midas施工阶段分析.docx
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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=2@30=60。
0m
区分
钢束坐标
x(m)
0
12
24
30
36
48
60
钢束1
z(m)
1.5
0.2
2。
6
1。
8
钢束2
z(m)
2.0
2。
8
0。
2
1.5
图2。
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
❑混凝土
设计强度:
初期抗压强度:
弹性模量:
Ec=3,000Wc1.5√fck+70,000=3。
07×105kgf/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
❑预应力钢束(KSD7002SWPC7B-Φ15.2mm(0.6˝strand)
屈服强度:
→
抗拉强度:
→
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
❑恒荷载
自重
在程序中按自重输入
❑预应力
钢束(φ15。
2mm×31(φ0.6˝-31))
截面面积:
Au=1.387×31=42。
997cm2
孔道直径:
133mm
张拉力:
抗拉强度的70%
fpj=0。
7fpu=13,300kgf/cm2
Pi=Au×fpj=405.8tonf
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
❑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:
CEB—FIP
徐变系数:
程序计算
混凝土收缩变形率:
程序计算
❑活荷载
适用规范:
城市桥梁设计荷载规范
荷载种类:
C—AL
C—AD(20)
设置操作环境
打开新文件(新项目),以‘PSCbeam’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。
File/NewProject
File/Save(PSCbeam)
Tools/UnitSystem
Length>m;Force〉tonf↵
图3。
设置单位体系
定义材料和截面
下面定义PSCbeam所使用的混凝土和钢束的材料特性。
Model/Properties/Material
同时定义多种材料特性时,使用键可以连续输入。
Type〉Concrete;Standard>KS-civil(RC)
DB>C400↵
Name(Tendon);Type〉UserDefined;Standard>None
AnalysisData
ModulusofElasticity(2.1e7)↵
图4.定义材料对话框
定义截面
PSCbeam的截面使用比较简单的矩形截面来定义。
Model/Properties/Section
DB/User>SectionID
(1);Name(Beam)
SectionType〉SolidRectangle>User
H(3);B
(2)
Offset〉Center—Bottom↵
图5。
定义截面的对话框
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。
Ø28天强度:
fck=400kgf/cm2
Ø相对湿度:
RH=70%
Ø理论厚度:
1。
2m(2Ac/u=2x6/10=1.2)
Ø混凝土种类:
普通水泥(N。
R)
Ø拆模时间:
3天
Model/Property/TimeDependentMaterial(Creep&Shrinkage)
Name(Creep/Shrinkage);Code〉CEB—FIP
Compressivestrengthofconcreteattheageof28days(4000)
Relativehumidityofambientenvironment(40~99)(70)
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。
Notationalsizeofmember(1.2)
Typeofcement>Normalorrapidhardeningcements(N,R)
Ageofconcreteatthebeginningofshrinkage(3)↵
图6。
定义材料的徐变和收缩特性
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/TimeDependentMaterial(Comp.Strength)
Name(Comp。
Strength);Type〉Code
DevelopmentofStrength>Code>CEB-FIP
ConcreteCompressiveStrengthat28Days(S28)(4000)
CementType(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/TimeDependentMaterialLink
TimeDependentMaterialType〉Creep/Shrinkage〉Creep/Shrinkage
Comp。
Strength〉Comp。
Strength
SelectMaterialforAssign>Materials〉
1:
C400SelectedMaterials
图8。
连接时间依存材料特性
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.
PointGrid(off);PointGridSnap(off);LineGridSnap(off)
FrontView;AutoFitting
Model>Nodes>CreateNodes
Coordinates(0,0,0)
Model>Elements>ExtrudeElements
SelectAll
ExtrudeType〉Node→LineElement。
ElementType>Beam;Material>1:
C400;Section>1:
Beam
GeneralType〉Translate
Translation〉EqualDistance>dx,dy,dz>(2,0,0)
NumberofTimes>(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(constructionstage)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。
Group〉StructureGroup>New…
DefineStructureGroup〉Name(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。
DefineStructureGroup〉Name(All)
ElementNumber(on)
SelectWindow(Elements:
1to18)
Group〉StructureGroup>S_G1(Drag&Drop)
SelectWindow(Elements:
19to30)
Group>StructureGroup〉S_G2(Drag&Drop)
SelectAll
Group>StructureGroup〉All(Drag&Drop)
图10。
定义结构组(StructureGroup)
新建边界组
边界组名称的建立方法如下。
Group>BoundaryGroup〉New…
DefineBoundaryGroup〉Name(B—G);Suffix(1to2)
图11。
建立边界组(BoundaryGroup)
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>LoadGroup〉New…
DefineLoadGroup>Name(Selfweight)
DefineLoadGroup〉Name(Tendon);Suffix(1to2)
图12。
建立荷载组(LoadGroup)
输入边界条件
边界条件的输入方法如下。
ElementNumber(off);NodeNumber(on)
Model/Boundary/Supports
SelectSingle(Nodes:
1)
BoundaryGroupName>B-G1
Options〉Add
SupportType〉Dy,Dz,Rx(on)↵
SelectSingle(Nodes:
16)
BoundaryGroupName>B-G1
Options〉Add
SupportType>Dx,Dy,Dz,Rx(on)↵
SelectSingle(Nodes:
31)
BoundaryGroupName>B-G2
Options〉Add
SupportType>Dy,Dz,Rx(on)↵
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/StaticLoadCases
Name(恒荷载)
Type(ConstructionStageLoad)↵
Name(Prestress1)
Type(ConstructionStageLoad)↵
Name(Prestress2)
Type(ConstructionStageLoad)↵
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/SelfWeight
LoadCaseName>恒荷载
LoadGroupName〉Selfweight
SelfWeightFactor〉Z(—1)
图15。
输入恒荷载
输入钢束特性值
Load/PrestressLoads/TendonProperty
TendonName(Tendon);TendonType>Internal
Material〉2:
Tendon
TotalTendonArea(0.0042997)
or
TendonArea〉15.2mm(0。
6")
当钢束施加张拉力,维持其一定的应变时,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(Relaxation)。
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AnalysisforCivilStructures的“预应力损失”。
NumberofTendonArea(31)↵
DuctDiameter(0.133);RelaxationCoefficient(45)
CurvatureFrictionFactor(0.3);WobbleFrictionFactor(0。
0066)
UltimateStrength(190000);YieldStrength(160000)
LoadType〉Post-Tension
AnchorageSlip>Begin(0。
006);End(0。
006)↵
图16。
输入钢束特性值
输入钢束形状
首先输入第一跨的钢束形状。
Hidden(on);ElementNumber(on);NodeNumber(off)
Model/Loads/PrestressLoads/TendonProfile
TendonName(Tendon1);TendonProperty>Tendon
SelectWindow(Elements:
1to18)
StraightLengthofTendon〉Begin(0);End(0)
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。
Profile
1>x(0),y(0),z(1。
5),fix(off)
2>x(12),y(0),z(0。
2),fix(on),Ry(0),Rz(0)
3〉x(30),y(0),z(2.6),fix(on),Ry(0),Rz(0)
4>x(36),y(0),z(1.8),fix(off)
TendonShape〉Straight
ProfileInsertionPoint(0,0,0)
XAxisDirection〉X↵
图17。
定义钢束形状
下面输入第二跨的钢束布置形状。
Model/Loads/PrestressLoads/TendonProfile
TendonName(Tendon2);TendonProperty〉Tendon
SelectWindow(Elements:
13to30)
StraightLengthofTendon>Begin(0);End(0)
Profile
1〉x(24),y(0),z
(2),fix(off)
2〉x(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)
4〉x(60),y(0),z(1。
5),fix(off)
TendonShape〉Straight
ProfileInsertionPoint(0,0,0)
XAxisDirection〉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。
ElementNumber(off)
Display>Misctab>TendonProfile(on)>Name(on);Point(on)↵
图19。
确认输入的钢束形状
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/PrestressLoads/TendonPrestressLoads
LoadCaseName>Prestress1;LoadGroupName〉Tendon1
Tendon>Tendon1SelectedTendons
StressValue〉Stress;1stJacking>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/PrestressLoads/TendonPrestressLoads
LoadCaseName>Prestress2;LoadGroupName>Tendon2
Tendon>Tendon2SelectedTendons
StressValue〉Stress;1stJacking>Begin
Begin(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.
表1。
各施工阶段的结构组、边界组和荷载组
施工阶段
持续时间(天)
结构组
边界组
荷载组
激活
钝化
激活
钝化
激活
钝化
CS1
20
S—G1
B-G1
恒荷载
Tendon1
CS2
20
S—G2
B-G2
Tendon2
CS3
10000
Load/ConstructionStageAnalysisData/DefineConstructionStage
图22.施工阶段输入窗口
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.
下面定义施工阶段1(CS1)。
Load/ConstructionAnalysisControlData/DefineConstructionStage
Name(CS1);Duration(20)
SaveResult〉Stage(on);AdditionalStep(on)
AdditionalStep〉AutoGeneration〉StepNumber(5)
Elementtab
GroupList>S-G1
Activation>Age(5);
Boundarytab
GroupList>B—G1
Activation>Support/SpringPosition〉Deformed;
Loadtab
GroupList〉Selfweight,Tendon1
Activation>ActiveDay>First;↵
图23.定义施工阶段1(CS1)
定义施工阶段2(CS2)。
Load/ConstructionAnalysisControlData/DefineConstructionStage
Name(CS2);Duration(20)
SaveResult>Stage(on);AdditionalStep(on)
AdditionalStep〉AutoGeneration〉StepNumber(5)
Elementtab
GroupList〉S—G2
Activation〉Age(5);
Boundarytab
GroupList〉B-G2
Activation〉Support/SpringPosition>Deformed;
Loadtab
GroupList>Tendon2
Activation>ActiveDay>First;↵
图24.定义施工阶段2(CS2)
下面定义施工阶段3(CS3)。
在施工阶段3中结构体系、边界条件、荷载没有变化,只是进行持续时间为10,000天的时间依存性分析。
Load/ConstructionAnalysisControlData/DefineConstructionStage
Name(CS3);Duration(10000)
SaveResult〉Stage(on);AdditionalStep(on)
AdditionalStep〉AutoGeneration〉StepNumber(15)↵
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.
最后阶段可指定为任一阶段,通过选择其它阶段来指定。
Analysis/ConstructionStageAnalysisControl
FinalStage>LastStage
AnalysisOption〉IncludeTimeDependentEffect(on)
TimeDependentEffect
CreepShrinkage(on);Type>Creep&Shrinkage
ConvergenceforCreepIteration
NumberofIteration(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
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