嘉滨路牛角沱高架桥1-5跨维护方案研究毕业论文(编辑修改稿)

嘉滨路牛角沱高架桥1-5跨维护方案研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

20xx届工程力学专业毕业论文 第 6 页 共 61 页 第二章 建立有限元模型及其力学分析 MIDAS/Civil 简介 对于 嘉滨路牛角沱高 架桥外二桥 的研究，我采用 MIDAS/Civil 软件进行建模以及后续的有限元法分析。 MIDAS/Civil 是针对土木结构，特别是分析象预应力箱型桥梁、悬索桥、斜拉桥等特殊的桥梁结构形式，同时可以做非线性边界分析、材料非线性分析、静力弹塑性分析、动力弹塑性分析。 为能够迅速、准确地完成类似结构的分析和设计，以填补目前土木结构分析、设计软件市场的空白，而开发的“土木结构专用的结构分析与优化设计软件”。 MIDAS/Civil 是一个通用结构及桥梁结构分析设计软件，用于桥梁结构、地下结构、工业建筑等结构的静力分析、动 力分析、非线性分析、施工阶段分析和优化设计。 在桥梁结构方面， MIDAS/Civil 结合中国公路、铁路和城市道路设计规范，提供了从建模、分析、后处理到设计的一体化功能。 MIDAS/Civil 的主要特点如下： ① 建模便捷。 提供灵活多样的建模功能，还可以导入由 SAP20xx 创建的有限元模型。 ② 提供多种桥梁的建模助手。 ③ 内置丰富的材料和截面数据库，提供多国的材料和截面数据库，以及混凝土收缩和徐变规范和移动荷载规范，同时用户还可以根据需要自行定义材料和截面。 ④ 单元类型丰富，提供桁架、一般梁 /变截面梁、钩、索、板、实体单 元等工程实际时所需的各种有限元模型。 ⑤ 提供静力分析、动力分析、静力弹塑性分析、动力弹塑性分析、动力边界非线形分析、几何非线形分析、移动荷载分析（影响线 /影响面分析）、支座沉降分析、施工阶段分析等功能。 ⑥ 在后处理中，可以根据设计规范自动生成荷载组合，也可以添加和修改荷载组合。 ⑦ 可以输出各种反力、内力、位移和应力的图形、文本和表格。 ⑧ 可在进行结构分析后对多种形式的梁、柱截面进行设计和验算。 【 6】 模型总体概况 嘉滨路牛角沱高架桥外二桥上部桥跨布置全部为： 1+1 +12 + 1 24,7m=， 本次课题为 嘉滨路牛角沱高架桥外二桥 的前 5跨，即 +4 = m桥梁结构为普通钢筋混凝土连续空心板桥。 桥面布置为 (护栏 )+ (行王振：嘉滨路牛角沱高架桥 15 跨维护 方案研究 第 7 页 共 61 页 车道 )+(护栏 )=。 空心板板高 ，顶板宽 ，翼板宽 ，底板宽，空心板空心部分采用直径为 D=，上下底板厚。 图 1 桥梁截面 现浇空心板采用 30号混凝土。 下部桥墩 为直径 ，基础为扩大基础，桥墩采用 25号混凝土，扩大基础采用 20号混凝土。 原设计荷载为汽车 20级，挂车 100级，人群。 图 2 前五跨剖面图 建立模型 建立截面 桥面横断面 在 MIDAS/Civil 中，系统默认的常用截面模板不能完成此次需要的截面，因此，我们需要用其他软件设计这个截面然后将其导入迈达斯中，在这里，我采用的是 CAD画图。 效果图如图 所示。 20xx届工程力学专业毕业论文 第 8 页 共 61 页 图 1 桥梁截面 其中空心板板高 ，顶板宽 ，翼板宽 ，底板宽 ，空心板空心部分采用直径为 D= 的圆，上下底板厚 ，两个圆形空心圆圆心距离为 ，最两边的空心圆圆心距离两边的距离为。 截面在 MIDAS/Civil 中模型及具体参数如下图所示。 图 2 定义桥梁截面 图 3 桥梁截面参数 桥墩横断面及基础断面 王振：嘉滨路牛角沱高架桥 15 跨维护 方案研究 第 9 页 共 61 页 下部桥墩为直径 的钢筋混凝土圆柱墩，基础为扩大基础，根据设计任务书给出图片，我将其直径定义为。 在 MIDAS/Civil 的截面数据库中提供了这种截面，因此只需要在 MIDAS/Civil 中直接建立截面。 其具体参数如下图所示。 图 4 桥墩截面 1 号桥墩断面 1 号桥墩与中间的其他桥墩在规格尺寸上有很大的差异，并且在桥墩直径 ，上面桥面相对较宽，我们将桥墩上的桥面算在第一跨中，即第一跨。 其截面建立过程与其他桥墩和扩大基础完全相同，具体参数如下图所示。 20xx届工程力学专业毕业论文 第 10 页 共 61 页 图 5 一号桥墩截面 定义材料 MIDAS/Civil 中内设很多国家常用的材料，用户可以直接使用这些数据库，也可以根据需要自己定义材料。 在 MIDAS/Civil 中，为识别不同的材料特性，需要定义材料号和材料名称。 MIDAS/Civil 可定义混凝土、钢材、组合材料的材料特性，同时可以选择某个国家的材料标准。 定义桥梁材料 根据任务书要求，参照 中国交通部公路标准 JTG04(RC)规范，预制空心梁板采用30 号混凝土。 C30 混凝土：轴心抗压强度设计值 fcd=，轴心抗拉强度设计值 ftd=，弹性模量 Ec= 104Mpa【 8】。 定义桥墩材料 根据任务书要求，参照 中国交通部公路标准 JTG04(RC)规范，预制空心梁板采用25 号混凝土。 C25 混凝土：轴心抗压强度设计值 fcd=，轴心抗拉强度设计值 ftd=，弹性模量 Ec= 104Mpa【 8】。 定义基础材料 根据任务书要求，参照 中国交通部公路标准 JTG04(RC)规范，预制空心梁板采用20 号混凝土。 C20 混凝土：轴心抗压强度设计值 fcd=20Mpa，轴心抗拉强度设计值 ftd=，弹性模量 Ec= 104Mpa【 8】。 王振：嘉滨路牛角沱高架桥 15 跨维护 方案研究 第 11 页 共 61 页 图 6 材料标准 简化模型 创建节点 根据整座桥各个部分的尺寸定义出模型几个关键点的位置。 MIDAS/Civil 中可采用两种方式输入节点坐标： a、直接在坐标输入区中键入 UCS 中的 x,y,z； b、先点击坐标输入区，然后再工作窗口中选择目标位置，一旦选中，节点坐标会立即显示在坐标输入区的和状态栏内 【 6】。 创建单元 将之前建立的节点连接成单元，并且在建立单元时定义单元类型、截面特性和材料特性。 MIDAS/Civil 提供了桁架单元、梁单元、实体单元、板单元等 9中单元类型。 在这里桥梁我选用了“一般梁 /变截面梁”类型。 分割单元 分割单元长度应根据建模需要来确定，可按照等间距、任意间距、任意距离比等方式进行分割。 我选用了等间距分割的方式，把各个长单元分割成若干个小单元。 效果图如下图所示。 20xx届工程力学专业毕业论文 第 12 页 共 61 页 图 7 模型节点及单元 使用 MIDAS/Civil 中的显示特性功能，可以把单元的截面特性和材料特性显示在效果图中， 嘉滨路牛角沱高架桥外二桥 前五跨，模型如下图所示。 图 8 模型渲染图 设置边界条件 图 9 边界条件（ 1） 王振：嘉滨路牛角沱高架桥 15 跨维护 方案研究 第 13 页 共 61 页 图 10 边界条件（ 2） 本桥的边界约束采用的是一般支承，其中桥墩基础约束了 6 个自由度，第一跨最左端采约束了 6 个自由度，桥梁与桥墩连接的位置约束了 5 个自由度，释放了 Y 轴方向的转动。 图 11 桥墩与桥梁的联系 弹性连接单元用于模拟桥梁上部结构与下部结构之间的支座，实质上是在 6 个自由度方向设置刚度很大的弹簧单元。 因此本桥的桥墩与桥梁之间的联系，采用了弹性连接中的刚性类型，上下两个节点的位移关系是不关联的。 添加荷载 MIDAS/Civil 中，为分析各种结构，提供了三种荷载类型：静力荷载、动力荷载、移动荷载。 MIDAS/Civil 将作用于结构上的所有荷载分别定义一个专门的类型，并且用大写字母区分。 荷载按照不同性质划分不同组进行计算，这些组叫做荷载工况。 荷载工况可以包含多个荷载类型。 一个荷载类型只能 定义一个静力荷载工况。 自重 20xx届工程力学专业毕业论文 第 14 页 共 61 页 修正混凝土材料重度 混模钢混凝土混凝土混凝土 V GV   MIDAS/Civil 可以根据单元体积和重度自动计算模型的自重，在静力分析中，求得的自重可适用于整体坐标系的 X、 Y、 Z 轴方向。 在此模型中，我选用的混凝土重度为25kN/m3,自重系数为 X=0， Y=0， Z=1。 图 12 自重系数 移动荷载 移动荷载定义分三个步骤：（ 1）定义车道或者车道面，前者适用于梁单元，后者适 用于板单元。 （ 2）定义车辆荷载，既可以使用规范中的标准准车辆荷载，也可以用户定义。 （ 3）定义移动荷载工况，即把车道或者车道面与车辆荷载组合起来。 选择移动荷载的规范， MIDAS/Civil 中文版中，默认移动荷载规范是中国规范，包括了公路、铁路、城市桥梁等设计规范中的移动荷载。 图 13 移动荷载规范 ① 定义车道面 王振：嘉滨路牛角沱高架桥 15 跨维护 方案研究 第 15 页 共 61 页 MIDAS/Civil 中的车道并非是指车道荷载，而是用来描述移动荷载所在位置。 指定车辆荷载加载方式有两种：“车道单元法”、“横向连系梁”，在这 里采用了车道单元法，车轮间距设为 米，偏心距 米，桥梁跨度 米，车辆移动方向设置为单向向前，最终桥面上车道布置如下图。 图 14 车道面 ② 定义移动荷载 MIDAS/Civil 中定义车辆荷载的方法有两种，一种是用户直接输入，输入的数据可参考标准车辆的一些参数，另一种是指定标准车辆荷载在设计规范中的名称，系统自动匹配内部数据库中的标准车辆荷载 【 6】。 牛角沱嘉陵江大桥的级别是公路桥梁，因此选用了中国公路桥梁桥梁荷载JTJ00197，分别 定义了标准汽车和标准挂车荷载，汽车等级 20 级，挂车 100 级。 人群荷载我采用的是用户自定义的方式，荷载类型选择人群荷载，由于牛角沱嘉陵江大桥已有几十年的历史，因此我选用旧公路人群荷载类型， 每平米，即每平米 吨 图 15 汽车荷载 图 16 挂车荷载 20xx届工程力学专业毕业论文 第 16 页 共 61 页 图 17 人群荷载 图 18 全部移动荷载 ③ 定义移动荷载工况 定义了车道和车道荷载后，需要定义指定每个车道对应的移动荷载，把车道和车道荷载联系起来，即定义移动荷载工况。 王振：嘉滨路牛角沱高架桥 15 跨维护 方案研究 第 17 页 共 61 页 图 19 移动荷载工况 ④移动荷载在车道上的布置 在桥上行驶的车辆种类繁多，有汽车、平板挂车、履带车、压路机等，各类车辆在桥梁上出现的 组合 不同。 通过对实际车辆的轮轴数目、前后轴的间距、轮轴压力等情况的分析、综合和 概括，公路桥涵设计规范中规定了桥梁设计采用标准化荷载。 把经常地、大量地出现的汽车队做为汽车荷载；把偶然地个别地出现的履带车和平板挂车做为履带车和平板挂车荷载。 计算荷载采用汽车荷载，验算荷载采用履带车、平板挂车荷载。 荷载级别的数字即表示一辆主车的总重量吨数。 每级车队中只有一辆重车，前后都是主车 （ 重车是指在规定的某荷载级别中总重量大的车辆 ）。 20xx届工程力学专业毕业论文 第 18 页 共 61 页 汽车横向布置 图 20 汽车的荷载布置 汽车荷载以汽车队 表示，分为汽车 10 级、汽车 15 级、汽车 20级、汽车 超 20级四个等级。 汽车 20级代表 20吨重的汽车 车队 ，车轮轴距为 米，车辆宽度 米，车辆间隔 ，两辆车相邻轴距 米。 挂120300 300 300 300轴重单位： 尺寸单位： 挂车横向布置 王振：嘉滨路牛角沱高架桥 15 跨维护 方案研究 第 19 页 共 61 页 图 21 挂车的荷载布置 挂 120 是验算荷载 ， 挂车 120 就是 120t 重设计的挂车车队， 挂车长度 米，宽度 米，车轮宽度 米，四个车轮 间轴距为 米。 桥面铺装 桥面铺装，指的是为保护桥面板和分布车轮的集中荷载，用沥青混凝土、水泥混凝土、高分子聚合物等材料铺筑在桥面板上的保。