midas施工阶段分析

本例题使用一个简单的两跨连续梁模型（图1）来重点介绍MIDAS/ Civil的施工阶段 分析功能、钢束预应力荷载的输入方法以及查看分析结果的方法等。主要包括分析预 应力混凝土结构时定义钢束特性、钢束形状、输入预应力荷载、定义施工阶段等的方 法,以及在分析结果中查看徐变和收缩、钢束预应力等引起的结构的应力和内力变化特 性的步骤和方法。图1。分析模型桥梁概况及一般截面分析模型为一个两跨连续梁，其钢束的布置如图2所示，分为两个阶段来施工。桥梁形式：两跨连续的预应力混凝土梁桥梁长度：L = 230 = 60。0 m区分钢束坐标()0122430364860钢束11.50.22。61。8钢束2(I)2.02。80。21.5:m1图92。立面图和剖面图.预应力混凝土梁的分析步骤预应力混凝土梁的分析步骤如下。1. 定义材料和截面2. 建立结构模型3. 输入荷载恒荷载钢束特性和形状钢束预应力荷载4. 定义施工阶段5. 输入移动荷载数据6. 运行结构分析7. 查看结果使用的材料及其容许应力口混凝土设计强度：初期抗压强度：弹性模量:Ec=3,000Wc1.5 屯ck+ 70,000 = 3。07X105kgf/cm2容许应力：容许应力预应力作用后(瞬间)预应力损失发生后(最终)抗拉抗压口 预应力钢束 (KSD 7002 SWPC 7B- 15.2mm (0.6"strand)屈服强度：T抗拉强度：T截面面积：弹性模量：张拉力：fpi=0。7fpu=133kgf/mm2锚固装置滑动：磨擦系数：容许应力张拉时的最大应力锚固瞬间()应力损失后使用状态荷载口恒荷载自重在程序中按自重输入口预应力钢束 015。2 mmX31 （如.6"- 31）截面面积：Au = 1.387 X 31 = 42。997 cm2孔道直径:133 mm张拉力：抗拉强度的70%fpj = 0。7 fpu = 13,300 kgf/cm2Pi = Au X fpj = 405.8 tonf张拉后的瞬间损失（程序自动计算）摩擦损失：,锚固装置滑动引起的损失：弹性收缩引起的损失：损失量最终损失（程序自动计算）钢束的松弛（Relaxation）徐变和收缩引起的损失口徐变和收缩条件水泥：普通硅酸盐水泥长期荷载作用时混凝土的材龄：5天混凝土与大气接触时的材龄：3天相对湿度：大气或养护温度：适用规范：CEBFIP徐变系数：程序计算混凝土收缩变形率：程序计算口活荷载适用规范：城市桥梁设计荷载规范荷载种类:CALCAD（20）设置操作环境打开新文件（新项目，以PSC beam为名保存（保存）.将单位体系设置为tonf'和m'。该单位体系可根据输入数据的种类任意转换。$ 单位体系还可以通 过点击画面下端状态 条的单位选择键（）来 进行转换。File / New ProjectFile / Save ( PSC beam )Tools / Unit SystenP图3。设置单位体系Length> m ; Forcetonf定义材料和截面下面定义PSC beam所使用的混凝土和钢束的材料特性。Model / Properties / MaterialType> Concrete ； Standard> KS-civil(RC)$ 同时定义多种材料特性时，使用键可以连续输入。DB>C400 J $Name ( Tendon );TypeUser Defined ;Standard>NoneAnalysis DataModulus of Elasticity (2.1e7) J图4.定义材料对话框定义截面PSC beam的截面使用比较简单的矩形截面来定义。Model / Properties / SectionDB/User> Section ID ( 1 )； Name (Beam)Section Type> Solid RectangleUserH ( 3 ); B ( 2 )Offset > CenterBottom图5。定义截面的对话框$ 截面形状比较复杂时，可使用模型材料和街面特 性值修改单元材料时间依 存特性的功能来输入h 值。图6。定义材料的徐图6。定义材料的徐变定义材料的时间依存性并连接为了考虑徐变、收缩以及抗压强度的变化，下面定义材料的时间依存特性. 材料的时间依存特性参照以下数据来输入。 28天强度：fck = 400 kgf/cm2相对湿度：RH = 70 % 理论厚度：1。2m ( 2Ac/ u= 2 x 6 / 10 = 1.2 )混凝土种类：普通水泥(N。R)拆模时间：3天Model / Property / Time Dependent Material (Creep & Shrinkage)Name (Creep/Shrinkage); CodeCEBFIPCompressive strength of concrete at the age of 28 days (4000) Relative humidity of ambient environment (40 99) (70)Notational size of member (1.2) $Type of cement> Normal or rapid hardening cements (N, R)Age of concrete at the beginning of shrinkage(3)混凝土浇筑后随时间变化而逐渐硬化，时间越长其强度越大。本例题根据CEB-FIP所规定的混凝土强度发展函数考虑了混凝土的这一特性.Model / Property / Time Dependent Material(Comp. Strength)Name (Comp。Strength) ; Type> CodeDevelopment of Strength>Code> CEB-FIPConcrete Compressive Strength at 28 Days (S28)(4000)Cement Type(a) (N, R : 0.25)图7.定义随时间变化的混凝土强度发展函数参照图8将一般材料特性和时间依存材料特性相连接。即，将时间依存材料特性赋 予相应的材料。Model / Property / Time Dependent Material LinkTime Dependent Material TypeCreep/Shrinkage> Creep/ShrinkageComp。 Strength) Comp。StrengthSelect Material for Assign>Materials1：C400 Selected Materials图8。连接时间依存材料特性Line Grid Snap (off)；Section> 1: Beam0, 0)建立结构模型利用建立节点和扩展单元的功能来建立单元.Point Grid (off) ;Point Grid Snap (off);Front View ； Auto FittingModel>Nodes> Create NodesCoordinates (0, 0, 0)Model>Elements> Extrude ElementsSelect AllExtrude Type> NodeLine Element。Element Type> Beam ; Material> 1:C400General Type> TranslateTranslation > Equal Distance>dx,dy, dz> (2, Number of Times> (30)图9。建立几何模型定义结构组、边界条件组和荷载组为了进行施工阶段分析，将在各施工阶段(construction stage)所要激活和钝化的单 元和边界条件定义为组，并利用组来定义施工阶段。GroupStructure Group >NewDefine Structure GroupName ( S-G )； Suffix (1to2 )为了利用桥梁内 力图功能查看分析结 果而将其定义为组。Define Structure GroupName ( All ) Element Number (on)Select Window (Elements : 1 to 18)GroupStructure Group>S_G1 (Drag & Drop)Select Window (Elements : 19 to 30)Group>Structure Group > S_G2 (Drag & Drop)Select AUGroup>Structure GroupAll (Drag & Drop)新建边界组边界组名称的建立方法如下。C Group>Boundary GroupNewDefine Boundary Group > Name ( BG ) ; Suffix (1to2 )图11。建立边界组(Boundary Group)新建荷载组恒荷载组和预应力荷载组名称的新建方法如下。Group>Load GroupNewDefine Load Group>Name ( Selfweight )Define Load Group > Name ( Tendon ); Suffix ( 1to2 )图12。建立荷载组(L oad Group)输入边界条件边界条件的输入方法如下。Element Number (off) ; Node Number (on)Model / Boundary / SupportsSelect Single (Nodes : 1)Boundary Group Name>B-G1Options > AddSupport Type> Dy, Dz, Rx (on) JSelect Single (Nodes : 16)Boundary Group Name>B-G1Options > AddSupport Type>Dx, Dy, Dz, Rx (on) JSelect Single (Nodes : 31)Boundary Group Name>B-G2Options > AddSupport Type> Dy, Dz, Rx (on)J图13.定义边界条件输入荷载本例题针对恒荷载和预应力荷载进行施工阶段分析。移动荷载分析则需另行 输入移动荷载数据.Load / Static Load CasesName(恒荷载)Type (Construction Stage Load)JName(Prestress 1)Type(Construction Stage Load)JName (Prestress 2)Type(Construction Stage Load) J图14.输入静力荷载工况的对话框输入恒荷载使用自重功能输入恒荷载。Load / Self WeightLoad Case Name > 恒荷载Load Group NameSelfweightSelf Weight FactorZ (1)图15。输入恒荷载$ 当钢束施加张拉 力，维持其一定的成 变时，作用到钢束上 的张拉应力随时间的 推移逐渐减小，这个 现象称之为松弛(Relax ation)。MIDAS/Civil 采用Magura公式来考 虑钢束的松弛。松弛 系数为该式中与钢材 有关的常数，一般钢 材取值为10，低松弛 钢材取值45。详见用 户手 册AnalysisforCivil Structures 的 “预 应力损失”。输入钢束特性值Load/ Prestress Loads / Tendon PropertyTendon Name ( Tendon ) ； Tendon Type> InternalMaterial) 2 : TendonTotal Tendon Area (0.0042997) orTendon Area15.2mm (0O 6")Number of Tendon Area ( 31 ) JDuct Diameter (0.133);Relaxation Coefficient (45)$Curvature Friction Factor (0.3)； Wobble Friction Factor (0O0066)Ultimate Strength (190000)； Yield Strength (160000)Load Type) Post-Tension Anchorage Slip>Begin (0。006)； End (0。006)J输入钢束形状首先输入第一跨的钢束形状。Hidden(on) ;Element Number (on) ; Node Number (off)Model / Loads / Prestress Loads / Tendon ProfileTendon Name (Tendon 1) ； Tendon Property>TendonSelect Window (Elements : 1 to 18)Straight Length of Tendon) Begin (0); End (0)Profile$ 钩选固定(fix)的话 该点的斜率为所输入 的值，若不选则生成 拥有适当斜率的曲 线。1>x ( 0 ), y (0 ), z ( 1。5 ), fix (off) $2>x ( 12 ), y ( 0 ), z ( 0。2 ), fix (on), Ry ( 0 ) , Rz (0 )3x ( 30 ) , y ( 0 ), z ( 2.6 ), fix (on) , Ry ( 0 ) , Rz (0 )4>x ( 36 ), y (0 ), z (1.8 ), fix (off)Tendon Shape) StraightProfile Insertion Point ( 0, 0, 0) $X Axis Direction) Xo图17。定义钢束形状下面输入第二跨的钢束布置形状。Model / Loads / Prestress Loads / Tendon PrfeTendon Name (Tendon 2) ; Tendon Property) TendonSelect Window (Elements : 13 to 30)Straight Length of Tendon>Begin (0) ; End (0)Profile1x ( 24 ), y ( 0 ), z ( 2 ), fix (off)2x ( 30 ), y ( 0 ), z ( 2.8 ), fix (on), Ry ( 0 ), Rz ( 0 ) 3>x ( 48 ), y ( 0 ), z ( 0.2 ), fix (on) , Ry (0 ) , Rz ( 0 ) 4x ( 60 ) , y (0 ), z ( 1。5 ), fix (off)Tendon Shape) StraightProfile Insertion Point (0, 0, 0)X Axis Direction) X图18。定义第二跨的钢束布置形状下面按如下方法确认所输入的钢束的形状。Element Number (off)Display>Misc tab>Tendon Profile (on)>Name(on) ; Point (on)图19。确认输入的钢束形状$ 选择两端张拉时的 先张拉端。$ 定义对钢束孔道注 浆的施工阶段。注浆 前的应力按实际截面 计算，注浆后按组合 成的截面来计算。在 注浆中输入了 1意味着 在张拉钢束之后的施 工阶段注浆。输入钢束预应力荷载定义完钢束的形状后，在各施工阶段施加相应的预应力荷载。Load/ Prestress Loads / Tendon Prestress LoadsLoad Case Name>Prestress 1； Load Group NameTendon 1Tendon> Tendon 1 Selected TendonsStress ValueStress ； 1st Jacking> Begin $Begin (133000 ) ; End (133000 )Grouting : after ( 1 ) $图20.输入预应力荷载输入钢束2的预应力荷载。Load/ Prestress Loads / Tendon Prestress LoadsLoad Case Name> Prestress 2 ； Load Group Name> Tendon 2Tendon> Tendon 2 Selected TendonsStress Value) Stress ; 1st Jacking>BeginBegin (133000 ) ; End (133000 )Grouting : after ( 1 )图21。输入预应力荷载定义施工阶段本例题的施工阶段如表1所示.施工阶段持续时间 （天）结j构组边界组荷载仑且激活钝化激活钝化激活钝化cCS120SG 1B-G 1恒荷载Tendon 1CS220SG 2B-G 2Tendon 2cS310000施工阶段的结构组、边界组和荷载组Load / Construction Stage Analysis Data / Define Construction Stage图22.施工阶段输入窗口 J施工阶段分析模型的阶段是由基本、施工阶段、最后阶段组成的。基本阶段是对单元进行添加或删除、定义材料、截面、荷载和边界条件的阶段，可 以说与实际施工阶段分析无关，且上述工作只能在基本阶段进行。施工阶段是进行实际施工阶段分析的阶段，在这里可以更改荷载状况和边界条件.最后阶段是对除施工阶段荷载以外的其他荷载进行分析的阶段，在该阶段可以将 一般荷载的分析结果和施工阶段分析的结果进行组合。最后阶段可以被定义为施工阶 段中的任一阶段.图23.定义施工阶段1 (CS1图23.定义施工阶段1 (CS1)Load / Construction Analysis Control Data / Define Construction StageName ( CS 1 )； Duration ( 20 )Save ResultStage (on); Additional Step (on)Additional Step> Auto Generation) Step Number (5)Element tabGroup List>S-G1Activation>Age ( 5 )；Boundary tabGroup List> B 1Activation>Support / Spring Position) Deformed ;Load tabGroup List) Selfweight, Tendon 1Activation>Active Day> First ；Load / Construction Analysis Control Data / Define Construction StageName (CS 2 )； Duration (20 )Save Result>Stage (on); Additional Step(on)Additional Step> Auto Generation) Step Number (5)Element tabGroup List) S 2Activation) Age ( 5 )；Boundary tabGroup List) B-G2Activation) Support / Spring Position>Deformed；Load tabGroup List> Tendon 2Activation>Active Day> First ；图24.定义施工阶段2 (CS2)Load / Construction Analysis Control Data / Define Construction StageName (CS 3 )； Duration (10000)Save ResultStage (on); Additional Step(on)Additional Step> Auto Generation) Step Number (15)J图25.定义施工阶段3(CS3)完成建模和定义施工阶段后，在施工阶段分析选项中选择是否考虑材料的时间依 存特性和弹性收缩引起的钢束应力损失，并指定分析徐变时的收敛条件和迭代次数.Analysis / Construction Stage Analysis Control$ 最后阶段可指定为任一阶段，通过选择其它阶段来指定。Final Stage>Last Stage $Analysis Option) Include Time Dependent Effect (on)Time Dependent EffectCreep Shrinkage (on); Type> Creep & ShrinkageConvergence for Creep IterationNumber of Iteration ( 5 )； Tolerance ( 0。01 )$ 选择“自动分割时 间”的话，程序会对 持续一定时间以上的 施工阶段，在内部自 动生成时间步骤来考 虑长期荷载的效果。Auto Time Step Generation for Large Time Gap (on) $Tendon Tension Loss Effect (Creep & Shrinkage) (on) Variation of Elasticity (on)Tendon Tension Loss Effect (Elastic Shortening) (on) J图26。指定施工阶段分析选项输入移动荷载数据在施工阶段分析中，对于没有将类型定义为施工阶段荷载的一般静力荷载或移动 荷载的分析结果，可在最后阶段进行查看。本例题将在最后阶段查看对于移动荷载的 分析结果。Load / Moving Load Analysis Data / Traffic Line LanesLane Name ( Lanel )$ 该项为移动荷载加载方向的选项。Vehicle Load Distribution) Lane ElementMoving Direction> Both $Eccentricity ( 0 )$ 输入数据时也可输入数式。Impact Factor ( 15/(40+30) ) $Selection by>2 Points ( 1, 31 )图27。定义车道输入车辆荷载输入数据库中内含的标准车辆荷载C-AL和C-AD(20).荷载/移动荷载分析数据/车辆$ 标准车辆荷载数据 库中未包含的荷载可 通过用户定义来输 入。车辆添加标准车辆$标准车辆荷载 > 规范名称 > 中国城市桥梁荷载(CJJ7798)车辆荷载名称C-AL J ； C-AD (20) J图28.输入车辆荷载本例题中不考虑C-AL和C-AD(20)荷载同时在多条车道加载的情况，故在这里不定义 车辆组.下面输入移动荷载工况.Load / Moving Load Analysis Data / Moving Load CasesLoad Case Name ( Moving Load )Sub-Load Cases>Vehicle Class> VL : C-ALMin。 Number of Loaded Lanes ( 0 )Max. Number of Loaded Lanes ( 1 )List of Lanes> Lanel Selected Lane> LanelSub-Load Cases>Vehicle Class> VL : C-AD (20)Min。 Number of Loaded Lanes ( 0 )Max。 Number of Loaded Lanes ( 1 )List of LanesLane1 Selected Lane> Lane1图29.移动荷载工况的输入窗口图30。定义移动荷载工况运行结构分析Analysis / Perform Analysis查看分析结果$参照联机帮助的“桥梁内力图”。对于MIDAS/Civ il施工阶段分析的结果，可查看到某一施工阶段为止所累积的全部 构件的应力和位移$，也可查看某一单元随施工阶段的应力和位移的变化。$ 利用图形查看应力和构件内力$ 参照联机帮助的“阶段/步骤时程图形”。$ 合计是对于自重、 恒荷载、徐变和收缩、 钢束等分析结果的和。利用桥梁内力图查看施工阶段1 (CS 1)中截面下缘的应力。Stage > CS1Results / Bridge Girder Stress DiagramLoad Cases/Combinations>CS: Summation (on) $ ; Step> Last StepDiagram Type > Stress ；X-Axis Type> DistanceBridge Girder Elem。 Group > AllComponents to combine组合(on); 3(+y, -z)Allowable Stress Line>Draw Allowable Stress Line (on)Tens. ( 320 )图31.施工阶段1(CS1)中下缘应力曲线利用桥梁内力图查看在各施工阶段所发生的最大、最小应力.Stage > Min/MaxResults / Bridge Girder Stress DiagramLoad Cases/Combinations> CSmax ： Summation (on)CSmin: Summation (on)Diagram Type > Stress ； X一Axis Type> DistanceBridge Girder Elem。 Group>AllComponents to combine组合(on); 3(+y, +z)Allowable Stress Line> Draw Allowable Stress Line (off) jStage> Min/MaxResults / Bridge Girder Stress DiagramLoad Cases/Combinations> CSmax: Summation (on)CSmin: Summation (on)Diagram Type > Stress ; X-Axis Type> DistanceBridge Girder Elem. Group> AllComponents to combine组合(on)；3(+y，z)Allowable Stress Line> Draw Allowable Stress Line (off)j想详细查看应力曲线的某一特定区域的结果时，只要用鼠标框选该区域就可将其放大。点击鼠标右键选择恢复到初始画面即可回到原来状态。图32。在整个施工阶段发生的最大、最小应力图下面查看由徐变和收缩引起的弯矩。由徐变和收缩引起的弯矩按一次应力和二次 应力分别输出。由于徐变系数和收缩促使结构发生变形的力叫一次应力。而当结构处于超静定状 态时，结构会产生约束上述变形的约束力，这种力叫二次应力。Stage>CS3Results / Bridge Girder Stress DiagramLoad Cases/Combinations>CS : C&S Primary (on)CS : C&S Secondary (on)Step>Last StepDiagram TypeMoment ；X一Axis Type> DistanceBridge Girder Elem. Group> AllComponents to combine>-SbzGeneration Option> Current StageStep图33。由徐变和收缩引起的弯矩定义荷载组合StagePostCS$Results / Combinations对于未定义成为施工阶段荷载的其他荷载，将在最后施工阶段进行结构分析，并 对其结果进行组合。在这里将与移动荷载的分析结果进行组合，查看其容许应力 (Coml),而且会定义施工阶段荷载的分项系数来查看其极限强度(Com2).荷载组合 的定义步骤如下。$ 荷载组合的定义和删除只能在基本阶段和最后阶段进行，故需将阶段转换为最后阶段。Active (on)； Name ( Com1 )； Type> AddLoad Case>Summation(CS) ; Factor ( 1.0 )Load CaseMoving load (MV) ； Factor ( 1.0 )Active (on) ; Name ( Com2 ); Type> AddLoad Case> Self Weight(CS)； Factor (1.3 )Load Case> Tendon Secondary (CS); Factor ( 1.0 )Load Case>C/S Secondary (CS) ； Factor ( 1O 3 )Load CaseMoving load(MV) ； Factor (2o 15 )图34O定义荷载组合利用荷载组合查看应力在最后施工阶段查看施工阶段分析结果和移动荷载分析结果叠加起来的应力图 形。Stage > PostCSResults / Bridge Girder Stress DiagramLoad Cases/Combinations> CSmax： Com1 (on) ; CSmin : Com1(on)Diagram Type > Stress ；XAxis Type> DistanceBridge Girder Elem。 Group) AllComponents to combine组合(on); 3(+y, +z)Allowable Stress Line) Draw Allowable Stress Line (off)jComponents to combine组合 (on); 3(+y，-z)Allowable Stress Line> Draw Allowable Stress Line (off)j图35.施工阶段荷载和移动荷载叠加的应力图$ 阶段/步骤时程图形在模型窗口并处于施工 阶段才能被激活。Define FunctionBeam Force/Stress图37.生成应力变化图形的文本文件图37.生成应力变化图形的文本文件利用阶段/步骤时程图形来查看受正、负弯矩的部位在各施工阶段的应力变化.Model View。Results / Stage/Step History GraphBeam Force/Stress>Name (正弯矩端)；Element ID (10 )； StressPoint>JNode ； Components> Bend(z)Combine Axial (on) JBeam Force/Stress>Name (负弯矩端)； Element ID ( 15 ) ; StressPoint>JNode ; Components> Bend (+z)Combine Axial (on) JMode> Multi FunCo； Step OptionAll StepsCheck Function to Plot正弯矩端(on)；负弯矩端(on)Load Cases/Combinations > SummationGraph Title ( Stress History ) 图36.特定位置随施工阶段的应力变化图形在阶段/步骤时程图形上点击鼠标右键会出现关联菜单，利用关联菜单的以文本格 式保存图表可将各施工阶段的应力变化结果以文本形式保存。Save Graph as Text文件名(N)( Stress History ) J利用表格查看应力利用表格查看施工阶段分析的结果时，可通过在激活纪录对话窗口对单元、荷 载、施工阶段、单元应力的输出位置等进行选择来分类查看。下面利用表格查看支承 位置（单元15）的施工阶段应力变化。Results / Results Table / Beam / StressNode or Element>Element ( 15 )Loadcase/Combinations> Summation (CS) (on)$ 按Shift键全选CS1： 001 到CS3：017 所有 的施工阶段。Stage/Step> CS1:001(first) CS3 : 017(last) (on) $Part Number Part j (on)图38.各施工阶段应力结果表格查看钢束的分析结果现在查看由于预应力损失而引起的各施工阶段的张力变化。预应力钢束预应力损失图 表只能对当前施工阶段中所包含的钢束查看张力变化，故应先将施工阶段转换到包含 相应钢束的施工阶段后再选择预应力钢束预应力损失图表钢束在各施工阶段的应力 变化还可通过点击按动画来查看.Results / Tendon TimeDependent Loss GraphTendon) Tendon 1图39.预应力钢束预应力损失图表查看钢束坐标MIDAS/CivilW在包含钢束的单元的4等分点，通过表格来查看该处钢束的坐标.Results / Result Tables / Tendon / Tendon Coordinates图40。钢束坐标表格查看钢束伸长量对钢束的伸长量可通过表格查看.Results / Result Tables / Tendon / Tendon Elongation图41.钢束伸长量表格查看荷载组合条件下的内力下面查看系数荷载组合条件下的弯矩。Model ViewStage > Final StageResults / Forces / Beam DiagramsLoad Cases/Combinations> CB： Comb2Components> MyDisplay Options>5Points, No Fill, Scale ( 1.0 )Type of Display> Contour (on) ; Legend (on)图42。荷载组合条件下的弯矩图