如何用Midas/Civil進行懸索橋分析

2016-10-27 by:CAE仿真在線來源:互聯網

Midas/Civil是橋梁工程專業后續學習、日后從事設計工作最常用的專用有限元設計分析軟件之一,如果在本科階段即開始學習并逐漸應用,對后續學習及日后的工作將大有幫助。

在學習階段的各種設計練習及實際工作中,可能會經常遇到懸索橋的設計計算。本文結合筆者自身體驗,敘述Midas/Civil計算懸索橋的基本步驟及使用中的心得技巧和注意事項。注:本文以Midas/Civil 2012為參照版本。

Midas/Civil計算懸索橋中的關鍵問題在于初始成橋線性的確定,這是由于懸索橋為大變形二階柔性結構決定的。其分析過程及每步中的要點如下:

1.建立新文件,為了便于區分和查找,建議命名時加入文件創建日期及文件主要特征等信息;

2.按照初步設計,定義主纜、橋塔、橫梁、加勁梁、橫隔板等部件的材料及截面特性值;

3.在結構-懸索橋按鈕點出“懸索橋建模助手”,在其中輸入相關信息,利用建模助手功能生成初步模型以便后續修改。在此需指出,利用懸索橋建模助手可以確定索單元大致的初始內力,利于后面的精細分析。實際上也完全可以自行建立懸索橋的全部梁、索單元,再進行非線性分析控制和迭代,但該步驟比較繁瑣,因此一般推薦采用懸索橋建模助手生成初步模型;

在建模助手中有幾個要點和技巧:

1) 建模助手采用的默認對象是雙塔三跨懸索橋。當建立的模型為雙塔單跨懸索橋時,可以在邊跨長度框內輸入一個很小的數值(如1e-6),一般在Midas/Civil中,距離小于1e-5的節點將被合并,從而達到實際只建立了中跨的效果;

2) 橋面系寬度,在橋塔豎直、索面豎直時指的是橋塔間距,也即主纜間距、吊桿吊點間距,在索面傾斜或橋塔傾斜時,一般理解為吊桿在加勁梁上的吊點間距更加方便;

3) 橋面系單位重量,此處輸入的單位重量必須等于加勁梁的自重加上二期恒載等以梁單元均布荷載形式施加給加勁梁單元的梁單元荷載的和,否則后面難以計算收斂。另外,當建立的模型為雙塔單跨懸索橋時,應勾選此處“詳細”對話框,并在對話框中分別設置邊、中跨橋面系荷載集度,為了便于收斂,可以將實際不存在的邊跨設置一個非常小的集度,如1e-6;

4) 其余各項按照對話框要求及初步設計填寫即可,點擊“實際形狀”,會給出初步計算的主纜橫向內力,該值應該記下,以便在后面懸索橋分析控制中使用;

5) 填寫完成后建議命名并保存該wzd文件,以便后面再修改或重復利用。

4.建模助手填寫完畢后,點擊“確定”,即開始進行第一輪懸索橋生成時的初步非線性分析計算,根據懸索橋復雜程度不等,通常該過程會持續數秒到數十秒,此時宜耐心等待。該過程運行結束后,程序會自動生成幾何剛度初始荷載,并自動生成“自重”荷載工況;

5.懸索橋建模助手生成的是程序默認形式的地錨式豎直索面懸索橋,此時我們需根據實際橋梁情況進行修改:比如自錨式懸索橋、空間主纜懸索橋、單塔懸索橋等,修改的內容包括節點位置、邊界條件、構件連接情況及荷載等。為了后文操作方便,建議給主纜、橋塔、橫梁、加勁梁、橫隔板等部件分別建立結構組,并通過選擇和拖放功能賦予相應節點單元,然后再建立三個結構組:更新節點組、垂點組合所有結構。更新節點組選中主纜上除了主纜錨固端以外的所有節點,包括塔頂節點;垂點組選擇塔頂節點和跨中主纜最低點。注意垂點組中的節點實際在計算中坐標是不允許變化的,但根據程序編制要求,也要包含在更新節點組中;(選擇和拖放是midas非常具有細節操作技巧的功能,歡迎交流)

6.點擊分析-懸索橋,對控制參數進行修改。控制參數中有兩個參數:迭代次數和收斂誤差,這兩個參數的含義是:在迭代次數范圍內,達到收斂誤差或尚未到達收斂誤差但迭代次數已到設定值,均會停止迭代。因此若計算時覺得精度不夠,可以提高迭代次數(如50次甚至更大)并減小收斂誤差(如1e-6甚至更小),這要根據經驗和試算加以確定;

7.進行分析。分析過程中注意觀察信息窗口中的信息,確認收斂。收斂完成后將提供平衡單元節點內力數據;

8.為了確定懸索橋精確分析是否有效,應該定義一個“一次成橋”施工階段。該階段激活所有的結構組、荷載組、邊界組(還可能有鋼束組)。刪除“懸索橋分析數據”,定義“施工階段分析數據”,勾選“考慮非線性分析/獨立模型”,并勾選“使用平衡單元節點內力”。注意此處必須先刪除“懸索橋分析數據”,否則施工階段分析不予進行;

9.運行施工階段分析,運行后查看結果判定懸索橋精細分析是否成功。一般比較常用的簡單的判斷方法是:查看該“一次成橋”施工階段的位移,在迭代次數和收斂誤差控制得較好時,通常該“一次成橋”施工階段的位移可以達到1e-4甚至更小,設計院中有時會精細到1e-6~1e-7。當該條件滿足,表面懸索橋成橋狀態的精細分析已經滿足要求;

10.此時在成橋以后的分析中,懸索橋的索單元實際已轉化為桁架單元進行線性分析,與常規結構的線性分析一樣,資不贅述。

以上為筆者常用的方法,親測有效。歡迎指教、歡迎交流。

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