桥梁软件应用实例6建模助手做悬臂法桥梁施工阶段分析.ppt
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1、桥梁软件应用实例6建模助手做悬臂法桥梁施工阶段分析概要概要 预应力箱型梁桥预应力箱型梁桥(PSC BOX Bridge)的施工工法一般有顶推法的施工工法一般有顶推法(ILM)、悬臂法、悬臂法(FCM)、移动支架法、移动支架法(MSS)等。等。悬臂法是由桥墩向跨中方向架设悬臂构件的方法,该工法不用水上作业,也不需要架设大量的临设和脚悬臂法是由桥墩向跨中方向架设悬臂构件的方法,该工法不用水上作业,也不需要架设大量的临设和脚手架,因此可以灵活使用桥下空间。另外,因为不直接与桥下河流或道路接触,因此被广泛使用于高桥墩、手架,因此可以灵活使用桥下空间。另外,因为不直接与桥下河流或道路接触,因此被广泛使用
2、于高桥墩、大跨度桥梁中。大跨度桥梁中。使用悬臂法使用悬臂法(FCM)施工的预应力箱型梁桥,因为各施工阶段的结构体系不同,所以只有对各施工阶段做施工的预应力箱型梁桥,因为各施工阶段的结构体系不同,所以只有对各施工阶段做结构分析才能最终确定截面大小。另外,为了正确分析混凝土材料的时间依存特性和预应力钢束的预应力损结构分析才能最终确定截面大小。另外,为了正确分析混凝土材料的时间依存特性和预应力钢束的预应力损失,需要前阶段累积的分析结果。失,需要前阶段累积的分析结果。本实例中我们主要学习使用悬臂法桥梁建模助手建立悬臂法本实例中我们主要学习使用悬臂法桥梁建模助手建立悬臂法(FCM)各施工阶段和施工阶段分
3、析的步骤,各施工阶段和施工阶段分析的步骤,以及确认各施工阶段应力、预应力损失和挠度的方法。以及确认各施工阶段应力、预应力损失和挠度的方法。实例中的桥梁为按悬臂法施工的现浇桥梁。实例中的桥梁为按悬臂法施工的现浇桥梁。竣工后的桥梁模型竣工后的桥梁模型一、桥梁基本数据及一般截面一、桥梁基本数据及一般截面桥桥 梁梁 类类 型型:三跨预应力箱型连续三跨预应力箱型连续 梁桥梁桥(FCM)桥桥 梁梁 长长 度度:L=85.0+130.0+85.0 =300.0 m桥桥 梁梁 宽宽 度度:B=12.7 m(2车道车道)斜斜 交交 角角 度度:90(正桥正桥)悬臂法悬臂法(FCM)的施工顺序如右侧流程图。的施工
4、顺序如右侧流程图。实例中悬臂法桥梁为三跨连续梁使用了4台挂篮(F/T),因此不必移动挂篮。桥梁始点桥梁始点桥梁终点桥梁终点纵向剖面图纵向剖面图标准截面图标准截面图一端张拉两端张拉区段区段零号块区段合龙段合龙段 下部钢束 上部钢束一端张拉两端张拉一端张拉钢束布置简图钢束布置简图 悬臂法施工阶段分析应该正确反应桥梁的施工顺序。悬臂法施工阶段分析应该正确反应桥梁的施工顺序。施工阶段分析中各施工阶段的定义,在施工阶段分析中各施工阶段的定义,在MIDAS/CIVIL里是通过激活和钝化结构群、边界群以及荷载里是通过激活和钝化结构群、边界群以及荷载群来实现的。群来实现的。下面将下面将MIDAS/CIVIL中
5、悬臂法桥梁施工阶段分析的步骤整理如下:中悬臂法桥梁施工阶段分析的步骤整理如下:1、定义材料和截面、定义材料和截面 2、建立结构模型、建立结构模型 3、定义并构建结构群、定义并构建结构群 4、定义并构建边界群、定义并构建边界群 5、定义荷载群、定义荷载群 6、输入荷载、输入荷载 7、布置预应力钢束、布置预应力钢束 8、张拉预应力钢束、张拉预应力钢束 9、定义时间依存性材料特性值并连接、定义时间依存性材料特性值并连接 10、运行结构分析、运行结构分析 11、确认分析结果、确认分析结果2-8步骤,悬臂法建模助手可以自动生成步骤,悬臂法建模助手可以自动生成二、使用的材料及其容许应力二、使用的材料及其容
6、许应力容许应力容许应力施加预应力初期施加预应力初期预应力损失之后预应力损失之后压缩压缩张拉张拉设计强度:设计强度:初期抗压强度:初期抗压强度:弹性模量:弹性模量:Ec=3.07105kgf/cm2容许应力:容许应力:1 1、上部结构、上部结构、上部结构、上部结构混凝土混凝土混凝土混凝土设计强度:设计强度:弹性模量:弹性模量:Ec=2.35105kgf/cm22 2、下部结构、下部结构、下部结构、下部结构混凝土混凝土混凝土混凝土3 3、预应力钢束、预应力钢束、预应力钢束、预应力钢束 (KSD 7002KSD 7002 SWPC 7B-SWPC 7B-15.2mm(0.615.2mm(0.6“钢束
7、钢束钢束钢束)抗拉强度:抗拉强度:截面面积:截面面积:弹性模量:弹性模量:张张 拉拉 力力:fpi=0.72fpu=137kgf/mm2顶顶/底板束:钢束与孔道壁的摩擦系数底板束:钢束与孔道壁的摩擦系数 (0.2/0.3)(0.2/0.3),孔道每米长度局部,孔道每米长度局部 偏差的摩擦系数偏差的摩擦系数 (0.001/0.0066)(0.001/0.0066)钢锯变形及钢筋的内缩值:钢锯变形及钢筋的内缩值:0.006m0.006m屈服强度:屈服强度:锚固装置滑动:锚固装置滑动:容许应力:容许应力:张拉时的最大控制应力张拉初期()应力损失后使用状态1 1、永久、永久、永久、永久荷载荷载荷载荷载
8、 结构重力结构重力 自重自重:在程序中按自重输入在程序中按自重输入 二期恒载二期恒载 w=3.432tonf/m三、荷载三、荷载钢束钢束钢束钢束(15.2 mm(15.2 mm1919(0.6(0.6 -1919)截面面积截面面积:Ap=1.387 19=26.353 cm2 孔道直径孔道直径:100/103 mm张拉力张拉力张拉力张拉力 :抗拉强度的抗拉强度的抗拉强度的抗拉强度的7 72 2%fpj=0.72 fpu=13680 kgf/cm2 Pi=Ap fpj=360.5 tonf张拉初期的损失(程序自动计算)张拉初期的损失(程序自动计算)张拉初期的损失(程序自动计算)张拉初期的损失(程
9、序自动计算)摩擦损失摩擦损失:2 2、预应力荷载、预应力荷载、预应力荷载、预应力荷载底板束底板束:顶板束顶板束:锚固装置滑动引起的损失锚固装置滑动引起的损失 :混凝土弹性收缩引起的损失混凝土弹性收缩引起的损失 :损失量损失量 预应力长期损失(程序自动计算)预应力长期损失(程序自动计算)预应力长期损失(程序自动计算)预应力长期损失(程序自动计算)钢束的松弛(钢束的松弛(RelaxationRelaxation)徐变和收缩引起的损失徐变和收缩引起的损失水泥水泥 :普通硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥长期荷载作用时混凝土的材龄长期荷载作用时混凝土的材龄 :t0=5天天3 3、徐变和收缩、徐变和收缩、徐变和收
10、缩、徐变和收缩 混凝土与大气接触时的材龄:混凝土与大气接触时的材龄:ts=3天天 相对湿度:相对湿度:RH=70%大气或养护温度:大气或养护温度:T=20 适用规范适用规范:道桥设计标准道桥设计标准CEB-FIP 徐变系数徐变系数:程序计算程序计算 混凝土收缩变形率混凝土收缩变形率:程序计算程序计算条件条件4 4、挂篮荷载、挂篮荷载、挂篮荷载、挂篮荷载假设挂篮自重如下:假设挂篮自重如下:P=80.0tonfe=2.50mM=Pe=200.0tonf挂篮自重挂篮自重一、定义材料和截面一、定义材料和截面定义材料和截面之前要先设置定义材料和截面之前要先设置单位体系单位体系单位体系单位体系1、上部结构
11、的材料特性、上部结构的材料特性 类型类型 混凝土混凝土 规范规范 KS-Civil(RC)数据库数据库 C400 2、下部结构的材料特性、下部结构的材料特性 类型类型 混凝土混凝土 规范规范 KS-Civil(RC)数据库数据库 C270 3、预应力钢束的材料特性、预应力钢束的材料特性 名称名称(钢束钢束);类型类型 用户定义用户定义 ;规范规范 None 分析数据分析数据 弹性模量弹性模量(2.0e7)线膨胀系数线膨胀系数(1.0e-5)材料的定义材料的定义材料的定义材料的定义截面的定义截面的定义截面的定义截面的定义1、预应力箱形截面、预应力箱形截面 预应力箱型截面的特性在预应力箱型截面的特
12、性在悬臂法建模助手悬臂法建模助手中定义,不必在此另外定义。中定义,不必在此另外定义。2、桥墩的截面特性、桥墩的截面特性 数据库数据库/用户表单用户表单 截面号截面号(1);名称名称(桥墩桥墩)截面形状截面形状 实心矩形实心矩形 ;用户用户 H(1.8),B(8.1)二、使用悬臂法建模助手建模二、使用悬臂法建模助手建模悬臂法建模助手悬臂法建模助手由由模型模型模型模型、截面截面截面截面、钢束钢束钢束钢束三个表单组成。三个表单组成。1、输入模型数据、输入模型数据 在悬臂法建模助手的模型表单中,主要完成的工作:在悬臂法建模助手的模型表单中,主要完成的工作:(1)定义桥梁的材料、基本数据;)定义桥梁的材
13、料、基本数据;(2)桥梁段的划分)桥梁段的划分(参见参见word中图中图10);(3)零号块的大小、桥墩类型和尺寸等;)零号块的大小、桥墩类型和尺寸等;(4)定义每个桥梁段的施工持续时间)定义每个桥梁段的施工持续时间(12天天)。这里,将支膜和绑扎钢筋、布置钢束管道的时间定为这里,将支膜和绑扎钢筋、布置钢束管道的时间定为7 天,浇筑混凝土以及养护的时间定为天,浇筑混凝土以及养护的时间定为5天,因此将施工一个天,因此将施工一个 桥梁段的时间设定为桥梁段的时间设定为12天。天。悬臂法建模助手的模型表单悬臂法建模助手的模型表单选择选择半径半径开关并输入开关并输入半径,即可建立曲线半径,即可建立曲线变
14、截面悬臂法桥梁模变截面悬臂法桥梁模型。型。悬臂法的施工工期与桥墩数量和投入的作业车辆悬臂法的施工工期与桥墩数量和投入的作业车辆(挂篮等挂篮等)有关。因为各桥墩的悬臂部分并不是同时有关。因为各桥墩的悬臂部分并不是同时施工的,所以施工合龙段时合龙段两侧悬臂桥梁段的混凝土材龄是不同的。由于两侧悬臂桥梁段混凝土施工的,所以施工合龙段时合龙段两侧悬臂桥梁段的混凝土材龄是不同的。由于两侧悬臂桥梁段混凝土材龄的差异,引起同一施工阶段内施工的悬臂桥梁段的徐变和干缩以及预应力钢束的预应力损失量的差材龄的差异,引起同一施工阶段内施工的悬臂桥梁段的徐变和干缩以及预应力钢束的预应力损失量的差异。也就是说,施工合龙段时
15、合龙段两侧的截面应力和位移是不同的,施工阶段分析时一定要考虑到这异。也就是说,施工合龙段时合龙段两侧的截面应力和位移是不同的,施工阶段分析时一定要考虑到这种情况。种情况。在在MIDAS/CIVILMIDAS/CIVIL中,通过中,通过施工阶段时间荷载施工阶段时间荷载功能决定单元的材料时间依存特性,合龙段两侧桥梁段的功能决定单元的材料时间依存特性,合龙段两侧桥梁段的材龄差异,由施工完两桥墩的零号块之后,施工第一个桥梁段的时间差异来体现。材龄差异,由施工完两桥墩的零号块之后,施工第一个桥梁段的时间差异来体现。在施工工序计划表的预定施工工序中以一行为在施工工序计划表的预定施工工序中以一行为1515天
16、来表示施工桥梁所需时间以及预定的工序。根据天来表示施工桥梁所需时间以及预定的工序。根据预定的工序,两桥墩第一个桥梁段的开始施工时间差为预定的工序,两桥墩第一个桥梁段的开始施工时间差为6060天。天。点击,点击,输入两桥墩零号块的施工时间差。输入两桥墩零号块的施工时间差。混凝土是具有时间依存特性的材料,混凝土的强度、徐变和干缩系数都随时间而变化。混凝土的材龄越小,混凝土是具有时间依存特性的材料,混凝土的强度、徐变和干缩系数都随时间而变化。混凝土的材龄越小,混凝土的时间依存特性值的变化越大。混凝土的时间依存特性值的变化越大。在施工阶段分析中,因为混凝土一般都处于早期材龄状态,为了正确地反映混凝土的
17、材料时间依存特性,在施工阶段分析中,因为混凝土一般都处于早期材龄状态,为了正确地反映混凝土的材料时间依存特性,需要正确输入混凝土初始材龄的信息。初始材龄是指在混凝土养护期间拆模之后,开始施加持续荷载时的混凝土需要正确输入混凝土初始材龄的信息。初始材龄是指在混凝土养护期间拆模之后,开始施加持续荷载时的混凝土材龄。程序将利用输入的初始材龄计算混凝土的弹性系数、徐变系数、干缩系数。材龄。程序将利用输入的初始材龄计算混凝土的弹性系数、徐变系数、干缩系数。主要构件的初始材龄从施工工序计划表中构件的施工持续时间里扣除支模和绑扎钢筋所需时间而得。主要构件的初始材龄从施工工序计划表中构件的施工持续时间里扣除支
18、模和绑扎钢筋所需时间而得。FSM 区段区段:60 天天合龙段合龙段(Key Seg.):10 天天零号块零号块:15 天天一般桥梁段一般桥梁段:5 天天 桥墩桥墩:100 天天点击点击 ,输入各主要构件的初期材龄。,输入各主要构件的初期材龄。2、输入预应力箱型截面数据、输入预应力箱型截面数据 为了能承受悬臂法施工时的弯矩和剪力,为了能承受悬臂法施工时的弯矩和剪力,FCM桥梁的截面一般设计成支座截面高于跨中截面的变截面桥梁的截面一般设计成支座截面高于跨中截面的变截面梁。梁。在悬臂法建模助手中,用户只需输入跨中截面和支座处截面,程序将自动生成截面高度按二次方程变在悬臂法建模助手中,用户只需输入跨中
19、截面和支座处截面,程序将自动生成截面高度按二次方程变化的曲线桥梁。化的曲线桥梁。参照下页梁的截面图形输入截面尺寸。输入完截面尺寸以后在查看选项中选择实际截面,可以观察到参照下页梁的截面图形输入截面尺寸。输入完截面尺寸以后在查看选项中选择实际截面,可以观察到实际输入的截面形状。实际输入的截面形状。挂篮的荷载应该输入包含模板的重量以及偏心距离,程序将自动转换成垂直荷载和弯矩。挂篮的荷载应该输入包含模板的重量以及偏心距离,程序将自动转换成垂直荷载和弯矩。如果选择考虑混凝土湿重的话,则在支模和绑扎钢筋之后如果选择考虑混凝土湿重的话,则在支模和绑扎钢筋之后(默认为从桥梁段的施工持续时间中扣除桥默认为从桥
20、梁段的施工持续时间中扣除桥梁段的初期材龄时间梁段的初期材龄时间),程序将自动施加混凝土湿重。,程序将自动施加混凝土湿重。在结构体系不变的情况下,如果已经施加挂篮荷载在结构体系不变的情况下,如果已经施加挂篮荷载(包括模板重量包括模板重量)而由于不可知的原因没有立即施加而由于不可知的原因没有立即施加混凝土湿重时,不需要另外建立施工阶段,只需利用添加步骤功能输入一个步骤即可。混凝土湿重时,不需要另外建立施工阶段,只需利用添加步骤功能输入一个步骤即可。挂篮荷载挂篮荷载(包含模板荷载包含模板荷载)考虑混凝土湿重考虑混凝土湿重(开开)P(80);e(2.5)可以确认截面形状可以确认截面形状3、预应力钢束的
21、布置、预应力钢束的布置 在预应力钢束表单中输入钢束在横截面上的位置以及在各桥梁段锚固的钢束数量。输入了钢束在各在预应力钢束表单中输入钢束在横截面上的位置以及在各桥梁段锚固的钢束数量。输入了钢束在各横截面上的位置以及锚固数量后,程序将自动生成预应力钢束的形状。横截面上的位置以及锚固数量后,程序将自动生成预应力钢束的形状。预应力钢束在横截面方向上的布置在建模助手中只能按等间距布置,因为预应力钢束在横截面方向预应力钢束在横截面方向上的布置在建模助手中只能按等间距布置,因为预应力钢束在横截面方向的间距对整个施工阶段分析的结果影响不大,所以当钢束在横截面方向上的布置不是等间距时,可以输的间距对整个施工阶
22、段分析的结果影响不大,所以当钢束在横截面方向上的布置不是等间距时,可以输入各钢束距离的平均值。入各钢束距离的平均值。边跨和中间跨预应力钢束的布置图见下面图边跨和中间跨预应力钢束的布置图见下面图16、17。钢束表单钢束表单钢束表单钢束表单预应力钢束和预应力预应力钢束和预应力(开开)截面类型截面类型 单箱单室单箱单室H1(0.17);H2(0.32);H3(0.29);H4(0.14)W1(0.1);W2(0.1);W3(0.06);S(0.175)DX1(0.1);DY1(0.3);DX2(0.1)DY2(0.3);DX3(0.3);DY3(0.19)相等相等(开开)N1(7);N2(3);N3
23、(6);N4(3);N5(2)N6(7);N7(2);N8(5)图图16边边跨跨预预应应力力钢钢束束的的布布置置图图图图17中中间间跨跨预预应应力力钢钢束束的的布布置置图图4、输入预应力钢束的特性值和预应力钢束的张力、输入预应力钢束的特性值和预应力钢束的张力 因为顶板束和底板束的预应力损失量不同,所以应分别定义顶板束和底板束。因为顶板束和底板束的预应力损失量不同,所以应分别定义顶板束和底板束。钢束张力设定为极限强度的钢束张力设定为极限强度的72%。因为底板束的锚固位置有可能不在桥梁段的端部而在任意的位。因为底板束的锚固位置有可能不在桥梁段的端部而在任意的位置,因此将底板束的锚固位置定义为与桥梁
24、段的比例长度。置,因此将底板束的锚固位置定义为与桥梁段的比例长度。输入钢束特性值输入钢束特性值输入钢束特性值输入钢束特性值(顶板束(顶板束/底板束)底板束)荷载荷载/预应力荷载预应力荷载/预应力钢束的特性值预应力钢束的特性值预应力钢束总面积预应力钢束总面积(0.0026353=138.710-419)或输入或输入钢铰线公称直径钢铰线公称直径15.2mm(0.6),钢铰线股数,钢铰线股数(19)钢束孔道直径钢束孔道直径(0.103);松弛系数松弛系数(45)预应力钢筋与孔道摩擦系数预应力钢筋与孔道摩擦系数(0.2/0.3);孔道每米局部偏差摩擦系数孔道每米局部偏差摩擦系数(0.001/0.006
25、6)极限强度极限强度(190000);屈服强度屈服强度(160000)张拉方法张拉方法后张法后张法 锚具变性和钢筋内缩值锚具变性和钢筋内缩值开始点开始点(0.006);结束点结束点(0.006)当钢束施加张拉力,维持其当钢束施加张拉力,维持其一定的应变时,作用到钢束一定的应变时,作用到钢束上的张拉应力随时间的推移上的张拉应力随时间的推移逐渐减小,这个现象称之为逐渐减小,这个现象称之为松弛松弛松弛松弛(Relaxation)。MIDAS/Civil采用采用Magura公公式来考虑钢束的松弛。松弛式来考虑钢束的松弛。松弛系数为该式中与钢材有关的系数为该式中与钢材有关的常数,一般钢材取值为常数,一般
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