midas FEA建筑例题集 钢筋混凝土梁裂缝分析——侯晓武

Step00目录钢筋混凝土梁裂缝分析▪混凝土裂缝模型介绍▪模型概要- 单位: kN, m- 各向同性非线性材料- 钢筋单元- 实体单元▪荷载和边界条件- 自重- 恒载- 约束- 分析工况▪输出结果-变形- 钢筋应力•裂缝模型(1)分离式裂缝模型：当应力值达到开裂应力时，混凝土开裂，单元将在节点两侧分离，裂缝成为单元与单元之间的边界。

分析过程需要不断调整单元的网格划分；可以模拟裂缝的开展及计算裂缝的宽度。

多用于分析只有一条或几条关键裂缝的素混凝土或少筋混凝土结构。

132钢筋混凝土梁裂缝分析•裂缝模型（2）弥散式裂缝模型：当应力值达到开裂应力时，则垂直于拉应力的方向生成若干条裂缝。

通过修改材料本构模型来考虑裂缝的影响；无需修改单元网格，易于有限元程序实现，应用广泛。

对正常配筋构件，该裂缝模型结果更接近工程实际。

•裂缝模型（3）断裂力学模型：研究带裂缝构件在各种条件下裂缝的扩展、失稳和断裂规律；主要集中于单个裂缝的应力应变场分布问题；对于裂缝间相互影响问题，研究还不成熟。

•裂缝数值分析方法（1）分解应变模型总应变=材料应变+裂缝应变；材料应变：弹性应变，塑性应变，徐变，热应变；（2）总应变模型不分离各种应变，含裂缝的受拉受压分析中使用同一个本构关系；易于定义非线性特性，易于理解和应用。

钢筋混凝土梁裂缝分析133•总应变模型（1）固定裂缝模型混凝土开裂后，裂缝方向保持不变（2）转动裂缝模型裂缝方向始终保持与主拉应变方向垂直，因而随主拉应变方向变化钢筋混凝土梁裂缝分析 •刚度矩阵（1）开裂前 （2）开裂后⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧xz yz xy z y x 665544333231232221131211xz yz xy z y x D 000000D 000000D 000000D D D 000D D D 000D D D γγγεεετττσσσ)1(2E D D D )21)(1(E D D D )21)(1()1(E D D D c 665544c 231312c 332211υυυυυυυ+===-+===-+-===根据混凝土受拉、受压、受剪本构关系，考虑开裂影响，对刚度矩阵进行更新 134•刚度矩阵（1）切线刚度矩阵根据应力应变曲线，得到切线方向的弹性模量，计算刚度矩阵（2）割线刚度矩阵根据应力应变曲线，得到割线方向的弹性模量，计算刚度矩阵江见鲸《钢筋混凝土结构非线性有限元分析》应力应变关系采用全量形式时，弹性模量应采用割线模量，即采用割线刚度矩阵应力应变关系采用增量形式时，弹性模量应采用切线模量，即采用切线刚度矩阵FEA分析与计算原理切线刚度矩阵：局部裂缝或裂缝扩展分析；割线刚度矩阵：裂缝呈分布状态的钢筋混凝土结构；不考虑各方向泊松比；•混凝土受压本构关系钢筋混凝土梁裂缝分析135•混凝土受拉本构关系G I f: I型断裂能（形成断裂面所需消耗的能量）（1976） A.hillerborg 裂缝尖端应力达到抗拉强度，开始出现裂缝，裂缝张开时，应力并不马上降低为0，而是随着裂缝宽度的增加而降低。

Vol.8 No.9 Sep. 2018第8卷 第9期 2018年9月The Journal of New Industrialization新 型 工 业 化基于Midas 的双曲拱桥常见裂缝模拟分析谢栋明*，王浩伟（福建农林大学金山学院，福建 福州 350000）摘要：桥梁作为一种立体的交通方式，在我国交通建设中得到了广泛应用。

然而，随着交通量和使用年限的增加，我国现有的许多桥梁都存在有不同程度的病害，桥梁裂缝成为一种不容忽视的典型病害，甚至有的严重影响到了桥梁的正常使用。

本文通过桥梁的有限元分析软件Midas civil 对桥梁裂缝进行模拟分析，并论证其可行性。

关键词：双曲拱桥；病害；Midas；模拟分析中图分类号: U448.22 文献标志码: A DOI: 10.19335/ki.2095-6649.2018.9.023Simulation Analysis of Common Cracks in DoubleCurved Arch Bridge Based on MidasXIE Dong-ming *, WANG Hao-wei(Jinshan college, Fujian Agriculture And Forestry University, Fuzhou, Fujian 350000)Abstract: As a three-dimensional transportation mode, bridges have been widely applied in China's transportation construction. However, with the increase of traffic volume and service life, many existing bridges in our country have different degrees of disease, bridge cracks become a typical disease can not be ignored, and some seriously affect the normal use of bridges. In this paper, the bridge cracks are simulated and analyzed by the finite element analysis software Midas civil, and its feasibility is demonstrated.Key words: Hyperbolic arch bridge; Disease; Midas; Simulation analysis0 引言桥梁作为道路交通的联系和控制部位，在现代交通中发挥着重要作用。

目录1概要 (1)2 钢桥概况及构造检查 (2)2.1 钢桥概况 (2)2.2构造检查 (2)2.2.1钢桥面板 (2)2.2.2 翼缘板 (6)2.2.3 受压加劲肋 (6)3 建模步骤 (7)3.1定义材料 (7)3.2定义截面 (8)3.3 建立结构模型 (12)3.4 边界条件设置 (13)3.4.1 边界条件 (13)3.4.2 有效截面宽度 (15)3.5 静力荷载的定义 (17)3.6 移动荷载 (19)3.6.1定义车道 (19)3.6.2定义车辆 (20)3.6.3定义移动荷载工况 (22)3.7 支座沉降 (24)3.8 定义施工阶段 (25)4 结合规范和Civil Designer进行设计 (26)4.1 CDN程序设置 (27)4.2 设计结果查看 (32)5 结语 (35)6 参考文献 (35)midas Civil＆Civil Designer钢箱梁操作例题资料1概要钢桥是高强、轻型薄壁结构，截面和自重比混凝土桥小，跨越能力大，因而在实际工程中有广泛应用。

钢桥按形式可大致分为钢箱梁、钢板梁（工字钢）、钢桁梁、组合梁桥等类型。

钢桥在使用时不仅要求钢材具有较高的强度，而且还要求具有良好的塑性。

钢桥的刚度相对比较小，变形和振动比混凝土桥大。

为了保证车辆行驶安全和舒适性、避免过大的变形和振动对钢桥结构产生不利的影响，钢桥必须有足够的整体刚度[2] 。

钢桥缺点除容易腐蚀影响耐久性外，另一缺点是疲劳。

影响疲劳的因素很多，除钢材品质、连接的构造与方法等外，与荷载性质、疲劳细节关系也很大。

钢箱梁除钢材等力学特性外，还具有箱梁的受力特点，广泛应用于市政高架、匝道、大跨度斜拉桥、悬索桥、拱桥加劲梁、大跨连续钢箱梁及人行桥钢箱梁等方面。

本专题将通过介绍工程概况、结合规范构造检查、midas Civil详细建模过程以及midas Civil Designer设计平台及结果查看等操作流程，希望能为读者结合实际项目学习程序，通过程序了解钢箱梁提供帮助。

预应力混凝土梁的施工阶段分析CONTENTS概要1桥梁概况及一般截面2预应力混凝土梁的分析顺序3使用的材料及其容许应力4荷载5设置操作环境6定义材料和截面7定义截面8定义材料的时间依存性并连接9建立结构模型12定义结构组、边界条件组和荷载组13输入边界条件16输入荷载17输入恒荷载18输入钢束特性值19输入钢束形状20输入钢束预应力荷载23定义施工阶段25输入移动荷载数据30运行分析34查看分析结果35通过图形查看应力35定义荷载组合39利用荷载组合查看应力40查看钢束的分析结果44查看荷载组合条件下的内力47概要本例题使用一个简单的两跨连续梁模型（图1）来重点介绍MIDAS/Civil的施工阶段分析功能、钢束预应力荷载的输入方法以及查看分析结果的方法等。

主要包括分析预应力混凝土结构时定义钢束特性、钢束形状、输入预应力荷载、定义施工阶段等的方法，以及在分析结果中查看徐变和收缩、钢束预应力等引起的结构的应力和内力变化特性的步骤和方法。

图1. 分析模型1212 m 6 m 6 mL=30 m L=30 mCS1CS23 m1.5 m0.2 m0.2 m0.2 m0.2 m1.8 m2 m桥梁概况及一般截面分析模型为一个两跨连续梁，其钢束的布置如图2所示，分为两个阶段来施工。

桥梁形式：两跨连续的预应力混凝土梁 桥梁长度：L = 2@30 = 60.0 m区 分 钢束坐标x (m) 0 12 24 30 36 48 60 钢束1 z (m) 1.50.2 2.6 1.8 钢束2z (m)2.02.80.21.5图2. 立面图和剖面图1.5 m0.2 m0.20.2 m3 m2 m预应力混凝土梁的分析步骤预应力混凝土梁的分析步骤如下。

1.定义材料和截面2.建立结构模型3.输入荷载恒荷载钢束特性和形状钢束预应力荷载4.定义施工阶段5.输入移动荷载数据6.运行结构分析7.查看结果34使用的材料及其容许应力❑ 混凝土设计强度：2ck cm /kgf 400=f 初期抗压强度：2ci cm /kgf 270=f弹性模量：Ec=3,000Wc1.5 √fck+ 70,000 = 3.07×105kgf/cm 2 容许应力：容许应力 预应力作用后（瞬间）预应力损失发生后（最终）抗 拉 抗 压 2ci 'ca cm /kgf 5.148=f 55.0=f 2ci 'ta cm /kgf 1.13=f 8.0=f2ck ca cm /kgf 0.160f 4.0f == 2ck ta cm /kgf 0.32=f 6.1=f❑预应力钢束 (KSD 7002 SWPC 7B-Φ15.2mm (0.6˝strand)屈服强度： 2py mm /kgf 160=f →strand /tonf 6.22=P y 抗拉强度： 2pu mm /kgf 190=f →strand /tonf 6.26=P u 截面面积： 2387.1cm A p = 弹性模量： 26p cm /kgf 10×0.2=E 张 拉 力： fpi=0.7fpu=133kgf/mm 2 锚固装置滑动： mm 6=s Δ 磨擦系数： rad /30.0=μ m /006.0=k 张拉时的最大应力 锚固瞬间(po f ) 应力损失后使用状态 2py mm /kgf 144=f 9.02pu mm /kgf 133=f 7.02py mm /kgf 128=f 8.05荷载❑ 恒荷载自重在程序中按自重输入❑预应力钢束(φ15.2 mm ×31 (φ0.6˝- 31))截面面积 : Au = 1.387 × 31 = 42.997 cm 2 孔道直径 : 133 mm 张拉力 : 抗拉强度的70%fpj = 0.7 fpu = 13,300 kgf/cm 2 Pi = Au × fpj = 405.8 tonf 张拉后的瞬间损失（程序自动计算）摩擦损失 :)(0)(kL X e P P +⋅=μα30.0=μ, 006.0=k锚固装置滑动引起的损失 : mm 6=I Δc 弹性收缩引起的损失 : 损失量 SP P E A f P ⋅∆=∆ 最终损失（程序自动计算）钢束的松弛（Relaxation ） 徐变和收缩引起的损失❑徐变和收缩条件水泥 : 普通硅酸盐水泥长期荷载作用时混凝土的材龄 : =o t 5天 混凝土与大气接触时的材龄 : =s t 3天 相对湿度 : %70=RH 大气或养护温度 : C °20=T 适用规范 : CEB-FIP 徐变系数 : 程序计算 混凝土收缩变形率 : 程序计算❑活荷载适用规范：城市桥梁设计荷载规范 荷载种类：C-ALC-AD(20)6设置操作环境打开新文件(新项目)，以 ‘PSC beam ’ 为名保存(保存)。