杆系模型的建立„掌握桥梁荷载效应„影响线、恒载内力、活载内力的计算„荷载效应组合„结构强度验算和正常使用性能验算参考教材：《Midas使用手册》《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》„1.3学习要求„独立完成常规桥梁的计算分析„1.4工程实例演示„梁式桥、板式桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥1.4工程实例演示梁式桥板式桥拱桥斜拉桥悬索桥计算模型梁式桥-三跨预应力混凝土连续梁（神湾大桥）梁式桥-七跨预应力混凝土连续梁（外海大桥）梁式桥---钢混凝土叠合梁（新增步桥）梁式桥-连续刚构桥（越秀北立交的D匝道）肋板式连续刚构桥（区庄立交）梁式桥-连续V构桥（南沙万龙二桥）板式桥-简支板桥（虎门连升路桥）2000200019960号台1号墩2号墩号墩4号台1996立面II检测跨480002000200020002000135°13004001300000/27001150800/2250500人行道行车道分隔带行车道路幅中心线1/2半平面检测跨0号台1号墩2号墩号墩4号台板式桥-简支板桥（虎门连升路桥）5#梁2#梁1#梁3#梁4#梁8#梁7#梁6#梁分隔带行车道1150250边中拱桥-肋拱（蓬江大桥新主桥）拱桥-板拱（东莞向阳路邮政桥）拱桥—双曲拱桥（茂名高山桥）1#2#3#4#5#6#7#8#拱桥—双曲拱桥（茂名高山桥）拱桥-双曲拱桥（蓬江大桥旧引桥）拱桥-系杆拱桥（中山二桥）拱桥-斜靠式拱桥（湖南益阳拱桥）拱桥-斜靠式拱桥（潮州韩江北桥）拱桥—连续刚架钢桁拱桥（新光大桥）拱桥-空间组合拱桥（中山一桥）拱桥-中山市蝴蝶拱桥斜拉桥小西湖矮塔斜拉桥歧江大桥济南黄河大桥矮塔斜拉桥四川泸州茜草长江大桥(跨径组成:128+248+128)„独塔单索面斜拉桥斜拉桥悬索桥悬索桥—自锚式悬索桥（猎德大桥主桥）第二章有限元基础„2.1有限元法基本概念„单元、节点、自由度、单元刚度矩阵、整体刚度矩阵„单元类型„桁架单元、梁单元、平面单元、板壳单元、实体单元„2.2有限元的求解步骤„2.3单元刚度矩阵的推导„桁架单元„梁单元2.1有限元法基本概念„单元、节点、自由度、单元刚度矩阵、整体刚度矩阵„单元类型„桁架单元、梁单元、平面单元、板壳单元、实体单元2.1有限元法基本概念2.1有限元法基本概念板壳模型板壳模型11个节点个节点66个自由度个自由度需输入截面特性需输入截面特性实体模型实体模型杆系模型杆系模型可给出内力、可给出内力、应力、位移应力、位移11个节点个节点33个个自由度自由度有限元模型有限元模型11个节点个节点66个自由度个自由度输入单元厚度输入单元厚度可给出单位长度可给出单位长度内力以及应力、位移内力以及应力、位移只能给出应力、位移只能给出应力、位移建模方便快捷建模方便快捷建模较耗时建模较耗时建模耗时建模耗时可进行动态可进行动态规划加载规划加载只有只有““城城--AA””可进行可进行动态规划加载动态规划加载无法进行无法进行动态规划加载动态规划加载2.1有限元法基本概念建立单元刚度矩阵结构离散（利用单元和节点）单元组集形成平衡方程引入等效节点力和位移边界条件求解节点位移由位移求应变2.2有限元法解题步骤由应变求应力2.3单元刚度矩阵推导„桁架单元刚度矩阵的导出⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡−−=⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧jjiijjiiuulAEVUVUυυ0000010100000101„梁单元刚度矩阵的导出323222323222000012612600646200000012612600626400iiiijjjUuEAEAllVvEIEIEIEIllllMEIEIEIEIllllUEAEAllVEIEIEIEIllllEIEIEIEIMllll⎡⎤⎡⎤−⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥−⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥−⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥−⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥−−−⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥−⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦iijjjuvθθ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦第三章桥梁数值分析ƒ3.1计算工具及桥梁计算分析的一般步骤ƒ3.2建模ƒ几何模型、桥梁常用材料、截面特性、边界条件ƒ3.3桥梁荷载效应ƒ3.4桥梁计算分析ƒ恒载内力计算ƒ影响线求解ƒ影响线加载ƒ活载计算ƒ3.5桥梁作用效应组合ƒ3.6桥梁正常使用极限状态验算ƒ3.7桥梁承载能力极限状态验算„„Midas/CivilMidas/Civil、、SAP2000SAP2000、桥梁博士有限元软件，专业性、桥梁博士有限元软件，专业性强，对于杆系模型的计算分析有较强优势，适合宏观计算把强，对于杆系模型的计算分析有较强优势，适合宏观计算把握；握；„„ANSYSANSYS、、NASTRANNASTRAN、、IDEASIDEAS有限元软件，综合性强，对有限元软件，综合性强，对于板壳和实体模型的计算分析有较强优势，适合结构的精细于板壳和实体模型的计算分析有较强优势，适合结构的精细计算分析。计算分析。3.2桥梁计算工具及计算分析的一般步骤确定材料参数确定材料参数施工过程计算分析施工过程计算分析（恒载、施工荷载）（恒载、施工荷载）确定边界条件确定边界条件计算截面特性计算截面特性内力、应力、变形内力、应力、变形建立有限元建立有限元模型模型成桥状态成桥状态计算分析计算分析选择单元类型选择单元类型定义外荷载定义外荷载稳定性稳定性设计活载内力计算设计活载内力计算整体温升降和桥面温升降整体温升降和桥面温升降基础不均匀沉降基础不均匀沉降稳定性稳定性承载能力验算承载能力验算正常使用验算正常使用验算抗裂验算抗裂验算刚度验算刚度验算抗弯、抗剪、抗弯、抗剪、抗扭强度验算抗扭强度验算3.2桥梁计算工具及计算分析的一般步骤3.2建模ƒ几何模型及单元离散ƒ杆系模型ƒ板壳模型ƒ实体模型神弯大桥中山一桥座拱、承台、桩3.2建模-桥梁常用材料桥梁常用材料钢材预应力钢筋普通钢筋混凝土3.2建模-桥梁常用材料ƒ钢材ƒ桥梁用结构钢设计规范（GB/T714-2000）-新牌号ƒQ235q，Q345q，Q370q,Q420qƒQ表示屈；235,345,390和420分别表示屈服点；q表示桥ƒ弹性模量：2.1e11N/m2；泊松比：0.3；热膨胀系数为：1.2e-5；ƒ质量密度:7850kg/m3ƒ中国国家标准，钢结构设计规范（GBJ17-88）-旧牌号ƒ3号钢，16Mn钢（相当于Q235q），16Mnq钢（相当于Q345q），14MnNbq钢（相当于Q370q），15MnVq钢（相当于Q420q）ƒ中国交通部标准，公路桥涵钢结构及木结构设计规范（JTJ025-86）ƒA3钢和16Mn钢ƒ弹性模量：2.1e11N/m2;3.2建模-桥梁常用材料ƒ钢筋ƒ普通钢筋ƒ公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土桥涵设计规范（JTJD62-2004）规定Easy!3.2建模-桥梁常用材料ƒ预应力钢筋3.2建模-桥梁常用材料ƒ混凝土ƒ公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土桥涵设计规范（JTJD62-2004）规定：密度为2500kg/m3;泊松比为0.2;热膨胀系数为1.0e-53.2建模-桥梁常用材料ƒ材料参数确定注意事项ƒ确保质量分布不变ƒ确保工程量不变ƒ钢混凝土组合结构材质等效3.2建模-截面特性ƒ截面特性ƒ杆系模型（面积、抗弯惯性矩、抗扭惯性矩、剪切面积、截面几何中心）ƒ板壳模型（截面厚度）ƒ实体模型（不需要输入）ƒ截面类型ƒ矩形截面，T型截面，箱形截面,组合截面（钢管混凝土截面),联合截面(叠合梁截面）ƒ截面特性计算方法ƒ手算ƒ专业程序计算ƒAUTOCAD绘图软件计算ƒ截面特性计算原理3.2建模-截面特性ƒ截面特性计算原理ƒ面积ƒ有效剪切面积ƒ抗扭惯性矩ƒ开口ƒ闭口ƒ抗弯惯性矩ƒ沿+y,-y方向单元中性轴到边缘纤维距离ƒ沿+z、-z方向单元中性轴到边缘纤维距离331ab∫tdsA243.2建模-截面特性ƒ组合截面特性的确定ƒ等效换算面积Areaequ=Astl+AconEc/Esƒ等效换算有效剪切面积ASequ=ASstl+ASconEc/Esƒ等效换算抗弯惯性矩Ieq=Istl+IconEc/Es3.2建模-截面特性„截面特性计算注意事项„钢板加劲肋的影响„梁截面特性赋值„刚度折减„对于T梁，单边翼缘的计算宽度为承托以外6倍板厚„箱梁的计算可参考T梁3.2建模-边界条件ƒ橡胶支座ƒ板式橡胶支座（由薄钢板和氯丁橡胶或天然橡胶或三元乙丙橡胶组成）ƒ矩形板式橡胶支座ƒ圆形板橡胶支座（多用于弯桥）ƒ适用于小跨径桥梁ƒ聚四氟乙烯滑板式橡胶支座ƒ盆式橡胶支座ƒ活动盆式橡胶支座（不锈钢板、聚四氟乙烯滑板）ƒ固定盆式橡胶支座ƒ适用用于大跨径和支反力较大的桥ƒ球形钢支座ƒ转动大、承载力高ƒ适用用于宽桥、曲线桥等ƒ拉压支座ƒ可承受拉力和压力、转动和水平滑动ƒ适用于连续梁的短跨、斜桥、小半径曲线桥ƒ钢筋混凝土摆式支座ƒ油毛毡支座θAP1PHAATP3θBlRARBB固定支座活动支座3.2建模-边界条件砂浆层橡胶支座薄钢板橡胶片外层内层lalbaa)tgtes1tesƒ板式橡胶支座3.2建模-边界条件ƒ活动盆式橡胶支座ƒ固定盆式橡胶支座1357246上座板下座板顶板不锈钢板聚四氟乙烯板中间钢板密封圈橡胶块底盆1-2-3-4-5-6-7-::123453.2建模-边界条件ƒ球形支座1.下座板2.球面F4板3.密封裙4.中座板5.平面F4板6.上滑板7.上座板21654373.2建模-边界条件ƒ减震支座123456781-上支座盆;2-不锈钢板;3-聚四氟乙烯板;4-中支座板;5-盆式橡胶板;6-下支座盆;7-橡胶减震器或弹簧-橡胶减震器;8-封密底板以及制动销、防跳动装置等3.2建模-边界条件ƒ拉压支座ƒ板式橡胶拉压支座ƒ球面拉压支座132567241-上支座板；2-锚筋；3-受拉螺栓；4-承压橡胶块；5-滑板；6-奥式体钢；7-下支座板3.2建模-边界条件ƒ支座ƒ链杆支座ƒ固定铰支座ƒ固定支座ƒ定向支座(用于施加对称边界条件)ƒ桩约束ƒ不考虑桩土耦合（承台下4D~6D处施加固定约束）ƒ考虑桩土耦合（弹簧支座）ƒ弹簧刚度计算K=abmzƒ（一:土层厚度;b桩计算宽度;m:土比例系数)ƒ铰ƒ铰-铰ƒ刚-铰(施加约束方程或主从节点或刚性连接)ƒ弹性连接ƒ施加弹簧单元单向滑动支座抗扭支座刚性连接桥梁支座只约束竖向变形铰弹性连接双向滑动支座桩土相互作用单元间的相互连接固定铰支座施加弹簧单元固定约束约束竖向或纵（横）向变形约束竖向、纵、横向变形通常设双支座所有自由度均被约束弹簧刚度取mabz铰缝、牛腿处、墩梁连接处强迫两节点位移一致两节点间有相对位移3.2建模-边界条件3.3桥梁荷载介绍ƒ3.3.1桥梁荷载（作用效应）介绍ƒ3.3.2城市桥梁荷载(CJJ77-98)ƒ3.3.3公路工程技术标准(B01-2003)ƒ3.3.4公路桥梁荷载（JTJ001-97）ƒ3.3.5车道横向和纵向折减系数ƒ3.3.6冲击系数ƒ3.3.7离心力3.3.1桥梁荷载（作用效应）介绍ƒ永久作用ƒ