關于MIDAS/Civil懸索橋分析的一些功能說明

1)建模助手的功能

使用簡化方法計算獲得索的水平張力和主纜的初始形狀,利用懸索單元的柔度矩陣重新進行迭代分析。當獲得了所有主纜單元的無應力長之后,則構成由主纜和吊桿組成的索的體系,即,主纜兩端、索塔墩底部、吊桿下端均按固接處理。當將無應力索長賦予懸索單元時,將產生不平衡力引起結構變形,然后通過坐標的變化判斷收斂與否,當不收斂時則更新坐標重新計算無應力索長直至收斂,建模助手分析結束。

2)懸索橋分析控制

以建模助手生成的主纜坐標、無應力索長、水平張力為基礎進行懸索橋整體結構的初始平衡狀態分析。

對于地錨式懸索橋,其通過建模助手建立的模型,若小范圍地調整加勁梁,對索的無應力長度和主纜坐標影響不是很大,因此一般來說直接采用建模助手的結果即可,當需要做精密的分析時也可采用懸索橋分析控制功能進行第二階段分析。

而自錨式懸索橋,由于其加勁梁受較大軸力的作用,加勁梁端部和索墩錨固位置會發生較大變化,即主纜體系將發生變化,所以從嚴格意義來說建模助手獲得的索體系和無應力長與實際并不相符。因此必須對整體結構重新進行精密分析。其過程如下:將主纜和吊桿的力按靜力荷載加載到由索塔墩和加勁梁組成的桿系結構上,計算加勁梁和索塔墩的初始內力,并將其作用在整體結構上。通過反復計算直至收斂,獲得整體結構的初始平衡狀態。(參考MIDAS主頁技術資料《自錨式懸索橋的計算》)

3)對于初始荷載的說明

從671版本開始,在“荷載/初始荷載”中,分為大位移和小位移兩項,其內又分為幾何剛度初始荷載、平衡單元節點內力、初始荷載控制數據、初始單元內力共4項內容。其作用分別如下:

l 大位移/幾何剛度初始荷載:

     描述當前荷載作用之前的結構的初始狀態。可由懸索橋建模助手自動計算給出結構的初始平衡狀態。

用戶輸入幾何剛度初始荷載進行非線性分析時,不需定義相應的荷載工況,程序會自動在內部考慮相應荷載和內力,使其達到平衡,因此此時位移為0。如果用戶又定義了荷載工況,則荷載相當于雙重考慮,此時不僅會發生位移,而且內力也會增加1倍左右。

幾何剛度初始荷載的概念,可以說是為了描述一個有一定初始內力和剛度的、位移為0的成橋狀態。此時有新的荷載參與作用時,我們可以通過分析得到新的作用引起的位移和內力,注意:其中內力結果包含成橋狀態的內力。

因此,在進行懸索橋倒拆分析時,不需定義自重,但在鈍化構件的同時,需要在索的吊桿連接位置輸入與構件重量相同的反向節點荷載。

l 大位移/平衡單元節點內力:   

     該功能只適用于施工階段分析中選擇非線性分析的獨立模型,并且鉤選了“包含平衡單元節點內力”選項時的情形。

進行斜拉橋或懸索橋逆施工階段分析時,通過計算由張拉力和恒載導致的成橋狀態的節點力和構件內力,可以考慮在相應成橋荷載作用下,位移為0的狀態。即,提前使結構存在與外力相平衡的內力,從而使結構不發生變形。(但由于平衡單元節點內力的結果是通過對成橋狀態進行線性分析而得到的,因此考慮平衡單元節點內力后進行非線性分析時,會發生一些位移,但位移量會很小)

因此,需要定義自重等的荷載工況。在倒拆分析時,只要鈍化構件即可,不需加反向的節點荷載。

與幾何剛度初始荷載的方式的差異,可以說是平衡單元節點內力的方式可以考慮加勁梁的內力。對于地錨式懸索橋,加勁梁的內力很小,所以兩種方式都適用。但對于自錨式懸索橋,加勁梁的內力很重要,因此不能適用幾何剛度初始荷載的方式。

l 小位移/初始荷載控制數據

     進行線性分析時,將輸入的初始單元內力添加給指定的荷載工況。如果不添加,則在分析時只考慮初始單元內力引起的幾何剛度,在相應荷載工況的內力結果中,不包含初始單元內力。

另外,考慮平衡單元節點內力時,對于懸索橋,通過懸索橋分析控制,程序自動提供平衡單元節點內力的數據;對于斜拉橋,則可以通過在“初始荷載控制數據”中鉤選“初始內力組合”,并將要考慮的荷載工況全部添加之后進行靜力分析,即可在“結果/分析結果表格/平衡單元節點內力”中得到相應數據,將其復制到“大位移/平衡單元節點內力”即可。

l 小位移/初始單元內力

     只適用于線性分析,其作用與幾何剛度初始荷載相同。即通過形成幾何剛度來影響結構的總體剛度,但其剛度并不隨作用荷載的變化而變化。可以說是為了對于一個非線性結構進行線性分析而需要的功能,比如對于懸索橋進行特征值分析或者移動荷載分析等。

另外,在進行時程分析時,如果要考慮自重等靜力荷載作用下的初始狀態時,需要將靜力荷載另行定義為一種時變荷載。利用這里的初始單元內力功能,可以使構件在進行時程分析時就處于相應的初始狀態,而不需再將靜力荷載定義為時變荷載了。

4)幾何剛度初始荷載(671前版本)

l 靜力線性分析:會影響單元的幾何剛度,但幾何剛度并不根據荷載工況發生變化。若存在只受拉單元,因對應不同荷載工況會有不同的單元退出工作,故不能將結果進行算術迭加;

l 靜力非線性分析:根據幾何剛度初始荷載考慮結構的初始狀態。根據不同荷載工況,幾何剛度會發生變化,因此同樣,不同荷載工況作用效應的算術迭加不成立;

l 施工階段非線性分析(獨立模型,不考慮平衡內力):大位移分析,即幾何剛度根據不同施工階段荷載的作用發生變化,且考慮索單元節點坐標變化引起的影響(索單元);

l 施工階段非線性分析(獨立模型,考慮平衡內力):幾何剛度初始荷載不起作用,“初始荷載/平衡內力”發生作用;

l 施工階段非線性分析(獨立模型,考慮平衡內力,但未輸入平衡內力,輸入了幾何剛度初始荷載):幾何剛度初始荷載不起作用,對施加的荷載工況進行靜力非線性分析。下個階段中也一樣,但前一階段的荷載和本階段的荷載相當于一同作用并對之進行分析;

l 移動荷載分析:程序會自動將索單元轉換為等效桁架單元進行線性分析,其幾何剛度將利用幾何剛度初始荷載確定(671版本開始是使用“小位移/初始單元內力”來確定)。

5)初始荷載控制數據-是否給單元添加初始荷載?

l 非線性分析時,幾何剛度初始荷載的影響將反映到內力中去,因此不需要給單元添加初始荷載;

l 線性分析時,幾何剛度初始荷載只對幾何剛度有影響,并不會反映到內力中去。若要將其考慮為內力,需給單元添加初始荷載。

6)如何得到恒載作用下的結構效應以及恒載+活載的組合效應?

有兩種方法:可以定義一個空的荷載工況,將初始內力添加到該荷載工況中。進行完移動荷載分析后,將該荷載工況與移動荷載工況進行組合。另一種方法是定義施工階段的方法,步驟如下:

a) 將通過建模助手得到的成橋模型只定義一個施工階段(即成橋階段),選擇施工階段分析控制的非線性分析并鉤選考慮平衡內力。(此時幾何剛度初始荷載不發生作用, 是為了保存成橋狀態的構件內力,以便與活載計算結果組合)

b) 輸入“小位移/初始單元內力”,定義移動荷載后進行分析。(因為是施工階段非線性分析的獨立模型,對于PostCS狀態進行靜力分析時,不是利用最后階段的內力計算幾何剛度。因此需另行輸入初始單元內力,以用來計算PostCS狀態的幾何剛度。)

c) 分析前需把自重、二期恒載等的荷載類型(定義靜力荷載工況時)定義為施工階段荷載。(對于移動荷載工況,程序會自動將索單元轉換為等效桁架單元進行線性分析。但對于其它荷載工況,程序還是按索單元計算,因此有可能出現不收斂的情況。而且由于對于自重、二期恒載的效應已經包含在了成橋狀態的內力中,因此將其設為施工階段荷載,以便對于PostCS狀態不再分析計算)

d) 在PostCS定義一個CS/FONT>合計的組合,再定義一個合計與移動荷載的組合。

7)如何得到施工階段過程中,各構件的結構效應?

a) 建立成橋模型

b) 定義倒拆分析的施工階段

c) 在施工階段分析控制對話框中鉤選“考慮構件平衡內力”后進行倒拆分析

8)對于懸索橋如何考慮溫度作用?

a) 可以把溫度作用同樣作為一個施工階段加在最后一個階段上。但對升溫和降溫需建立不同的模型進行分析后分別查看結果。此時對于溫度進行的是非線性分析,有可能出現不容易收斂的情況。

也可將溫度作用定義為一般的荷載工況(不是施工階段荷載工況)。這樣程序在進行完施工階段分析后,會利用幾何剛度初始荷載形成結構的幾何剛度,并對這種狀態的結構進行溫度作用的分析。此時對于索單元是將其轉換為等效桁架單元來計算的。

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