移动荷载分析

关于悬索桥移动荷载分析理解1 实例介绍人行悬索桥桥跨150m，f/L=1/15，桥面宽4.5m。

主缆和吊杆采用索单元模拟，其他为空间梁单元。

图1 有限元模型图2 一次成桥验证2 问题重现在公路-Ⅱ级作用下，位移达到1756mm，如下图：图3 移动荷载最大竖向位移3 问题分析一次成桥验证，桥梁的位移基本满足要求，表明在恒载作用下，索单元的无应力长度是合适的，成桥的设计状态是合理的。

此时，关于索单元有大位移分析需要的几何刚度，到拆分析需要的平衡单元节点内力，以及小位移线性分析需要的初始单元内力。

施工阶段分析控制当进行移动荷载分析时，索单元自动转化为桁架单元并考虑初始单元内力的影响（几何刚度），进行线性分析，此时移动荷载的分析状态为：活载+桁架单元（考虑初始单元内力）+成桥边界。

但要注意，初始单元内力只有刚度效应，没有内力效应。

实际移动荷载的分析状态为：活载+桁架单元（考虑初始单元内力）+桁架单元初拉力（由恒载内力产生）+成桥边界。

对比发现，相差桁架单元初拉力，因此，程序进行移动荷载分析时，输出的位移是没有实际意义的。

4 验证建立成桥模型：索改为桁架单元，给桁架单元添加恒载产生的初拉力，这样自重+初拉力进行线性分析时，应该达到成桥平衡状态。

这也是实际的成桥分析状态。

图4 桁架模型成桥状态由图可以看出，在自重+初拉力作用下，基本满足设计状态。

分别查看MVmax+初拉力和MVmin+初拉力位移此时查看的位移，才是有实际意义的。

但要注意仅是指线性分析合理的情况。

5 结果分析实际位移达到1372mm，表明该桥的成桥刚度非常小，可以从成桥（自重）吊杆力看出。

汽车活载产生的吊杆力达到44KN，比自重产生的都大，对于这样的柔性结构来说，必然会发生较大位移，只有当活载产生的比重较小，进行线性分析才会有意义，这也是实际悬索桥结构的处理本质。

因此，对于本桥，按照桁架单元进行线性也是没有意义的。

正确做法，应是按照满载和半跨布载将移动荷载转化为静力工况进行非线性分析，位移结果应该会减小。

midas Civil 技术资料----移动荷载设置流程目录midas Civil 技术资料1 ----移动荷载设置流程1 一、定义车道线（车道面）2 二、定义车辆荷载5 三、定义移动荷载工况7 四、移动荷载分析控制9 五、运行并查看分析结果12 参考文献14北京迈达斯技术有限公司 桥梁部 2013/05/17本章主要结合中国规范JTG D60-2004[1]进行纵向（顺桥向）移动荷载分析介绍，移动荷载分析主要是计算移动荷载（车道、车辆或人群荷载）在指定路径上（车道线、车道面）移动时产生的各种效应（反力、内力、位移、应力）的包络结果，具体分析过程如下：（1）定义车道线/面；（2）定义车辆荷载--车道荷载、车辆荷载、人群荷载等活荷载；（3）定义移动荷载工况；（4）定义移动荷载分析控制；（5）运行分析并查看结果。

一、定义车道线（车道面）荷载>移动荷载>移动荷载规范-china，定义车道线或车道面，确定移动荷载路径，程序提供车道单元和横向联系梁两种方法，其中，车道单元法是将作用在车道中心线上的荷载换算到车道单元上（换算为集中力和扭矩），单梁模型中常用；而横向联系梁法是将移图1-1车道单元法及横向联系梁法示意图动荷载作用在横梁上，然后由横梁按比例传递到临近的纵梁单元上，梁格模型中常用，此时需要将横梁定义成为一个结构组，传力示意如图1-1所示。

随后即可进行车道线定义，首先是“斜交角”设置，对于斜桥梁格模型可以输入起点和终点的斜交角度，此设置需跟横向联系梁法配合使用，车道单元法不需要设置此项。

“车辆移动方向”，对于直桥，选择三者无差别；如果是斜桥，则车辆移动方向不同，分析结果也不同，故要选择“往返”。

图1-2车道单元法及横梁联系梁法定义图示 “偏心距离”的输入，蓝色虚线为车道中心线的位置，Start-End 为车道单元，以顺桥向为基准，当车道中心线在车道单元的左侧时，偏心距离a 为负值，右侧为正值。

桥梁移动荷载时程分析时程分析(time history analysis)是通过动力方程式对受动力荷载作用的的结构进行求解的过程，即根据结构本身的特性和所受的荷载来分析其在任意时刻结构的反应，如位移、内力等。

时程分析方法可分为直接积分法(direct Integration)和振型叠加法(modal superpositio n)，MIDAS/Civil中包含了这两种分析方法。

下面通过对桥梁结构的移动荷载进行时程分析，来介绍使用MIDAS/Civil进行时程分析的方法，其具体步骤如下。

1. 建立结构模型2. 输入质量数据3. 输入特征值分析数据4. 进行特征值分析5. 分析特征值分析结果6. 输入时程分析数据7. 进行时程分析8. 查看时程分析结果建立结果模型例题如图1所示，为一30m 跨的单跨桥梁，所施加的车辆荷载可将其理想化为如图2所示的三角形荷载。

模型的尺寸和荷载等数据如下：截面ZX图1. 例题模型特性值单元类型 : 梁单元 材料混 凝 土 : 30号混凝土 弹性模量 : E=3.0303x104 MPa截面特性惯 性 矩 : I = 3333333 cm 4 截面面积 : A = 400 cm 2荷载由于车辆荷载作用在节点时是个瞬间作用后随即消失的一种冲击荷载，所以在这里将其近似地模拟为最大值为1kN 的三角形荷载，其中时间t 1和t 2间的时间差由车辆的速度和所建模型的节点间距来决定。

121 kN图2. 将车辆荷载近似模拟为三角形荷载车速为80 km/hr ，所以t 1=单元长度/车速=0.5 m/(80 km/hr)=0.0225 sec t 2= t 1x 2 =0.045 sec输入质量数据振型叠加法是根据特征值分析的结果来进行的，所以需要输入特征值分析所需的质量数据。

MIDAS/Civil中输入质量数据的方法有节点质量、将荷载转换为质量、将结构自重转换为质量等方法，这里使用第三种方法将结构的自重转换为节点质量(lumped mass)。

midas Civil 技术资料----移动荷载设置流程目录midas Civil 技术资料1 ----移动荷载设置流程1 一、定义车道线（车道面）2 二、定义车辆荷载5 三、定义移动荷载工况7 四、移动荷载分析控制9 五、运行并查看分析结果12 参考文献14北京迈达斯技术有限公司 桥梁部 2013/05/17本章主要结合中国规范JTG D60-2004[1]进行纵向（顺桥向）移动荷载分析介绍，移动荷载分析主要是计算移动荷载（车道、车辆或人群荷载）在指定路径上（车道线、车道面）移动时产生的各种效应（反力、内力、位移、应力）的包络结果，具体分析过程如下：（1）定义车道线/面；（2）定义车辆荷载--车道荷载、车辆荷载、人群荷载等活荷载；（3）定义移动荷载工况；（4）定义移动荷载分析控制；（5）运行分析并查看结果。

一、定义车道线（车道面）荷载>移动荷载>移动荷载规范-china，定义车道线或车道面，确定移动荷载路径，程序提供车道单元和横向联系梁两种方法，其中，车道单元法是将作用在车道中心线上的荷载换算到车道单元上（换算为集中力和扭矩），单梁模型中常用；而横向联系梁法是将移图1-1车道单元法及横向联系梁法示意图动荷载作用在横梁上，然后由横梁按比例传递到临近的纵梁单元上，梁格模型中常用，此时需要将横梁定义成为一个结构组，传力示意如图1-1所示。

随后即可进行车道线定义，首先是“斜交角”设置，对于斜桥梁格模型可以输入起点和终点的斜交角度，此设置需跟横向联系梁法配合使用，车道单元法不需要设置此项。

“车辆移动方向”，对于直桥，选择三者无差别；如果是斜桥，则车辆移动方向不同，分析结果也不同，故要选择“往返”。

图1-2车道单元法及横梁联系梁法定义图示 “偏心距离”的输入，蓝色虚线为车道中心线的位置，Start-End 为车道单元，以顺桥向为基准，当车道中心线在车道单元的左侧时，偏心距离a 为负值，右侧为正值。

MIDAS软件常见提问与解答Part I. 部分使用说明1.定义移动荷载的步骤●在主菜单的荷载>移动荷载分析数据>车辆中选择标准车辆或自定义车辆。

●对于人群移动荷载，按用户定义方式中的汽车类型中的车道荷载定义成线荷载加载(如将规范中的荷载0.5tonf/m**2乘以车道宽3m，输入1.5tonf/m)。

定义人群移动荷载时，一定要输入Qm和Qq，并输入相同的值。

集中荷载输入0。

●布置车道或车道面(梁单元模型选择定义车道，板单元模型选择定义车道面)，人群荷载的步行道也应定义为一个车道或车道面。

●定义车辆组。

该项为选项，仅用于不同车道允许加载不同车辆荷载的特殊情况中。

●定义移动荷载工况。

例如可将车道荷载定义为工况-1，车辆荷载定义为工况-2。

在定义移动荷载工况对话框中的子荷载工况中，需要定义各车辆要加载的车道。

例如:用户定义了8个车道，其中4个为左侧偏载、4个为右侧偏载，此时可定义两个子荷载工况，并选择“单独”，表示分别单独计算，程序自动找出最大值。

在定义子荷载工况时，如果在“可以加载的最少车道数”和“可以加载的最大车道数”中分别输入1和4，则表示分别计算1、2、3、4种横向车辆布置的情况(15种情况)。

布置车辆选择车道时，不能包含前面定义的人群的步行道。

●定义移动荷载工况时，如果有必要将人群移动荷载与车辆的移动荷载进行组合时，需要在定义移动荷载工况对话框中的子荷载工况中，分别定义人群移动荷载子荷载工况(只能选择步道)和车辆的移动荷载子荷载工况，然后选择“组合”。

2.关于移动荷载中车道和车道面的定义●当使用板单元建立模型时a. 程序对城市桥梁的车道荷载及人群荷载默认为做影响面分析，其他荷载(公路荷载和铁路荷载)做影响线分析。

b. 只能使用车道面定义车的行走路线。

对于城市桥梁的车道荷载及人群荷载以外的荷载，输入的车道面宽度不起作用，按线荷载或集中荷载加载在车道上。

c. 对于城市桥梁的车道荷载及人群荷载，在程序内部，自动将输入的荷载除以在”车道面”中定义的车道宽后，按面荷载加载在车道上。

目录Q1、钢束布置形状中坐标轴与适用桥型的关系 (2)Q2、如何进行体外预应力模拟？ (2)Q3、目前程序可以进行哪些移动荷载分析 (2)Q4、车道和车道面定义时的注意事项 (2)Q5、车道单元、虚拟车道、横向联系梁都适用于哪些情况？ (2)Q6、车道定义时桥梁跨度和跨度始点的作用 (3)Q7、车辆荷载定义时车轮宽度的影响 (3)Q8、人群荷载定义时“宽度”的作用 (3)Q9、公路车道荷载和城市车道荷载计算时荷载取值原则 (3)Q10、移动荷载工况定义中单独与组合的应用 (3)Q11、移动荷载分析控制选项 (4)Q12、移动荷载分析时如何得到同时发生反力情况 (4)Q13、公路QC移动荷载分析时的QC加载方法 (5)Q14、移动荷载分析时不能使用的其他功能 (6)Q1、钢束布置形状中坐标轴与适用桥型的关系A1．直线法：适用于所有类型构件的钢束布置；曲线法：仅适用于圆曲线梁上的钢束布置；单元法：仅适用于直梁、斜梁上的钢束布置。

严禁用于弯桥钢束布置中。

Q2、如何进行体外预应力模拟？A2．体外预应力有两种，一种是体外预应力钢筋，一种是体外预应力拉索。

前者用钢束预应力荷载模拟，钢束特性值选择体外；后者通过建立拉索的桁架单元来模拟拉索，并对拉索施加初拉力荷载模拟体外荷载。

用体外预应力钢筋模拟时，体外放大弯矩在线帮助说的很清楚：输入计算抗弯承载力时所需的体外束的有效预应力的增加量。

所输入的预应力增加量将用于预应力混凝土结构的设计中。

这项内容仅在PSC设计的抗弯承载力计算时作为预应力提供的抗弯承载力的一部分存在。

可以不予输入。

体外类型荷载工况是专门针对成桥阶段桁架单元施加初拉力而言的，在成桥阶段，默认桁架单元的初拉力荷载的加载方式为体内力，如果要按体外力形式加载，可以通过设置体外荷载类型来实现。

该功能对其他单元、其他荷载分析不起作用。

在施工阶段，桁架单元初拉力的加载方式是体内还是体外，可以在施工阶段分析控制选项中指定。

跟随例题三维移动列车荷载案例1.1学习目的列车振动是周期加载现象,这是由于火车车轮间隔性地与铁轨发生震动。

振动周期与铁轨间距及列车速度有关。

列车振动受到各种因素的影响,如车辆、轨道、支撑结构、地面、地下结构等。

这些因素是交互作用,激发和传播的,是比较复杂的振动现象。

通过本例题可以学习如下的主要功能及分析方法： •从二维网格拓展生成三维网格 •特征值分析 •生成移动列车荷载•分析结果——周围环境的振动效应和竖向地面沉降 •分析结果——建立随时间变化曲线 1.2模型和分析总概述本例题主要分析了列车移动荷载通过路堤时，振动荷载对周围结构和地表的影响。

首先建立由三个不同材料构成的地层以及由上面的上部路基、下部路基、加固层生成路基，然后最终在最上层生成道床。

第1部分学习目的及概要▶列车移动荷载Chapter 10. 3D Moving Train Load Time History Basic Tutorials跟随例题[打开附件中的开始模型(10_train_start)] *:分析>分析工况>设置•设置模型类型、重力方向、初始参数及分析用的单位制。

单位制可以在建模过程及确认分析结果时修改，根据设置的单位制将自动换算参数。

•本例题是把Z 轴作为三维模型的重力方向，单位制使用SI 单位制(kN,m) 。

第2部分分析设置▶分析设置Chapter 10. 3D Moving Train Load Time History Basic Tutorials3.1定义岩土和结构材料定义材料的本构模型时，岩土选择“莫尔-库伦”。

路基不需要考虑非线性，因此选择“弹性”。

岩土和结构材料定义如下[Unit : kN, m] 名称软岩风化土淤泥底层路基上层路基加固路基路面材料各向同性各向同性各向同性各向同性各向同性各向同性各向同性模型类型莫尔-库伦莫尔-库伦莫尔-库伦莫尔-库伦莫尔-库伦莫尔-库伦弹性一般弹性模量(E) 1.2E+06 2.0E+04 2.0E+04 1.0E+05 3.0E+04 1.3E+05 2.3E+07 泊松比(v) 0.28 0.28 0.35 0.30 0.35 0.25 0.18 容重(r) 22 20 18 20 19 19 25 Ko 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 渗透性容重（饱和）22 20 18 20 19 19 25初始孔隙比0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 排水参数排水排水排水排水排水排水排水非线性粘聚力100 20 100 15 0 -摩擦角37 30 28 40 31 35 - 第3部分定义材料及特性▶表.岩土材料.▶定义岩土材料- 一般▶▶定义岩土材料–渗透性▶▶▶定义岩土材料–非线性跟随例题3.2定义属性属性体现网格的物理特性，在网格划分时将分配到网格组上。

10-移动荷载定义移动荷载定义分四个步骤：1.定义车道（适用于梁单元）或车道面（适用于板单元）；2.定义车辆类型；3.定义移动荷载工况；4.定义移动荷载分析控制——选择移动荷载分析输出选项、冲击系数计算方法和计算参数。

（一）、车道及车道面定义移动荷载的施加方法，对于不同的结构形式有不同的定义方法。

对于梁单元，移动荷载定义采用的是车道加载；对于板单元，移动荷载定义采用的是车道面加载。

对梁单元这里又分为单梁结构和有横向联系梁的梁结构，对于单梁结构移动荷载定义采用的是车道单元加载的方式，对于有横向联系梁的结构移动荷载定义采用的是横向联系梁加载的方式。

对于单梁结构的移动荷载定义在PSC设计里边已经讲过了，这里介绍的是有横向联系梁结构的移动荷载定义以及板单元移动荷载定义。

横向联系梁加载车道定义：在定义车道之前首先要定义横向联系梁组，选择横向联系梁，将其定义为一个结构组。

车道定义中移动荷载布载方式选择横向联系梁布载（图1），然后选择车道分配单元、偏心距离、桥梁跨度后添加即可完成车道的定义。

图1 采用横向联系梁布载时车道定义车道面定义（图2）：对于板单元建立的模型进行移动荷载分析时，首先需要建立车道面。

输入车道宽度、车道偏心、桥梁跨度、车道面分配节点后添加即可完成车道面定义。

（二）、车辆类型选择无论是梁单元还是板单元在进行移动荷载分析时，定义了车道或车道面后，需要选择车辆类型，车辆类型包括标准车辆和用户自定义车辆两种定义方式（图3）。

（三）、移动荷载工况定义定义了车道和车辆荷载后，将车道与车辆荷载联系起来就是移动荷载定义。

在移动荷载子工况中选择车辆类型和相应的车道，对于多个移动荷载子工况在移动荷载工况定义中选择作用方式（组合或单独），对于横向车道折减系数程序会自动考虑（图4）。

（四）移动荷载分析控制在移动荷载分析控制选项中选择移动荷载加载位置、计算内容、桥梁等级、冲击系数计算方法及计算参数（图5）。

图3 车辆类型选择加载位置计算内容 桥梁等级法和计算参数道面定义 子荷载工况定义 各子图4 移动荷载工况定义 图5 移动荷载分析控制选项注意事项总结：1、车道面只能针对板单元定义，否则会提示“影响面数据错误”。