某连续梁桥模型建立和分析

某连续梁桥模型建立和分析土木工程学院桥梁教研室2012年3月20日随着计算机的普及，结构电算已然成桥梁结构设计领域一个不可缺少的有效分析工具。以一个多跨连续梁桥为例，重点介绍大型通用桥梁计算分析软件MIDASCIVIL的基本功能、操作以及一些注意事项。主要内容1.软件基本功能及应用领域2.桥梁算例介绍3.结构建模4.施工阶段分析5.移动荷载分析6.查看计算结果7.PSC设计1.软件基本功能及应用领域1.软件基本功能及应用领域施工阶段分析本算例中主要进行静力分析中的施工阶段分析，并对算例进行PSC截面设计，通过这些分析，是的对MidasCivil软件以及连续梁桥的计算有一个初步的了解。PSC或RC设计MIDASCIVIL分析功能移动荷载分析特征值分析屈曲分析反应谱分析时程分析静力分析动力分析稳定分析（一）基本功能暂不介绍1.软件基本功能及应用领域（二）应用领域拱桥斜拉桥悬索桥连续梁桥2.桥梁算例介绍三跨连续梁，主梁为变截面的箱梁桥。全长为130m，跨径布置见下图。2.桥梁算例介绍35m60m35m主桥总体布置图总体布置：支点截面跨中截面2.桥梁算例介绍主梁截面：全桥箱梁顶宽为11.50m，底宽为6.5m，悬臂梁长度为2.5m。节段划分图0号块(12m)1~2号块3~6号块边跨现浇（4m）1~2号块3~6号块4.5m7m16m边跨合龙（2m）7m16m中跨合龙（2m）2.桥梁算例介绍施工方法：悬臂浇筑施工节段划分：依据挂篮的最大承载力和纵向顶板预应力钢束布置的合理性来确定。主梁悬臂施工时挂篮重量为600kN，改装挂篮进行边中跨合龙挂篮重量为1000kN。4.5m3m(底板不变化)主梁变化图1.梁高为3.5m,跨高比为1/17.1。2.顶板厚度为28cm，底板厚度为60cm，腹板厚度为80cm。3.设置100cm厚的横隔板。1.梁高为2m，跨高比为1/30。2.顶板厚度为28cm，底板厚度为26cm，腹板厚度为55cm。3.设置100cm厚的横隔板。顶板厚度全桥均为28cm纵向变高度线性变化2.桥梁算例介绍二次抛物线20.00198347zx2.桥梁算例介绍节段号7锚跨（中跨合拢）6543210节段长度（cm）3952004004004004003503501200低腹板长度（cm）200200200203.2212.7228.6250.8275.4304.9350350对称高腹板高度（cm）213213213216.2225.7263.8263.8288.4317.9363363顶板厚度（cm）55282828282828282849.855腹板厚度（cm）80555555555555555577.180底板厚度（cm）60262626.728.937.537.543.149.860100①下部结构施工2.桥梁算例介绍②主梁0号块墩旁托架现浇施工，张拉预应力筋④边跨满堂支架现浇施工⑤改装挂篮，边跨进行合龙⑥体系转换并进行中跨和龙，二期恒载的铺设③安装挂篮，依次悬臂浇筑1~6号块，并张拉预应力筋施工方法：3.结构建模定义过程，在模型-材料和截面特性-材料-添加模型中添加所需要的材料。①C50混凝土主桥箱梁②钢筋预应力钢绞线Strand1860材料定义完后，需要定义时间依存材料（徐变和收缩），中国规范中一般不考虑抗压强度的影响，然后进行时间依存性材料的连接。3.结构建模（一）材料定义定义过程，在模型-材料和截面特性-截面-添加-设计截面中添加所需要的截面。因为本算例中进行PSC设计，所以添加截面时选择变截面进行设计。①箱梁截面有0-0,0’-0’,1-1,2-2,3-3,4-4,5-5,6-6,7-7,8-8,共10个截面。②设定变截面,0-0’,0’-1,1-2,2-3,3-4,4-5,5-6,6-7,7-8和8-7,7-6,6-5,5-4,4-3,3-2,2-1,1-0’,0’-0。（方法：在变截面中导入起末两端的箱形截面）注：在模型建立中，一般选择偏心为中上进行建模，以箱梁顶面作为基准面。3.结构建模（二）截面定义选择先建立起始节点，进行全桥的模型建立。其中模型包括：69个节点，52个单元。0号块分为8个单元，每个悬臂施工节段为1个单元，边跨满堂支架现浇段分为4个单元，中跨和边跨合拢段各为1个单元。3.模型建立3.结构建模（三）节点和单元划分1.0号块长度为12m，节点号为12~20，34~422.1~2号块长度为3.5m，节点号10~12，20~21，33~34，42~443.4~6号块长度为4m，节点号为5~10，21~26，28~33，44~484.边跨支架现浇段长度为4m，节点号为1~5，49~535.边跨合拢段长度为2m，节点号为5~6，48~496.中跨合拢段长度为2m，节点号为26~283.结构建模0号块立面图中间两单元为支点横隔板1-1截面此处为0’-0’截面，0-0截面到0’-0’截面底、顶、腹板厚度有变化二次抛物线变化0-0截面0’-0’截面到1-1截面变换段，算例模型中分为两个单元，底部曲线按1.2次抛物线变化，纵向按线性变化12m4.5m3m4.5m1.8m变截面组的添加：在扩展单元完成后，每个单元都会呈现变截面的形式，此时需添加变截面组，使全桥呈现出流畅的线形。在模型-材料和截面特性-变截面组中添加变截面，根据具体桥竖向和横向变化规律来对变截面组进行设定。在本算例中，在Z轴方向按2次抛物线变化，在Y轴方向按线性变化。3.结构建模变截面功能对话框变截面组添加前变截面组添加前全桥节点划分全桥节点划分3.结构建模12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152537578798712345678910111213141516383940414243444546474849505152171819202122232425262728293031323334353637全桥单元划分3.结构建模123456789101112131415757916171819202122232425262728293031323334353637387839404142434445464748495051525387343536373878边跨节点划分中跨节点划分3.结构建模1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950515231323334353637边跨单元划分中跨单元划分3.结构建模（四）组的定义结构组：结构组（13个）备注0号块在桥墩的托架上进行现浇施工0号块实梁1~6结构组取决于施工方式，施工顺序为0号块施工-1~6块梁段悬臂浇筑施工-边跨满堂现浇段-边跨合拢-中跨合拢边跨合拢中跨合拢边跨现浇现浇满堂支架支座在满堂支架施工时，结构还不是静定结构，需要在一些临时支座变为静定结构墩顶临时支座在边主跨合拢前进行挂篮悬臂浇筑每个节段，为了抵抗悬臂根部巨大的弯矩，现将0号块与桥墩进行临时固结主梁将主梁设为一个结构组，便于桥梁内力图的查询3.结构建模荷载组：荷载组（25个）备注自重一期恒载的自重，在的一个施工阶段就要加入结构二期恒载当全桥施工完毕后进行二期恒载的铺设，包括桥面层、防撞护栏等桥面系结构横隔板支点横隔板厚度为180cm，端横隔板厚度为100cm预应力1~7每个节段悬臂施工完毕后张拉该段的预应力钢筋，腹板下弯钢筋用于抵抗梁段的重量边跨顶底板束完成边跨合拢时，需张拉顶底板预应力钢筋，使结构成为一体中跨顶底板束完成中跨合拢时，需张拉顶底板预应力钢筋，使结构成为一体挂篮1~6使用挂篮进行悬臂浇筑施工，每浇筑完一段进行挂篮前移，进行下一梁段的浇筑边中跨合拢吊架进行合拢时，需对挂篮进行改装来完成2m的合拢段施工边中跨合拢压重合拢时为了防止结构突然承受过大的荷载而破坏3.结构建模边界组：边界组（5个）所在节点激活阶段钝化阶段备注墩顶永久支座75、78体系转换体系转变后，主梁连为一体，此时可以将连续梁的支座进行添加墩顶临时固结16、73、77、38、74、790号块浇筑体系转换为了防止悬臂端弯矩过大，现将0号块与桥墩进行临时固结，在体系转换后去除变为铰支座边跨永久支座79、87体系转换边跨合龙后，主梁连为一体，可以将边跨的支座换为所需要的永久支座现浇满堂支架76、79、80、81、82、84、85、86、886号块浇筑体系转换为了防止边跨满堂支架段成为可变体系，满堂支架施工后也并无预应力的张拉，将该段进行固结，防止变动梁段纵向约束1、536号块浇筑边跨合拢满堂支架端底部固结，仍需添加一水平方向的约束才可以使之成为一个几何不变体系①连续梁桥在主梁与桥墩处的连接是采用支座连接，但是在梁段悬臂浇筑过程中，主梁支点和桥墩将采用临时固结，这样也有助于抵抗悬臂施工时较大的负弯矩。1514131219181716边界设计中应该注意的问题：3.结构建模0号块墩顶临时固结②在边跨现浇施工时，边跨现浇段的支座布置如下，梁段的上部设置一个单向水平支座，限制现浇时梁段的水平位移。43213.结构建模满堂支架现浇施工临时固结梁段纵向约束梁底固结③在一次进行梁段悬臂施工时至边跨合拢时，这时将边跨现浇段的水平支座拆除。4321边跨合拢施工边界模拟3.结构建模拆除梁段纵向约束5432167891011151413121817163.结构建模④连续梁桥与连续刚构桥的最大区别在于连续刚构桥的主梁和桥墩之间是固结的，而连续梁桥的主梁和桥墩之间有支座，之前的临时固结只是为了施工的方便，在边跨合拢并张拉预应力束后，需要进行体系转换，将临时固结变为支座的连接。此时，边跨的连接也要变化为成桥后的支座形式。此时变为边跨永久支座此时变为墩顶永久支座本桥的设计中采用三向预应力结构，包括纵向预应力筋、横向预应力筋以及竖向预应力筋。模型建立中只涉及到了纵向预应力钢束。纵向预应力钢束分为7-15.2、12-15.2、15-15.2三类，总共134根钢束，具体如下(预应力钢筋配置的原则是预应力向上的分力与施工阶段的重力基本相等)：1.顶板直线钢筋（56根12-15.2）2.腹板下弯钢筋（40根7-15.2）3.中跨合拢顶板钢筋（4根12-15.2）4.中跨合拢底板钢筋（10根15-15.2）5.边跨合拢顶板钢筋（8根12-15.2）6.边跨合拢底板钢筋（16根15-15.2）3.结构建模（五）预应力钢筋3.结构建模底面预应力钢筋布置顶面预应力钢筋布置纵向预应力钢筋布置①Midas主程序中，在荷载-预应力荷载-钢束特性值中添加所需要的钢束类型。②编辑完钢束特性后，仍在荷载-预应力荷载-钢束布置形状中按照图纸来布置钢筋。该算例中，主桥纵向预应力筋布置图如下。3.结构建模在钢筋的输入时，在预应力筋的端部要对预应力钢筋设定曲线半径，具体的规定参考《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》以及《结构设计原理》。结合锚具的规定，来设计桥梁的纵向预应力钢筋。对于腹板预应力筋要进行下弯，预应力筋进行下弯的原因：①预应力筋的下弯可以利用预应力产生的竖向分力来抵抗梁段的重量。②预应力筋的下弯可以将集中的预应力分散，便于预应力钢筋的锚固和张拉。3.结构建模4.施工阶段分析结构组边界荷载激活钝化激活钝化激活钝化10#块浇筑（30天）0#块墩顶临时支座墩顶临时固结1支点横隔板、自重、预应力12安装挂篮（1天）挂篮131#块浇筑（10天）实梁1预应力241#挂篮前移（2天）挂篮2挂篮152#块浇筑（10天）实梁2预应力362#挂篮前移（2天）挂篮3挂篮273#块浇筑（10天）实梁3预应力483#挂篮前移（2天）挂篮4挂篮394#块浇筑（10天）实梁4预应力5104#挂篮前移（2天）挂篮5挂篮4115#块浇筑（10天）实梁5预应力6125#挂篮前移（2天）挂篮6挂篮54.施工阶段定义136#块浇筑（10天）实梁6、边跨现浇段