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1、Midas FEA在桥梁工程中的应用资料制作日期：2021.10.13对应软件版本：FEA 1.0随着桥梁工程技术的开展，对于有限元分析得要求也越来越高端，诸如：遇到“宽桥、异型桥、 锚固端等复杂结构的受力状态、“桥有裂缝了还能不能用，假设要加固需要怎样加固？ 等问题的时 候，现有的三维杆系有限元软件远远不能到达计算需求。midas FEA是目前唯一全部中文化的土木专用非线性及细局部析软件，它的几何建模和网格划分技术采用了在土木领域中已经被广泛应用的前后处理软件midas FX+的核心技术，同时融入了 MIDAS强大的线性、非线性分析内核，并与荷兰TNO DIANA公司进行了技术合作，是一款专
2、门适用于土木领域的高端非线性分析和细局部析软件。下面针对midas FEA在桥梁工程中的应用进行说明，并通过预应力钢筋混凝土箱梁桥例题详细介 绍midas FEA预应力钢筋混凝土裂缝模拟：1. Midas FEA在桥梁工程中的应用(1)详细分析弯桥的翘曲应力验算锚固区域的设计多支座反力的准确计算全桥仿真横向分析详细的扭转模态整体式桥梁抗震时的整体联动效果(2)特征值分析(自振周期、线性屈曲)局部失稳(3)时程分析(反响谱分析、时程分析)(4)材料非线性/几何非线性分析(5)界面单元计算钢混叠合梁的剪力钉数量模拟混凝土的离散裂缝(弯曲裂缝)、膨胀裂缝(剪切裂缝计算钢筋和混凝土之间的粘结滑移计算钢
3、板加固方案中钢板与混凝土的粘接特性模拟混凝土与混凝土之间冷缝(6)钢筋单元桁架+混凝土单元：完全耦合无相对位移桁架+界面+混凝土单元：完全耦合有相对位移钢筋单元+母单元(嵌入式钢筋)：不必耦合由实体节点应变映射到钢筋单元节点 上，可考虑摩擦损失、钢筋回缩损失、弹性变形损失、收缩和徐变损失。嵌入式钢筋(7)裂缝模型钢筋混凝土结构的裂缝分析(极限承载力计算)结构的详细分析钢束锚固区在使用状态下的平安性验算模拟螺旋筋和箍筋的约束作用下或钢管等约束作用下混凝土强度的提高(8)接触分析钢梁的螺栓、钏钉连接拱桥吊杆与销拴的接触主缆与鞍座的接触(9)疲劳分析卅h(10) 热传递分析(火灾分析等)制柄忻面板热
4、交磁时尊不意 一二| 二|1匚：T1-i -*，T真二jJ+ 贴1，控除制不而植克圈水平百力工才了 = r 4fqt购克利相树画胡维向h度三HGJTi 4,皿口.teJ后证声所面原克臣比邦动生命周期?小栋强C损伤度，济， 钢桥的疲劳分析?通过珏后却以解幸鹿熏出幡性 B 44 -H，匕 -4.(二11=- r, j 11试3果司站折法里的比融鹿跑带面廓mz假设嘲浇注式沥青铺装(11)水化热分析高温沥青浇注分析地铁火灾分析大体积混凝土裂缝分析(12) CFD 分析桥梁断面快速优化计算三分力系数桥梁抗风稳定性2. Midas FEA钢筋混凝土结构裂缝例题Midas FEA作为一种非线性及细局部析软件
5、，能够准确方便的模拟桥梁工程中经常发生一种力学 现象一一混凝土开裂。为了使大家更好地了解这一功能，下面通过一个预应力箱梁桥开裂模型分析说 明，midas FEA中裂缝模型使用流程以及特点。本例题桥梁是总长为250m的五跨连续箱梁桥，中跨跨中16m区段采用了实体单元建模，混凝土材 料采用了总应变裂缝(Total Strain Crack)模型，其中受压裂缝模型采用了 Thorenfeldt模型，受拉裂缝 模型采用了 Constant模型。考虑的荷载有自重、活载以及预应力荷载，非线性分析时将对活荷载进行 荷载步分割，加载到破坏为止。主要操作过程简图(1)材料定义一一混凝土总应变裂缝模型和预应力钢筋
6、混凝土特性定义一一总应变模型裂缝模型根据确定裂缝方向的方法，总应变裂缝模型又分为固定裂缝模型(fixed crackmodel)和转动裂缝模型(rotating crack model)两种。前者假设裂缝一旦出现其方向就不再发生变化，后者那么是裂缝方向始终与主拉应变方向垂直。刚度选择计算刚度矩阵的方法，有切线刚度和割线刚度两个选项。横向裂缝效应(Lateral Crack Effect)决定横向裂缝对抗压强度的影响，前面的不考虑选项表示不考虑，后面的选项表示 考虑横向裂缝对减小抗压强度的影响。约束效应(Confinement Effect)决定混凝土横向约束的影响，前面的不考虑选项表示不考虑横
7、向约束效应，后面的选项表示考虑横向约束对提高混凝土强度的影响。根本特性(Basic Properties)直接输入表示用户将自行输入抗裂分析中需要的材料特性值，采用标准表示使用规范中推荐的材料特性值。midas FEA中提供CEB-FIP 1990标准。在总应变裂缝模型中还可以定义受拉、受压、受剪应力函数，根据定义的函数不 同，混凝土的受拉和受压区域的形状不同。受压特性函数受压状态下，随着各向同性应力的加大，混凝土的强度和延性都将加大。通过合理 定义受压状态下的应力应变关系，可以反响各向同性应力的影响。受压状态下的应 力应变根本函数用,和与来表达，可以由用户定义曲线也可以使用程序提供的函数 。
8、本例题采用程序提供的 Thorenfeldt硬化模型。受拉特性函数以总应变为根底的受拉模型有线弹性、理想破坏、脆性、线性软化、指数软化、Hordijk、折线型软化以及用户自定义本构模型。以上模型可以分为基于断裂能 (Fracture energy)的软化本构模型和与断裂能无直接关系的受拉本构模型。本例题采 用理想破坏(Constant)本构模型。预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦产生预应力损失锚具滑移产生的预应力损失考虑预应力损失的预应力钢筋特性定义(2)网格划分混凝土六面体网格和预应力钢筋网格不需要考虑协调性嵌入式钢筋单元(非协调)(3)荷载边界添加(4)分析求解控制施工阶段定义非线性分析控制材料
9、非线性：因为本例题是做材料非线性分析，所以需要勾选物料非线性选项，如果预想会发生大变形的话需要勾选几何非线性迭代计算方法：非线性分析需要通过迭代计算才能得到收敛解，程序中提供了四种迭代计算的方 法。初始刚度法(Initial Stiffness Method)当采用其它迭代计算法计算有不稳定倾向 时可选择此方法。优点是容易得到稳定的解，缺点是收敛速度较慢。修正的牛顿拉普森法 (Modified Newton-Raphson Method)一般的牛顿拉普森法在每个位移步(incremental displacement)上都要计算新的切线模量和内力，而修正方 法那么是省略了计算切线刚度的过程只计
10、算内力。与一般的牛顿拉普森方法相比，需 要更多的迭代计算步骤，所以收敛速度较慢，但是在每个迭代计算步骤内的计算时 间较短。牛顿拉普森法(Newton-Raphson Method)在每个迭代计算步骤内都要更新切线刚度，优点是收敛速度快，即通过较少的步骤也可以到达收敛。弧长法(Arc-Length Method)弧长法是将位移增量标准作为约束条件并同时调整位移增量的方法，即位移增量不是固定的，而是在迭代计算过程中自动进行调整。(5)后处理结果单元状态裂缝状态分为未发生裂缝局部、裂缝关闭局部、加载和卸载时裂缝完全张开局部 和局部张开局部。Q D Il本才药工tt+mi方相，皿 IfcrJuMr A
11、r. castws=宁HurLrwdj4riiKTVlRil mwc EIME JTTiWE 5TMZ5TMZ rrME 5TMZ 5TMZ rruz rrMZ十JUr 三2a, nzr 斯mr 2; mr 1t 5IZFE, 5TZF Z, FrtF z, fufE, 5TIF , euf 工mr3LLT 如 1CLF 3 山(LF 11F 10/ 11Tm, i LEnViE dl 皿 1E 口. zhd, i btri d.皿 i El 口.啊1询 D. MC, I K I D. BCV, IE D. IDO, 1 5 口.，吗1询 PifWnpan-taadnpED F：fWL sila 乳 n 口RT1 Filfropari，灯+Jli。百 Fillip4n s inhadriDED CkiMd口 Nd crack Ml w缈京膈至 V冕究国力 飞近田力J用香下更面工措ZE国且堂;由-学I l3 I , ,I wia cixM-iruiuMiKlIlfiHj . nm: 2. i-ir bGJ wjmj . tz-ac-jam., oupu csh r.k .iipLUiiiLi语口二灯的信三*b型祁丁云昆三附与、irQirii d * Pnst MjU Ffc 1*a备受* iisn裂缝模式发生裂纹的位置用圆形标记表示，圆片的法向就是开裂方向，圆的大小代表裂缝的大小。
