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1、 39 施工阶段施工阶段 大跨大跨满堂支架满堂支架桥梁安全性分析桥梁安全性分析 midas FEA Case Study Series 1. 概要概要 本例题为大跨满堂支架桥梁主桥与引桥连接部的详细分析例题。通过MIDAS /FEA与Civil程序进行实体单元详细分析和杆系模型分析，验证结构的安全 性。分析对象为370m三跨连续变宽箱梁，两线连接部位的主梁截面为变 宽段，仅用杆系分析是无法得到精确解的。 2. 桥梁信息桥梁信息 2.1 桥梁桥梁几何几何信息信息 桥梁类型：桥梁类型： 三跨连续箱梁（满堂支架施工方法） 桥梁跨径：桥梁跨径： L = 70.0+70.0+ 70.0 = 210.0
2、m 桥梁宽度：桥梁宽度： B = 16.370m25.690 m 2.2 分析条件分析条件 本桥施工顺序如下图所示，考虑收缩徐变特性进行施工阶段分析。 14.022614.08265732.3001.37016.3702.3005871.2004.878016.060616.497215.156914.278713.506919107409107405005004004004051.5001.5583003005004021.5001.5752804002204001.0004003003.0007002.3001.37016.3702.0002.3007002.0001.200终点截面 桥梁
3、横断面图桥梁横断面图 起点截面(主线与引线相交处) 4002201.0004004003002803.0004507507002.3002.0005.5707002.00025.6906207502.3005005.5707407401.2005802.3006.23050225.6902.3001.3704001.5003006.3001.5004083004001871.0004004003002802.9674.022611 6.94861 4.25261 4.651211 4.69704.42361 6.84874.08261平面图 BB-10BB-12BB-5BB-7 BB-9BB-
4、11100200300ETC STA 2+334.565STA 2+201.232EC70.000A=400600700STA. 0+540.116RAMP-C30069.85069.525950BB-8164.151STA. 2+126.000纵断面图 桥梁平面图桥梁平面图 施工顺序施工顺序 施工支架 A1 P1P2P3P4P5A1 P1P2P3P4P5A1 P1P2P3P4P5A1 P1P2P3P4P5第一施工阶段 第一跨模版安装 / 浇筑混凝土 / 张拉预应力第二施工阶段 第二跨模版安装 / 浇筑混凝土 / 张拉预应力 第三施工阶段 第三跨模版安装 / 浇筑混凝土 / 张拉预应力 40
5、大跨满堂支架桥梁的安全性分析 midas FEA Case Study Series 3. 模型模型 对结构进行施工阶段分析，查看施工过程中的自重、预应力荷载等效应以及 成桥阶段的二期荷载的效应。首先在midas FEA程序中建立主梁结构的几何 体模型，然后通过“自动网格划分”功能来生成实体网格单元。 3.1 分析模型分析模型 (1) 对全桥模型进行实体单元建模分析，采用四面体单元建立混凝土箱梁， 共划分为15万个左右的四面体网格。 (2) 钢束采用程序中的植入式单元（钢筋单元）来建模。 几何体模型几何体模型 为了生成主梁网格单元建立的几何体模型 为了生成钢束单元建立的几何曲线 建立模型建立模
6、型 自动网格划分 横隔板细部网格 预应力钢筋单元 三维透视图三维透视图 41 大跨满堂支架桥梁的安全性分析 midas FEA Case Study Series 二期荷载二期荷载 边界条件边界条件 梁单元模型梁单元模型 3.2 材料及截面特性材料及截面特性 (1) 混凝土及钢筋材料特性 材料名称材料名称 E(MPa) (kN/m3) 混凝土(45MPa) 31,000 25 钢材(钢束) 200,000 78.5 (2) 钢材的材料特性 材料名称材料名称 尺寸尺寸 根数根数(EA) 面积面积(m2) 张拉荷载张拉荷载(tonf) 钢束 0.6 inch (15.2 mm) 22 0.0030
7、51 405.83 (3) 计算钢束预应力损失的参数 预应力钢筋与管道壁之间的摩擦系数 : =0.25 (1/rad.) 管道每米局部偏差对摩擦的影响系数 : k=0.0050 (1/m) 锚具变形 : 0.006 (m) 3.3 边界条件及荷载条件边界条件及荷载条件 对支座尺寸范围内的区域按刚性连接处理后，添加约束条件。施加桥面铺装 荷载与防撞墙二期荷载。 3.4 梁单元梁单元模型模型 梁分析模型如下图所示，使用MIDAS/Civil 2006程序进行分析。 42 大跨满堂支架桥梁的安全性分析 midas FEA Case Study Series 4. 分析结果分析结果 对上述两个模型进行
8、四阶段施工阶段分析，分析中考虑时间依存材料特性。 比较各施工阶段的应力分布结果，特别是要查看桥梁起点（主线与引线连接 部）的详细应力分布情况。 4.1 反力结果反力结果 查看梁单元模型与实体单元模型的反力结果。每个支点设置三个支座，梁单 元模型中为了模拟多支座，利用刚性连接与弹性连接来建模（如下图所 示）。 下图是在各施工阶段发生的支座反力结果。对于线框架模型定义多支座时， 一般采用刚臂直接连接边界条件的方法或刚性连接与弹性连接（如本例题） 建模方法，前者计算的反力大部分集中在内侧支座，后者计算的反力由三个 支座均匀分担（如下图所示）。但如本例题详细分析结果，反而是外侧支座 分担了更多的荷载。
9、对于此类复杂结构，仅采用梁单元模型分析反力结果是 不准确的，必需要进行三维实体分析来求出精确解。 4.2 应力结果应力结果 梁单元模型的各施工阶段纵向应力分布如下图。因为施加了预应力荷载，上 下缘的应力均为受压状态。下缘的应力不连续的原因是预应力钢筋的张拉力 引起的。上缘最大压应力结果8.13MPa10.08MPa，下缘的最大压应力结果 为6.74MPa9.28MPa。 实体单元反力结果实体单元反力结果(kN) 线框架分析反力结果线框架分析反力结果(kN) A1_Civil 20064149.54149.54149.50.0500.01000.01500.02000.02500.03000.0
10、3500.04000.04500.0123LocationReaction ForceP1_FEA12200.09690.011580.002000400060008000100001200014000123LocationReaction ForceP1_Civil 200611529.811529.811529.802000400060008000100001200014000123LocationReaction ForceP2_FEA12900.010740.012460.002000400060008000100001200014000123LocationReaction Forc
11、eP2_Civil 200611529.311529.311529.302000400060008000100001200014000123LocationReaction ForceA2_FEA7577.02390.06097.0010002000300040005000600070008000123LocationReaction ForceA2_Civil 20064864.15184.85470.001000200030004000500060007000123LocationReaction ForceA1_FEA4543.03070.04998.00.01000.02000.030
12、00.04000.05000.06000.0123LocationReaction Force第一施工阶段 上缘应力 下缘应力 实体单元模型的支座 桥梁边界条件桥梁边界条件 梁单元模型的支座 P5_FEA P5_Civil 2006 P4_FEA P4_Civil 2006 P3_FEA P3_Civil 2006 P2_FEA P2_Civil 2006 43 大跨满堂支架桥梁的安全性分析 midas FEA Case Study Series 截面应力查看位置截面应力查看位置 下图是实体单元模型的各施工阶段纵向应力分布图。上缘最大压应力为9.97 MPa11.45MPa，下缘的最大压应力为
13、10.5MPa13.4MPa。 将上述两种分析结果用图表方式进行比较，比较下图所示位置的各施工阶段 的应力结果。 从应力比较图中可以看出梁单元模型与实体单元模型的结果差异还是非常明 显的。梁单元模型相对实体单元模型，第一施工阶段的上缘应力结果偏大， 下缘应力偏小。支座截面上缘应力在所有施工阶段都有差异。这时因为梁单 元模型中模拟的横隔梁的作用使梁单元模型在支座位置的截面沿横向应力均 匀变小，而实体单元模型在靠近悬臂翼缘外端部应力减小率会降低。 在第一施工阶段的应力比较中看出，内侧支座区域以及腹板钢束锚固区域的 应力差异很大。P1支点处的实体单元的分析结果为，顶板外边缘应力约为-6. 0 MPa
14、，顶板中心为-2.6MPa。梁单元模型的顶板上缘应力约为-3.5MPa， 与实体单元的顶板中心的应力较接近。这是因为截面有剪力滞效应，负弯矩 对顶板外边缘的应力影响相对较小。 钢束锚固点处的梁单元模型的截面上、下缘应力约为-2.5MPa和-6.0MPa， 而实体单元分析分析结果为0.0MPa和-1.5MPa。这是因为实体单元分析的预 应力荷载的应力大部分集中在腹板上的原因，实体单元分析的结果更接近于 真实情况。 上缘应力上缘应力(MPa) 下缘应力下缘应力(MPa) Stage01-11.0-10.0-9.0-8.0-7.0-6.0-5.0-4.0-3.0-2.0-1.00.01.002040
15、6080100DistanceNormal StressFrame Solid-S Solid-CStage01-9.0-8.0-7.0-6.0-5.0-4.0-3.0-2.0-1.00.01.00102030405060708090DistanceNormal StressFrame Solid-S Solid-CStage02 -10.0-9.0-8.0-7.0-6.0-5.0-4.0-3.0-2.0-1.00.01.0020406080100120140160DistanceNormal StressFrame Solid-S Solid-CStage02 -12.0-11.0-10.0
16、-9.0-8.0-7.0-6.0-5.0-4.0-3.0-2.0-1.00.01.0020406080100120140160DistanceNormal StressFrame Solid-S Solid-CStage03 -10.0-8.0-6.0-4.0-2.00.02.0050100150200DistanceNormal StressFrame Solid-S Solid-CStage03 -11.0-10.0-9.0-8.0-7.0-6.0-5.0-4.0-3.0-2.0-1.00.01.0050100150200DistanceNormal StressFrame Solid-S Solid-C梁单元模型梁单元模型各施工阶段应力结果各施工阶段应力结果 第四施工阶段 上缘应力 下缘应力 第二施工阶段 上缘应力 下缘应力 第三施工阶段 上缘应力 下缘应力 第二施工阶段 第三施工阶段 实体单元实体单元
