使用未知荷载系数功能做斜拉桥正装分析

使用未知荷载系数功能做斜拉桥正装分析1.未知荷载系数的特点2.未知荷载系数的使用方法3.未知荷载系数的参数说明4.考虑施工阶段的未知荷载系数例题5.期待效果使用未知荷载系数功能做斜拉桥正装分析在斜拉桥的设计中，需要计算能满足成桥阶段设计条件(加劲梁的弯矩分布均匀、索塔不受或只受较小的弯矩作用、均匀的索张力布置等)的各施工阶段索的张力，从而要求进行较为精确的施工阶段分析。施工阶段分析可为正装和倒装分析。正装分析是按实际施工顺序建立各阶段模型，逐步安装加劲梁和拉索，通过分析得到各施工阶段的内力和位移。倒装分析是在成桥阶段求出满足设计条件的索的张力后，按与实际施工顺序相反的方向建立各阶段模型，逐步拆除桥梁段和拉索，通过倒退分析可获得各施工阶段索的张力。从理论上说，将倒退分析获得的各参数应用到正装分析中，会得到满足设计条件的成桥状态。但是当需要考虑收缩和徐变时，因为收缩和徐变与结构的形成过程有关，而倒退分析在时间上是逆时间顺序的，所以一般的倒退分析无法准确地反应各阶段的位移和内力状态。虽然目前有一些替代方法(如迭代法)，但正装和倒推分析结果不一致(不闭合)的问题始终存在。所以在一些斜拉桥设计中有很多设计公司只做正装而不做倒退分析，这样在各施工阶段需要多次对索力进行调试计算，以期达到成桥阶段的设计要求，分析工作相当繁琐。MIDAS/Civil的未知荷载系数功能可求出满足成桥阶段设计要求(加劲梁的弯矩分布均匀、索塔不受或只受较小的弯矩作用、均匀的索张力布置等)的各施工阶段的较为理想的索力，解决了设计人员繁琐的试算问题，提高了设计精度和工作效率。本文将通过例题介绍MIDAS/Civil的未知荷载系数功能的使用方法、考虑施工阶段的未知荷载系数的计算方法以及未知荷载系数的影响矩阵法。北京迈达斯技术有限公司iMIDAS/Civil的技术资料1.未知荷载系数的特点MIDAS/Civil的未知荷载系数功能是使用优化方法计算满足制约条件及目标函数的各变量值的功能。例如在斜拉桥设计中，可计算满足设计人员指定的制约条件(加劲梁的弯矩分布均匀，索塔受较小的弯矩等)荷载（索力、支座移动等），这些力可使用在正装分析中。未知荷载系数的主要特点如下：(1)计算成桥阶段的未知荷载系数计算满足成桥阶段的设计要求的各索的张力值，可用于倒装分析。(2)考虑施工阶段的影响，确定各施工阶段的未知荷载系数可以不做倒装分析计算出满足成桥阶段设计要求的各施工阶段的索力。(3)提供成桥阶段和施工阶段的影响矩阵分析施工过程中索力和桥型的误差原因，提供影响成桥阶段结果的影响矩阵。(4)可将影响矩阵转换为Excel文件可将影响矩阵转换为包含计算公式的Excel文件，可用于调索和控制桥型。(5)可设置多种控制条件控制条件可设置为位移、反力、桁架单元或梁单元的内力限制，限制条件的数量可任意多。(6)控制条件可输入固定值或上下限因为可输入固定值和上下限，所以缩小了找不到未知荷载系数的概率。(7)可将未知荷载系数转换为荷载组合系数在成桥阶段求出未知荷载系数后，可将其自动转换为荷载组合系数，为迅速查看结果提供了方便。北京迈达斯技术有限公司1MIDAS/Civil的技术资料2.未知荷载系数使用方法未知荷载系数功能可分为成桥阶段未知荷载系数功能和考虑施工阶段的未知荷载系数功能。成桥阶段的未知荷载系数功能在用户手册第三册中已经有例题说明。本文将着重说明考虑施工阶段的未知荷载系数功能。2.1成桥阶段未知荷载系数功能的使用方法在成桥阶段计算未知荷载系数的步骤如下：-建立恒荷载与单位荷载的组合-设定控制条件-计算未知荷载系数-必要时利用影响矩阵调整未知荷载系数-将未知荷载系数反映到荷载组合中-如果所求未知荷载系数不是索力值，则加载相应力的单位荷载(例如:支座的顶起、下沉)确认荷载组合结果给各索赋予单位初拉力荷载组合结构分析求未知荷载系数建立成桥阶段模型北京迈达斯技术有限公司2MIDAS/Civil的技术资料2.2考虑施工阶段的未知荷载系数功能的使用方法考虑施工阶段计算未知荷载系数的步骤如下：建立正装分析模型-如果所求未知荷载系数不是索力值，则加载相应力的单位荷载(例如:支座的顶起、下沉)给索加载单位初拉力施工阶段分析-设定控制条件-计算各阶段未知荷载系数(各阶段的索力)-必要时，利用影响矩阵调整未知荷载系数-在PostCS阶段使用未知荷载系数功能求未知荷载系数移动到PostCS阶段将未知荷载系数反映到各施工阶段-使用反映了各施工阶段未知荷载系数的实际索力进行施工阶段分析查看各施工阶段分析结果北京迈达斯技术有限公司3MIDAS/Civil的技术资料3.未知荷载系数的参数说明3.1使用未知荷载系数功能前需要输入的参数先做成桥阶段分析后，在后处理中将施工阶段移动到PostCS阶段。3.2输入未知荷载系数数据命令位置：结果未知荷载系数考虑施工阶段的未知荷载系数功能是求在满足某施工阶段(如图1的ⓐ)控制条件(图1的ⓑ)时，计算特定阶段(图1的ⓒ)的未知荷载系数的方法。ⓒⓑⓐ图1.考虑施工阶段未知荷载系数的参数输入北京迈达斯技术有限公司4MIDAS/Civil的技术资料名称输入未知荷载系数数据的名称。阶段名称选择指定控制条件的施工阶段，一般可选择昀后施工阶段。约束条件输入控制条件。可输入的控制条件有位移、反力、桁架单元和梁单元的内力。一般来说，斜拉桥中的控制条件如下：y加劲梁的弯矩尽量要小切分布均匀y索塔产生弯矩或索塔顶端不产生水平位移y拉索的张力分布均匀y加劲梁的竖向位移一般来说，施工阶段过程中加劲梁的桥型可通过施工和制作预拱度进行调整，所以施工过程中加劲梁的竖向位移不会产生较大的内力。因此控制成桥阶段加劲梁的弯矩和索塔顶端的位移比控制施工阶段过程中加劲梁的竖向位移更有实际意义。固定值上下限图2.控制条件对话框目标函数类型选择由未知荷载系数构成的目标函数的构成方法。线性:荷载系数与权重值乘积的绝对值之和1.niiiObjTW==×∑平方:荷载系数与权重值的乘积平方之和()21.niiiObjTW==×∑北京迈达斯技术有限公司5MIDAS/Civil的技术资料昀大绝对值:各荷载系数与权重值的乘积的绝对值中昀大值()1122.,,nnObjMaximumTWTWTW=⋅,⋅⋅系数的符号选择未知荷载系数的符号。负:未知荷载系数均为负号正负:未知荷载系数的符号有正有负正:未知荷载系数均为正号ⓐ图3.按阶段/步骤选择未知荷载系数工况未知、阶段/步骤、系数图3的ⓐ为想要查找的未知荷载系数的荷载工况。可按施工阶段的阶段/步骤计算未知荷载系数(例如：索力、支座移动)，选择相应的施工阶段和步骤。北京迈达斯技术有限公司6MIDAS/Civil的技术资料3.3建立施工阶段模型时的注意事项未知荷载系数是按阶段及阶段内各子步骤输出的，建立施工阶段和子步骤时一定要注意单元及边界的激活和钝化顺序。图4.施工阶段模型(b)CS2:添加索力，拆除临时支座(a)CS1:恒荷载，固定支座，临时支座如图4所示，要得到CS2阶段满足控制条件的索力，设计人员应注意下列问题。y在CS2中，内力包括张拉索力引起的内力和拆除临时支座引起的内力两部分。y如果将张拉索和拆除临时支座定义在相同阶段的同一子步骤内，则无法得到单独张拉索力时的未知荷载系数。y可在CS2中将张拉索和拆除临时支座定义为两个子步骤。表1.图4的施工阶段定义结构组边界组荷载:步骤阶段激活钝化激活钝化激活钝化CS1Deck-固定支座临时支座-恒荷载:开始-CS2Cable--临时支座张拉索:昀后-北京迈达斯技术有限公司7MIDAS/Civil的技术资料3.4未知荷载系数的结果图5.未知荷载系数的结果系数计算得到的未知荷载系数，索力的未知荷载系数就是该施工阶段索的张力。将这里得到的索力反映到各施工阶段，重新做施工阶段分析即可得到满足成桥阶段控制条件的结果。数值未知荷载系数作用下控制项的结果。该结果应在控制目标范围内。上限、下限控制条件的范围。影响矩阵输出影响矩阵。将影响矩阵输出到Excel内。北京迈达斯技术有限公司8MIDAS/Civil的技术资料3.5影响矩阵影响矩阵就是当作用单位荷载时，对设计结果(内力、位移、反力)的影响值。影响矩阵可用于分析各施工阶段的索力对成桥阶段的影响。图6的ⓐ为影响矩阵，可用下面公式表达。njii1ValueFactorD==⋅∑ij影响系数j+且Dj为与未知荷载系数无关的荷载的结果。图6中约束条件Ele-03是约束了加劲梁与索连接位置的负弯矩，约束条件Ele-03的结果是按下列公式计算的。23089.015.355155.41.399375.323.957251.370.625332.310.05542.660.6931660.9−=×−+×+×+×+×+×−且，Dj(–1660.9)是索张力以外的恒荷载和二期荷载引起的弯矩。ⓐ图6.影响矩阵结果北京迈达斯技术有限公司9MIDAS/Civil的技术资料在未知荷载系数结果表格中修改未知荷载系数时，数值将自动发生变化。图7是将CS10/Last的荷载系数修改为「340」时，控制条件中数值的变化结果。根据修改的系数自动计算可以修改图7.影响矩阵结果图8是将影响矩阵转换成的Excel文件，转换时包含了计算公式，用户可在Excel中调整索力。图8.转换为Excel文件的影响矩阵北京迈达斯技术有限公司10MIDAS/Civil的技术资料4.考虑施工阶段的未知荷载系数例题4.1桥梁例题数据图9为非对称的斜拉桥例题，下面介绍利用未知荷载系数功能计算各施工阶段索力的方法。10.020.016.08.016.016.016.012.0图9.非对称斜拉桥的成桥阶段模型表2.材料数据部位弹性模量泊松比Deck3.0000e+0060.3Pylon3.0000e+0060.3Cable1.5750e+0070.3表3.截面数据部位面积截面惯性矩Deck4.38000.9200Pylon1.00002.7600Cable0.0062-Cable0.0208-表4.荷载数据项目荷载类型荷载值恒荷载Selfweight索张力PretensionLoad1tonfDerickCraneNodalLoad80tonfSegmentNodalLoad竖向荷载:AxγxL偏心弯矩:AxγxLxL/2支座移动强制位移1mm北京迈达斯技术有限公司11MIDAS/Civil的技术资料4.2施工顺序CS1:安装Pylon,DeckCS2:拆除临时支座,张拉Cable2CS4:安装挂篮、Deck荷载CS3:张拉Cable3CS6:张拉Cable1CS5:添加(激活)新的DeckCS8:移动挂篮和Deck荷载CS7:张拉Cable4图10.例题的施工阶段(CS1~CS14)(后页继续)北京迈达斯技术有限公司12MIDAS/Civil的技术资料CS9:添加(激活)新的DeckCS10:张拉Cable5CS11:移动挂篮和Deck荷载CS12:添加(激活)新的Deck图10.例题的施工阶段(CS1~CS14)(后页继续)北京迈达斯技术有限公司13MIDAS/Civil的技术资料CS13:安装右侧支座，加载二期恒载CS14:顶起右侧支座Jackup图10.例题的施工阶段(CS1~CS14)北京迈达斯技术有限公司14MIDAS/Civil的技术资料4.3建立施工阶段模型总共有15个施工阶段，详见表5。Cable-5Cable-4Cable-3Cable-2Cable-1PylonDeck-1Deck-2Deck-3Deck-4图11.例题模型中结构组名称表5.例题模型的施工阶段构成结构边界荷载:步骤阶段激活钝化激活钝化激活钝化CS1Deck-1Pylon-Deck-LeftPylonElasticSupTemporary-Selfweight:始开-CS2Cable-2--TemporaryTension02:昀后-CS3Cable-3---Tension03:始开-CS4----D/C-04:始开Seg-04:始开-CS5Deck-2----Seg-04:开始CS6C