(二)MIDAS 建模之单跨拱桥 (1)

Midas拱桥模型的建立及虚设梁解释引言：Midas工程模拟软件是一款广泛应用于工程领域的系统分析与设计软件。

在Midas桥梁设计模块中，拱桥模型是常用的一种模型，其建立过程和虚设梁的解释对于理解整个桥梁系统的行为至关重要。

本文将详细介绍Midas拱桥模型的建立过程，并解释虚设梁在这一过程中的作用和意义。

正文：一、Midas拱桥模型的建立过程1. 参数设定：在建立拱桥模型之前，首先需要设定一些参数，包括桥梁的几何形状、材料性质、荷载等。

这些参数的准确设定对于模型的建立和后续的分析至关重要。

2. 建立桥梁轴线：使用Midas软件中的工具，可以通过输入桥梁的几何形状参数来自动生成桥梁轴线。

桥梁轴线是桥梁整体结构的基础，其准确性和合理性直接影响到后续分析的可靠性和准确性。

3. 建立拱模型：根据桥梁轴线的数据，在Midas软件中进行拱模型的建立。

这通常涉及到细分拱桥轴线，确定拱顶高度和拱顶半径等。

拱模型的建立需要仔细考虑桥梁的几何特征和荷载特点，以确保模型的合理性和准确性。

4. 节点定义与连接：在建立拱模型后，需要定义节点并进行连接。

节点是拱模型中的关键要素，用于连接拱顶和拱穿。

在连接过程中，需要考虑节点的位置、角度和连接方式等因素，以确保节点的稳定性和合理性。

5. 施加荷载：在拱桥模型建立完成后，需要为其施加荷载。

Midas软件中提供了丰富的荷载施加工具，可以根据实际情况对桥梁进行施加静载荷、动载荷等。

荷载施加的准确性和合理性对于模型的分析结果至关重要。

二、虚设梁的解释与作用1. 虚设梁的含义：在拱桥模型的建立中，虚设梁是一种替代拱顶和拱穿的虚拟结构。

虚设梁类似于一根完美的刚性杆件，将拱顶与拱穿之间的连接点以及中间的节点连接起来。

2. 虚设梁的作用：a. 减少模型复杂度：通过引入虚设梁，可以简化拱桥模型的几何结构，减少节点数目和单元数目。

b. 提高分析效率：由于虚设梁具有完美的刚性特征，其分析过程更简化，计算效率更高。

midas Civil 培训例题集拱桥专题目录一.拱桥概述 ................................................................................................................................................................................................. - 1 -1.1 按照静力图式拱桥分类 ....................................................................................................................................................................... - 1 -1.2 按照桥面所处空间位置拱桥分类......................................................................................................................................................... - 1 -1.3 主拱圈的截面形式分类 ....................................................................................................................................................................... - 2 -二.midas Civil中的吊杆拱桥分析功能 .......................................................................................................................................................... - 2 -2.1 拉索单元模拟...................................................................................................................................................................................... - 2 -2.2 未知荷载系数法功能........................................................................................................................................................................... - 3 -2.3 索力调整功能...................................................................................................................................................................................... - 4 -三.拱桥实例分析.......................................................................................................................................................................................... - 5 -3.1 系杆拱桥模型概况............................................................................................................................................................................... - 5 -3.2 系杆拱桥成桥分析............................................................................................................................................................................... - 5 -3.3 系杆拱桥施工阶段仿真模拟.............................................................................................................................................................. - 11 -3.4 拱桥的稳定分析 ................................................................................................................................................................................ - 14 -3.5 混凝土拱桥模型模拟与设计关键点................................................................................................................................................... - 14 -一. 拱桥概述拱桥（archbridge）指的是在竖直平面内以拱作为上部结构主要承重构件的桥梁。

桥梁工程MIDAS建模方案1. 引言桥梁工程在交通基础设施中具有重要的地位，其承载着车辆和行人的重量，必须具备充分的强度和稳定性。

MIDAS是一款专业的结构建模软件，被广泛用于桥梁工程的建模和分析。

本文将介绍如何使用MIDAS进行桥梁工程的建模。

2. 建模流程2.1 数据准备在建模之前，需要准备以下数据：•桥梁的设计图纸或CAD文件•桥梁的材料参数，如混凝土的强度等•桥梁的荷载信息，如车辆荷载、自重等2.2 建立模型使用MIDAS建模软件，按照以下步骤建立桥梁模型：1.导入设计图纸或CAD文件，根据设计要求创建桥梁的几何形状。

2.根据桥梁的材料参数，设置梁、柱等构件的材料属性。

3.设置梁、柱等构件的截面属性，包括形状、尺寸等。

4.根据桥梁的荷载信息，定义荷载类型和大小，如车辆荷载、自重等。

5.将荷载应用到桥梁模型中的相应位置。

2.3 边界条件设置为确保建模结果的准确性，需要设置正确的边界条件。

以下是设置边界条件的步骤：1.设置支座条件：根据实际情况确定桥梁的支座类型和位置，并设置支座的约束条件。

2.设置约束条件：根据实际情况，设置构件的约束条件，如固支、铰支等。

2.4 材料模型定义MIDAS提供了多种材料模型供选择，根据桥梁的具体材料特性选择合适的材料模型，并进行参数设置。

2.5 荷载分析完成模型的建立和边界条件的设置后，使用MIDAS进行荷载分析。

以下是荷载分析的步骤：1.设置分析类型：根据需要选择静力分析、动力分析、地震分析等。

2.进行荷载分析：根据桥梁的设计要求和实际情况，设置荷载类型和大小，并进行荷载分析。

3. 结果分析完成荷载分析后，可以对建模结果进行分析。

以下是结果分析的步骤：1.查看计算结果：MIDAS会生成桥梁各部位的应力、变形等计算结果，可以通过查看计算结果来评估桥梁的性能。

2.进行结果分析：根据计算结果，进行桥梁的强度、稳定性等性能分析。

4. 结论本文介绍了使用MIDAS进行桥梁工程建模的方案。

该过程是将三垮桥的运营状态进行有限元分析，下面介绍了本人在对模型模拟的主要步骤，若中间出现的错误，请读者朋友们指出修改。

注：“，”表示下一个过程“（）”该过程中需做的内容一．结构1.单元及节点建立的主桁：因为桥面具有一定纵坡，故将《桥跨布置》图的桥面线复制到《节段划分》图对应桥跨位置，然后进行单元划分，将该线段存入新的图层，以便下步导入，将文件保存为.dxf格式文件。

2.打开midas运行程序，将程序里的单位设置成《节段划分》图的单位，这里为cm。

导入上步的.dxf文件。

将节点表格中的z坐标与y坐标交换位置（midas中的z与cad中的y对应）。

结构建立完成。

模型如图：二．特性值1.材料的定义：在特性里面定义C50的混凝土及Strand1860(添加预应力钢筋使用)2.截面的赋予：1).在《截面尺寸》和《预应力束锚固》图里，做出截面轮廓文件，保存为.dxf 文件2).运行midas，工具，截面特性计算器，统一单位cm。

导入上步的.dxf文件先后运行generate，calculate property，保存文件为.sec文件，截面文件完成3)运行midas，特性，截面，添加，psc，导入.sec文件。

根据图例，将各项特性值填入;验算扭转厚度为截面腹板之和；剪切验算，勾选自动；偏心，中上部4)变截面的添加：进入添加截面界面，变截面，对应单元导入i端和j端（i为左，j为右）；偏心，中上部；命名(注：各个截面的截面号不能相同)5）变截面赋予单元：进入模型窗口，将做好的变截面拖给对应的单元。

注：1.建模资料所给的《预应力束锚固图》的0-0和14-14截面与《节段划分》图有出入，这里采用《截面尺寸》做这两个截面，其余截面按照《预应力束锚固图》做2.定义材料先定义混凝土，程序自动将C50赋予所建单元（C50是定义的第一个材料，程序将自动赋予给所建单元）三．边界条件1.打开《断面》图，根据I、II断面可知，支座设置位置。

钢管混凝土拱桥计算日志（一）（1）计算以2类稳定分析为主要目的，使用Midas和Ansys进行对比，首先要进行静力计算，最后可能还需要进行抗风和抗震计算。

（2）静力计算：漂浮体系，少支架法架拱肋。

因此设计阶段在Midas和Ansys都不模拟施工阶段联合截面，认为在混凝土和钢管成为整体后，才参与受力。

Midas里第一阶段包括钢管和混凝土拱肋、风撑、端横梁、系杆。

受的力就是自重，系杆初张拉。

第二阶段上横梁、小纵梁，系杆第2次张拉，吊杆张拉，第三阶段上桥面铺装，计算拱肋预拱度、横梁的安装坐标、吊杆的张拉力，修改模型。

最后是移动荷载，计算的目的一个是检算应力和强度，主要目的还是给稳定计算提供基本荷载。

而在Ansys则模型和Midas类似，同样3个施工阶段，共节点的2个单元模拟拱肋，系杆和吊杆张拉用降温的方法。

（3）目前，第一个施工阶段已经完成，Midas和Ansys对比合理，系杆张拉力的确定用支座水平位移为0来控制。

（4） midas的小纵梁弹性支撑修正，并在ansys里修改，确定第2次张拉的张拉力。

验证施工阶段的内力累计、位移累计计算都是正确的（5）加桥面铺装，确定第3次系杆张拉力，调整拱肋预拱度，调整吊杆力；（6）模拟的车辆荷载、确定最大吊杆力和端横梁反力。

（7）稳定、地震计算确定不考虑桥面和吊杆。

钢管混凝土拱桥计算日志（二）今天仔细的看了很多论文，有了一些体会：1、钢管混凝土拱桥计算中的特殊问题（1）铰接桥面系的横向纵向分析，横梁的加载计算方法；（2）拱的预拱度设置和吊杆力计算；（3）3向受压状态下混凝土的徐变变形问题（弹模减少？）；2、稳定分析：（1）吊装过程仿真分析：主要也是2类稳定分析；现在看来少支架状态下，在钢管上加混凝土的稳定系数，很可能是最危险的；（2）跨度小的时候拱的预拱度似乎对稳定影响不大；（3）稳定系数的计算，K=(Pd+a*Ph)/(Pd+Ph)，a是增量系数，分母不考虑非线性。

一、建模思路1、定义材料和截面按给定材料和截面数据定义相关材料和截面,其中虚设梁为指定车辆移动荷载而设.对虚设梁的材料和截面可输入任意的足够小的值以使其不致于对分析结果产生影响。

2.建模先利用拱桥建模助手，输入矢高和跨径，生成拱肋。

然后利用扩展线单元,选择“投影”并选中吊杆节点，选择相应材料、截面建立吊杆。

全选复制生成另一拱肋及吊杆单元。

扩展线单元生成横系梁及纵梁，桥面系斜撑的建立可先复制后镜像生成。

最后建立拱上斜支撑和横向支撑及虚拟梁。

(其中吊杆单元为桁架单元，其余均为梁单元）。

建立完成后的模型如图1：图1.全桥模型3.边界条件按照题目所给B1—B4约束条件对模型施加边界约束,支撑构件的两端对单元坐标系y、z轴为铰接条件，与主梁相连接的横系梁两端对单元坐标系y、z轴为铰接条件。

吊杆与拱肋及主梁选择刚性连接。

边界施加后如图2所示。

图2.边界条件4. 车辆移动荷载和静力荷载按要求输入人行道荷载和固定荷载,加载方式为梁单元均布加载。

以虚拟梁为参照，进行车辆移动荷载加载。

选择的公路工程技术标准（JTG B01—2003)的荷载，程序默认为公路-I 级荷载。

移动荷载分析控制数据里需输入基频，因此需将自重转换为质量,并将恒载转为质量，求解出基频.经计算,基频为0.000442。

程序运行结果如图3所示。

（附：可能是程序破解狗有问题，程序得出的基频不正常,太偏小。

）图3。

自振周期及频率为求得吊杆初张力，先假设为18根吊杆初张力均为1KN。

运行结果后再进行调试.初张力数值表如图4所示。

图4.初张力数据表5。

运行分析，查看结果运行后，进行荷载组合。

将自重、固定荷载及人行道荷载组合做为恒载状况。

分别查看恒载和活载内力图及变形图。

图形结果如图所示。

图5。

恒载作用下内力图图6.活载作用下内力图图7。

恒载作用下变形图图8.活载作用下变形图二、吊杆力计算及吊杆优化设计1。

刚性支承连续梁法所谓刚性支承连续法就是求一组恒载张拉力值，使系梁与吊杆连接处节点在恒载和张拉力的作用下,在成桥状态下的位移为零,并且同时认为系梁内的弯矩为刚性支承连续梁弯矩.可见此处在确定吊杆的内力时，主要以位移为控制目标(若为一次落架时同于零位移法）,以保证最终成桥时的线型。

迈达斯桥梁建模基础介绍对于结构工程师来说，掌握一款简单易用的有限元计算软件对于工作效率的提升，是必不可少的。

现在流行的各种通用以及专业有限元软件均具有良好的可视化功能，通过数据以及图形的交互功能，结构工程师可以更好的分析结构的受力情况，从而加深对于结构整体以及局部受力特性的认识。

然而，并非所有的有限元计算软件都具有快捷、简便而人性化的操作界面以及程序语言，笔者曾使用Midas Civil、JQJS、桥梁博士、ANSYS及SAP等有限元程序进行桥梁结构分析，通过对比后发现，Midas Civil在进行线弹性静力分析，尤其是施工阶段分析时，相比其他几种有限元软件更加便捷，而目前全球市场化最好的大型有限元通用软件ANSYS由于其特有的程序化设计语言APDL，在进行高端结构分析时，具有明显优势。

所以，对于刚刚接触有限元程序的桥梁结构工程师来说，笔者推荐选用Midas Civil作为起步软件，它人性化的界面设置以及与Excel良好的互通性将帮助使用者更快的走入有限元程序的大门。

下面将介绍Midas Civil用于桥梁结构分析的基本建模过程。

1 定义材料与截面特性作为有限元计算的第一步工作，笔者习惯首先定义材料特性，迈达斯中提供了国内外常用的各种材料的材料特性，使用者可根据实际情况选择，对于跨径较大的桥梁上部结构来说，一般采用的混凝土为C50，而钢绞线一般选取Strand1860,选取方法如下所示（注意，普通钢筋材料特性无需在此添加）：点击右上角的添加键，弹出如下对话框，选取完成后点击适用键，如下图所示：之后需要定义截面特性，这里需要注意的是，对于需要配置普通钢筋的截面，需采用设计截面，设计截面中提供了多种截面类型供使用者选择，但笔者认为更加便捷的定义方式为使用AutoCAD绘制截面，并另存为dxf格式，而后使用程序提供的截面特性计算器导入dxf格式的截面，并进行截面特性计算，最后将其存为设计用数值截面导入迈达斯主程序中。

midas建模建立新项目并命名及保存定义单位体系订制相应工具条本模型处于整体坐标系的x-z平面，即x方向为杆系长度方向，z 方向为竖直方向。

定义材料和截面在‘材料’工具栏添加材料包括规范类型和数据库。

在‘截面’工具栏中选择适合的截面类型。

输入节点和单元在X-Z坐标面内定义原点（建立节点（0,0,0）单选节点1，等间距的复制和移动节点建立单元（在单元工具栏新建输入边界条件参考地质资料对桥梁的边界条件进行模拟和定义输入荷载查看结果1.建立一个模型的第一步就是要建立符合你需要的单位体系，一般用KN，M，可以在软件右下角直接进行设置，如下图：也可以在工具→単位系中进行设置，如下图：2.定义材料和截面定义材料→特性→材料特性值→材料，截面，因为是铁路桥，所以我们材料规范选择TB05（RC）—《TB10002.3-2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》截面输入时应设置相应单位。

（在首先建立模型的时候，可以直接应用MIDAS给定的规范数据库中的材料来定义，但是在实际的工程中，要根据实际的情况来设置一些参数，如泊松比、弹性模量、线膨胀系数等。

这个时候要用自定义材料参数来定义。

）截面定义：截面定义有许多种方法，可以采用调用数据库中截面（标准型钢）、用户定义、采用直接输入截面特性值的数值形式、导入其他模型中已有截面。

参考图纸，对于有收坡比的桥墩，可以采用将变截面转化为变截面组来实现。

变截面的添加：进入添加截面界面，变截面，对应单元导入i端和j端；并命名(注：各个截面的截面号不能相同)。

变截面组就是变截面赋予单元，进入模型窗口，将做好的变截面拖给对应的单元即可。

变截面设定：特性→截面特性值→添加→变截面→输入i.j截面数据变截面组设定：单元→变截面组→在单元列表中选中需要赋予变截面特性的单元，输入组名称（随便输入就好，只要自己好记，并不和其他变截面组名称重复就行）3.建立节点：首先要明白节点是有限元模型最基本的单位，节点不代表任何的实际桥梁结构只是用来确定构件的位置。

3.跟MIDAS学结构力学之拱结构分析目录1．连续梁分析/ 22．桁架分析/ 203．拱结构分析/ 394．框架分析/ 575．受压力荷载的板单元/ 776．悬臂梁分析/ 977．弹簧分析/ 1208．有倾斜支座的框架结构/ 1419．强制位移分析/ 16210．预应力分析/ 17911．P-Δ分析 / 18812．热应力分析/ 20913．移动荷载分析/ 23314．特征值分析/ 24715．反应谱分析/ 26116．时程分析/ 28117．屈曲分析/ 3053. 拱结构分析概述分析拱高度(H)和长度(L)之比(H:L)分别为1:4、1:5和1:7的拱结构，比较其产生的位移和内力。

拱肋吊杆主梁图 3.1 分析模型➢材料钢材类型 : 1: Grade3➢截面拱肋 : 箱形 1000 × 1000 × 20 mm主梁 : 箱形 1000 × 1000 × 20 mm吊杆 : 工字形截面500 × 200 ×10 /16 mm➢荷载均布荷载 : 10.0 tonf/m设定基本环境打开新文件，以‘拱.mgb’为名存档。

设定长度单位为‘m’, 力的单位为‘tonf’。

文件 / 新文件文件 / 保存 (拱)工具 / 单位体系长度 > m ; 力 > tonf ↵图 3.2 设定单位体系设定结构类型为X-Z平面。

模型/ 结构类型结构类型> X-Z 平面↵定义材料和截面定义材料为Grade3，定义各个构件的截面。

吊杆选择数据库中的工字形截面。

模型 / 特性 /材料类型>钢材规范>GB(S) ; 数据库>Grade3 ↵模型 / 特性 /截面截面数据截面号 ( 1 ) ; 名称 ( 肋和梁 ) 截面形状>箱形截面 ; 用户H ( 1 ) ; B ( 1 ) ; tw ( 0.02 ) ; tf1 ( 0.02 ) ↵截面号( 2 ) ; 截面形状 >工字形截面 ; 数据库>GB-YB名称 > HN 500×200×10/16↵在截面名称栏里可以直接输入截面名称或者选择数据库栏里的所需截面。

桥梁软件应用单跨拱桥结构分析专业：道路桥梁班级： 1009951姓名：王祥学号： 100995123目录一、设计题目..................................................................................................................................... - 1 -二、设定操作环境............................................................................................................................. - 1 -三、输入构件材料及截面................................................................................................................. - 1 -1、材料 (1)2、截面 (2)四、建模............................................................................................................................................. - 5 -1、主梁 (5)2、拱肋 (6)3、吊杆 (7)4、复制拱单元 (8)5、纵梁 (8)6、横系梁 (8)7、水平斜支撑 (9)五、结构边界条件........................................................................................................................... - 10 -六、输入静力荷载. .......................................................................................................................... - 11 -静力荷载组合图示： (12)七、计算结果. .................................................................................................................................. - 12 -1、拱桥整体变形图. (12)2、主梁弯矩图 (13)3、主梁剪力图 (14)一、设计题目单跨拱桥结构分析1.在菜单—环境设置—项目信息中输入项目名称。

设计说明书J一．方案的设计思路1.模型的基本背景实验要求制作一个单跨的木桁梁（拱）桥梁模型。

模型制作完成后拿到实验室进行模型加载实验：在小车及以上的荷载的作用下，保证模型结构的强度、刚度、稳定性。

在此前提之下模型要求尽可能轻盈（控制模型的重量），同时承载的荷载尽可能多。

（1）. 材料种类和材料尺寸模型所用的材料为学校统一订发得材料，其中包括：桐木条、棉线和502胶水。

桐木条的截面尺寸包括：6mm×6mm；4mm×4mm；2mm×2mm三种截面可供选择。

根据查找资料和实际测定得到：桐木条的大约密度是0.37g/cm3，顺纹弹性模量为1.0×104 MPa，顺纹抗拉强度30Mpa（2）. 模型的结构要求模型制作规定：要求计算跨度为900mm，全长不大于1000mm；桥梁宽度为150mm；桥梁高度在100mm至200mm之间自行选定；两片主梁（桁）的间距要保证在150mm，误差宜在3mm内。

模型制作中要保证结构受力体系的合理，保证结构强度、刚度、稳定性德要求。

通过计算得出主要杆件和次要杆件，采用不同的截面尺寸。

注意在杆件接头要粘接牢固。

梁的两端可适当加固，以加强支座处的局部承载能力。

（3）.模型方案的比选推优起拱式桥梁和桁梁式桥梁的比选。

拱式桥梁是一种有推力的结构，它的主要内力是轴向压力。

拱在同样荷载作用下，拱脚支座产生水平反力（也叫推力）。

它起着抵消荷载引起的弯曲作用，从而减少了拱杆的弯矩峰值。

优点在于能承受更大的弯矩，同时采用了弧形，造型也比较的优美；同时它的缺点也是比较明显的：由于起拱产生了水平的推力，需要水平方向的支座进行支承。

同时这种结构的制作工艺也比较的复杂。

桁梁式桥梁是一种组合结构，优点是：能充分发挥杆件的潜力，节约用材，杆件不但能承担轴向力，而且还能承担弯矩和剪力。

同时模型制作方面也比较的简单。

综合以上的分析和讨论，觉得起拱式桥梁的制作比较的复杂，而且需要水平支承，不适合加载实验。

目录第一章拱桥模型建立 (2)第二章荷载及荷载组合 (3)第三章静力性能分析结果 (5)第四章稳定性能分析结果 (11)第五章小结 (12)第一章拱桥模型建立先定义材料和截面特性，在通过建模助手进行建模，在建模过程中，会经常用到扩展单元这一功能，结构形状的输入工作完了后，即可输入边界条件。

然后再建立虚设梁就可完成拱桥模型的建立（见图1）。

图1 拱桥模型第二章荷载及荷载组合输入荷载之前先设定荷载条件，为了简化问题，假定恒荷载和人行道荷载只作用于主梁之上。

图2 自重荷载作用图3 二期恒载作用图4 荷载组合第三章静力性能分析结果对输入荷载条件和边界条件的建筑物进行结构分析，并且进行荷载组合。

以下为拱桥的静力分析图形以及应力验算图图5 自重条件下桥梁变形图6 自重条件下桥梁内力图7 二期恒载作用下桥梁整体变形图8 二期恒载作用下桥梁内力图9 车辆荷载作用下桥梁位移图9 车辆荷载作用下桥梁内力图10 温度变化时桥梁位移图10 温度变化时桥梁内力图11 荷载组合1作用下桥梁位移图12荷载组合1作用下桥梁内力图13 荷载组合2作用下桥梁位移图14荷载组合2作用下桥梁内力图15 荷载组合3作用下桥梁位移图16荷载组合3作用下桥梁内力图17 拱桥完成总图图18 荷载组合作用下桥梁应力图第四章稳定性能分析结果通过屈曲分析进行稳定性能分析（注：屈曲分析不能与移动荷载分析同时进行）。

图19 稳定性能分析图图20 优化设计图第五章小结MIDAS/Civil是个通用的空间有限元分析软件，可适用于桥梁结构、地下结构、工业建筑、飞机场、大坝、港口等结构的分析与设计。

特别是针对桥梁结构，MIDAS/Civil结合国内的规范与习惯，在建模、分析、后处理、设计等方面提供了很多的便利的功能，目前已为各大公路、铁路部门的设计院所采用。

MIDAS/Civil的主要特点如下：1.提供菜单、表格、文本、导入CAD和部分其他程序文件等灵活多样的建模功能，并尽可能使鼠标在画面上的移动量达到最少，从而使用户的工作效率达到最高。