midas fea_钢桥疲劳分析

midas FEA Case Study Series材料非线性–桥梁冗余度评价1. 概要本例题介绍了使用midas FEA对双梁桥进行冗余(redundancy)评价的方法。

梁桥的冗余是指梁出现比较严重的损伤后上部结构抵抗坍塌的能力。

国内外设计规范中对双梁桥的冗余没有定量的规定，只有美国公路合作研究计划NCHRP 319(National Cooperative Highway Research Program)以及国内外一些论文中提出了一些定量分析的方法。

本例题中通过材料非线性分析，分析了桥梁的极限状态与规范规定的容许应力相比所具有的刚度和韧性，并针对双梁桥中一根主梁已经发生破坏的情况下对桥梁的应力发展趋势以及桥梁变形趋势做了分析。

2. 桥梁信息2.1 桥梁几何信息(1) 本例题中使用的双梁桥信息如下：结构形式: 三跨连续双梁桥桥梁跨度: L = 50.0+57.5+ 50.0 = 157.5 m桥宽: B = 21.000 m(2) 主梁间距为11m，横向联系梁间距为4m。

2.2 材料强度主梁、横向联系梁、纵梁采用Q370qC，桥面板混凝土抗压强度为35MPa。

3. 模型本例题对建模方法仅做简要介绍，详细方法请参照培训例题。

3.1 建模(1) 本例题是对桥梁损伤前后的桥梁冗余进行分析，损伤前的模型如下图所示在边跨跨中施加了压力荷载。

为了计算使结构达到极限状态的荷载(2) 假设桥梁损伤发生在一根主梁的中跨跨中位置，损伤情况是下翼缘板和腹板发生了撕裂。

建模时将撕裂位置的模型节点分离，荷载加载在中跨[ 损伤前桥梁-在边跨跨中加均布荷载][ 损伤前桥梁-在中跨跨中加均布荷载][ 横截面图][ 网格划分]大小，先施加了单位均布荷载(大小为1MPa)并进行了线性静力分析。

确认线性分析中发生的最大应力，并与构件的容许应力和屈服应力进行比较，预测使结构达到极限状态的荷载大小，并重新做非线性分析。

3.2 材料和截面(1) 钢材的非线性模型选用了范梅塞斯(Von Mises)本构模型，没有考虑应变硬化，假设材料是完全塑性材料。

钢桥的疲劳分析范文引言：钢桥是一种重要的交通基础设施，承担着车辆和行人的通行。

长期以来，由于交通流量的增加和重载车辆的增多，钢桥疲劳已成为桥梁设计和维护的重要问题。

本文将对钢桥的疲劳问题进行分析，探讨其原因、影响因素以及相应的解决方案。

一、疲劳问题的原因1.动力因素：钢桥在承受车辆荷载的同时还要面对自身的自重和震动荷载。

长期以来，车辆荷载和震动荷载的频繁作用会导致钢桥的材料疲劳，进而导致桥梁的损坏和断裂。

2.环境因素：钢桥承受了来自自然环境的多种因素的影响，如气候变化、温度差异和湿度等。

这些因素会导致桥梁材料的膨胀和收缩，从而产生内部应变，加速钢桥的疲劳破坏。

3.施工因素：钢桥的施工质量将直接影响其使用寿命和疲劳性能。

如果施工质量不达标，如焊接不牢固、连接部位强度不足等，将使钢桥易受疲劳破坏。

二、疲劳破坏的影响因素1.轴重：车辆荷载是引起桥梁疲劳破坏最主要的因素之一、大型重型车辆以及超限荷载的频繁通行将极大地加速钢桥的疲劳损伤。

2.荷载频率：荷载频率指的是钢桥受到车辆荷载的作用频率。

频繁通行以及车流量大的地区会导致高频率的荷载作用，进而加速疲劳破坏的发生。

3.震动荷载：震动荷载是指由于地震、强风和行人等外来因素引起的钢桥振动荷载。

频繁的震动荷载会对钢桥产生影响，从而影响其疲劳性能。

4.桥梁结构设计：桥梁的结构设计将直接影响其抗疲劳能力。

合理的结构设计可以减少桥梁的应力集中和疲劳问题的发生。

三、疲劳分析和解决方案1.疲劳分析方法：采用有限元方法对钢桥进行疲劳分析，模拟不同荷载条件下的桥梁应力分布。

通过数值计算和模拟试验，对桥梁的疲劳性能进行评估，找出潜在的疲劳破坏部位。

2.组织检测和监测：通过常规的检测方法，如无损检测和应力监测，定期对钢桥进行结构健康检测。

及时发现和修补疲劳破坏的部位，可以提高钢桥的抗疲劳性能。

3.结构优化：通过改进桥梁结构的材料和几何形状，降低桥梁的应力集中和疲劳问题的发生。

采用较短的跨度和更好的材料可以有效地提高桥梁的抗疲劳能力。

Civil＆Civil Designer一、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。

钢箱梁操作例题资料2 钢桥概况及构造检查2.1 钢桥概况主梁为20+30+40+30m单箱单室正交钢箱梁，钢材为Q345；桥面宽8m，梁高2.335m，翼缘板长1.8m；顶板、腹板、翼缘板均厚16mm，底板标准段厚16mm，支座两侧3~3.5m范围内加厚为24mm；顶板设置闭口U型加劲肋；翼缘板、腹板均设置板型加劲肋；底板标准段设置板型加劲肋，桥墩两侧5~7m范围内设置T型加劲肋；横隔板等设置距离详见图1~图3所示。

建模之前，应按照《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)[1] （以下简称规范）对钢桥面板、加劲肋、翼缘板及腹板等尺寸进行构造检查。

2.2构造检查2.2.1钢桥面板近年来正交异性钢桥面板出现疲劳和桥面铺装损伤的现象较为普遍，为保证钢桥面板具有足够的刚度，需对最小厚度有要求；为减小应力集中和避免采用疲劳等级过低的构造细节，需对纵向闭口加劲肋尺寸进行规定[1]。

Midas FEA在桥梁工程中的应用资料制作日期：2008.10.13对应软件版本：FEA 1.0 随着桥梁工程技术的发展，对于有限元分析得要求也越来越高端，诸如：遇到“宽桥、异型桥、锚固端等复杂结构的受力状态”、“桥有裂缝了还能不能用，若要加固需要怎样加固？”等问题的时候，现有的三维杆系有限元软件远远不能达到计算需求。

midas FEA是“目前唯一全部中文化的土木专用非线性及细部分析软件”，它的几何建模和网格划分技术采用了在土木领域中已经被广泛应用的前后处理软件midas FX+的核心技术，同时融入了MID AS强大的线性、非线性分析内核，并与荷兰TNO DIANA公司进行了技术合作，是一款专门适用于土木领域的高端非线性分析和细部分析软件。

下面针对midas FEA在桥梁工程中的应用进行说明，并通过预应力钢筋混凝土箱梁桥例题详细介绍midas FEA预应力钢筋混凝土裂缝模拟：1. Midas FEA在桥梁工程中的应用(1)详细分析锚固区域的设计弯桥的翘曲应力验算受力复杂区域验算多支座反力的准确计算横向分析全桥仿真（2）特征值分析(自振周期、线性屈曲)局部失稳详细的扭转模态（3）时程分析(反应谱分析、时程分析)整体式桥梁抗震时的整体联动效果（4）材料非线性/几何非线性分析（5）界面单元计算钢混叠合梁的剪力钉数量模拟混凝土的离散裂缝(弯曲裂缝)、膨胀裂缝（剪切裂缝计算钢筋和混凝土之间的粘结滑移计算钢板加固方案中钢板与混凝土的粘接特性模拟混凝土与混凝土之间冷缝（6）钢筋单元桁架＋混凝土单元：完全耦合无相对位移桁架+界面+混凝土单元：完全耦合有相对位移钢筋单元+母单元（嵌入式钢筋）：不必耦合由实体节点应变映射到钢筋单元节点上，可考虑摩擦损失、钢筋回缩损失、弹性变形损失、收缩和徐变损失。

嵌入式钢筋（7）裂缝模型钢筋混凝土结构的裂缝分析(极限承载力计算)结构的详细分析钢束锚固区在使用状态下的安全性验算模拟螺旋筋和箍筋的约束作用下或钢管等约束作用下混凝土强度的提高（8）接触分析钢梁的螺栓、铆钉连接拱桥吊杆与销拴的接触主缆与鞍座的接触（9）疲劳分析钢桥的疲劳分析（10）热传递分析(火灾分析等)浇注式沥青铺装（11）水化热分析高温沥青浇注分析地铁火灾分析大体积混凝土裂缝分析（12）CFD分析桥梁断面快速优化计算三分力系数桥梁抗风稳定性生命周期损伤度2. Midas FEA 钢筋混凝土结构裂缝例题Midas FEA 作为一种非线性及细部分析软件，能够准确方便的模拟桥梁工程中经常发生一种力学现象——混凝土开裂。

1.2 计算依据《工程建设标准强制性条文（城市建设部分）》（建标[2002]202号）《城市桥梁设计规范》）（CJJ11-2011）《城市桥梁抗震设计规范》(CJJ 166-2011)《公路路基设计规范》（JTG D30-2004）《公路工程技术标准》）（JTGB01-2003）《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63-2007)《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01-2004)《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ025-86)《桥梁结构用钢》(GB/T714-2000)《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB 10002.2-2005）《公路圬工桥涵设计规范》（JTG D61-2005）《公路钢管混凝土拱桥设计规范》（CQJTG/T D66-2001）1.钢混结合段模型计算1.1节段模型的建立考虑圣维南原理对局部分析部位的影响，钢混结合段拱肋节段长度为7.6m，其中嵌入拱脚混凝土2m，拱脚混凝土按照图纸实际尺寸全部建立，节段模型示意图如图2.1.1所示。

图2.1.1 节段模型示意图（单位：mm）模型的计算采用大型有限元软件midas-FEA，混凝土采用3D实体单元，肋板、垫板、承压板采用2D板壳单元，不考虑拱脚、拱肋混凝土与拱肋钢板之间的滑移，建模中混凝土与拱肋钢板完全共节点处理，混凝土采用8节点六面体单元+6节点五面体单元，拱肋钢板采用4节点2D单元，模型中未考虑普通钢筋以及Y构前悬臂进入拱脚内部的预应力钢束。

模型边界条件为：拱脚底部完全固结处理（如图2.1.2所示），即拱脚底部节点约束X方向（纵桥向），Y方向（横桥向），Z方向（竖向）的位移，其中Y 轴的负方向指向为（中分带侧→人行道侧）。

图2.1.2 万平路桥钢混结合段有限元模型加载方法为：拱肋端部形心位置建立一个主节点，拱肋端部截面的节点为从属节点，两者之间建立主从约束（刚臂连接—见图2.1.2所示），将midas Civil 杆系模型中各种工况组合下对应的荷载（力及力矩）作为实体有限元模型的边界荷载施加在主节点上，荷载大小见下表。

Civil＆Civil Designer一、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。

钢箱梁操作例题资料2 钢桥概况及构造检查2.1 钢桥概况主梁为20+30+40+30m单箱单室正交钢箱梁，钢材为Q345；桥面宽8m，梁高2.335m，翼缘板长1.8m；顶板、腹板、翼缘板均厚16mm，底板标准段厚16mm，支座两侧3~3.5m范围内加厚为24mm；顶板设置闭口U型加劲肋；翼缘板、腹板均设置板型加劲肋；底板标准段设置板型加劲肋，桥墩两侧5~7m范围内设置T型加劲肋；横隔板等设置距离详见图1~图3所示。

建模之前，应按照《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64—2015)[1] （以下简称规范）对钢桥面板、加劲肋、翼缘板及腹板等尺寸进行构造检查。

2.2构造检查2.2.1钢桥面板近年来正交异性钢桥面板出现疲劳和桥面铺装损伤的现象较为普遍，为保证钢桥面板具有足够的刚度，需对最小厚度有要求；为减小应力集中和避免采用疲劳等级过低的构造细节，需对纵向闭口加劲肋尺寸进行规定[1]。

线性静力 – 预应力钢筋锚固区详细分析midas FEA Case Study Series[锚固区配筋示意] [底板外部锚固块的正面和侧面示意图] [模型形状]1. 概要预应力钢筋的锚座位置，由锚具局部压力引起的应力非常复杂，在靠近垫板处会产生横向压应力，在其它部位会产生横向拉应力。

在较大张力作用下有可能引起构件纵向开裂，较大的主拉应力也可能造成斜向裂缝。

鉴于近年预应力混凝土梁桥出现的一些纵向或斜裂缝，公路规范对锚固区要求进行局部应力分析(公路规范5.7.3条)并对端块提出了构造要求。

有些国家的规范提出了简化计算方法、拉压杆模型(Strut-and-Tie Model)以及有限元分析方法。

本例题将介绍预应力钢筋锚固区的三维有限元分析方法，确认锚固区的应力状态并进行配筋。

1.1 预应力钢筋锚固区配筋预应力钢筋锚固区的受力状况如下：①. 锚固区背面Z 方向上的剥离力(Spalling Force) T1 ②. 锚固区背面Y 方向上的破裂力(Bursting Force) T2 ③. 锚固区前和箱形混凝土翼缘上的张力 T3 ④. 锚固区下部张力 T4⑤. 因为预应力钢筋的偏心布置引起的弯矩张力 T5 ⑥. 钢筋弯起位置的张力 T6根据锚固区的张力分布，一般按下图方式配筋。

①. F1：针对T1的配筋②. F2：针对T2和T3的配筋 ③. F3：针对T4和T5的配筋 ④. F4：针对T6的配筋2. 结构信息2.1 几何信息分析对象是矮塔斜拉桥预应力箱梁的预应力钢筋锚固区，锚固区的顶板有斜拉索的锚固区，底板有内部和外部钢束的锚固区。

本模型对底板的外部锚固块进行了三维仿真有限元分析。

底板外部锚固块的正面和侧面图如下：2.2 使用材料混凝土材料强度为40Mpa ，普通钢筋采用了HRB335，预应力钢筋采用了1*7Φ15.2mm 钢铰线。

3. 模型3.1 模型形状三维实体单元模型包含了锚固块、一部分腹板和底板并考虑了对称效果。

钢桥疲劳分析基本理论综述科技经济市场疲劳是钢材在重复荷载所引起的反复应力作用下，在材料传力途径有局部缺陷或疵点处逐渐形成裂纹并扩展到断裂的一种行为。

由于桥梁应用材料科学理论发展的不完善、材料本身的缺陷、施工技术、施工方法、施工质量问题、车辆超载等方方面面的原因，许多桥梁都发生了疲劳破坏，给人民群众生命财产造成巨大损失，同时也在社会上造成极其不良的影响。

正交异性闭口加劲钢桥面板已成为大中跨度现代钢桥所通常采用的桥面结构形式，它的疲劳性能更格外令人关注。

钢桥面板受力复杂，节点类型及构造细节多式多样，它们的疲劳性能目前正在一些发达国家中开展研究，并取得了一定的成果[1]。

可是到目前，各国桥规还没有关于钢桥面板疲劳设计的细则，在桥梁疲劳分析方面较为先进的英国桥规BS5400指出疲劳验算时应力分析和连接细节的疲劳强度分类需做专门的研究[1][2]。

目前钢桥面板疲劳验算的基本理论有疲劳验算所用的荷载和加载方式以及疲劳分析方法。

1疲劳验算采用的荷载及加载方式1.1荷载谱和应力谱1.1.1荷载谱和结构的静力设计不同，钢桥的疲劳设计所采用的荷载不应是按最不利情况采用强度设计时的标准活荷载，而应考虑采用经常作用的各种实际的车辆荷载，从而计算他们所引起的累积损伤。

为此，需要研究活荷载的频值谱，也称荷载谱。

荷载谱的制定，原则上应将设计基准期内通过桥梁的每一类车型按不同形状的影响线计算出相应的内力历程，然后再将所有的内力历程予以累计，就得到所需要的荷载谱。

为表示方便起见，一般另外再用标准活载对同样的影响线计算出标准荷载所产生的内力，而营运荷载的大小则用营运活载的内力与标准活载的内力之比来表示。

由此可见，荷载谱的形状随影响线的形状（长度、顶点位置等）、运量、车辆编组、车辆等因素而异。

虽然钢桥疲劳是由于日常各种荷重的车辆反复作用而引起的累积损伤过程，因此疲劳验算所用的荷载应尽可能与实际相符，但这需要现场交通调查，并在调查的基础上综合预测分析，其工作量很大，故可进一步简化处理，（1）车辆荷载频值谱，通过对公路桥梁的交通调查得出日常各种典型车辆的荷重和出现的相对频率。