1、畢業設計鐵路勁性骨架鋼管拱橋施工過程仿真分析Railway CFST Arch Bridge Construction Process Simulation Analysis 0000 屆 土木工程 學院專 業 土木工程 學 號 00000000 學生姓名 指導老師 完成日期 2012年5月22日摘 要勁性骨架混凝土拱橋填充的混凝土能延緩鋼管的局部屈曲，鋼管能加強混凝土的抗拉能力，并且提高其抗壓強度和延性。此外，在施工中管也是作為一個混凝土的模板。在中國經濟快速發展情況下，鋼管混凝土成為一個好的鋼筋混凝土拱橋或鋼拱橋替代品。由于其施工過程為關鍵，本課題以尤溪大橋施工為背景，為了保證最終的成橋線

2、形和受力狀態滿足設計要求，為施工控制提供合理的科學依據，需要通過橋梁施工方法和有限元軟件，對施工過程采用空間仿真計算。尤溪大橋拱圈跨度為140m,采用內灌外包技術。分析方法采用容許應立法和應力疊加法。分析過程首先針對客觀條件，選用拱橋的施工方法；其次，對施工步驟進行了合理劃分，分別論述了各個步驟的內容；然后用有限元軟件按照施工過程進行仿真分析。最后輸出結果，完成相應計算。空間仿真計算結果表明：通過施工仿真計算不僅能對整個施工過程進行描述，反映全過程的受力行為，而且還能確定各個施工階段的合理狀態，為施工監測監控提供中間目標狀態。施工仿真計算已成為現代橋梁確定靜力狀態的主要手段，對勁性骨架混凝土拱

3、橋建設具有一定的指導意義和參考價值。 關鍵詞： 鋼管混凝土 拱橋 施工階段 有限元分析 AbstractConcrete filled steel tube arch bridge can delay the local buckling of steel tubes, and steel also reinforce tensile strength of concrete, and improve the compressive strength and ductility .Furthermore, in the construction of the pipe is also used

4、 as a concrete template. under the condition of the rapid development of economy in China , Concrete filled steel tube as a perfect reinforced concrete arch bridge or arch replacement. As the construction is the key, the subject which use the construction of Youxi bridge as the background study the

5、space simulation by finite element program to ensure that the final bridge line and stress state meet the design requirements ,moreover provide the rational scientific basis .Youxi bridge main span is 140m constructed by the pouring -outsourcing technology. Methods of analysis use the allowable stre

6、ss of method and stress superposition method. Firstly, In view of the objective conditions, this paper select the construction method of arch bridge ; Secondly, the construction steps is divided reasonably and discusses the content of various steps; Then by using the finite element software accordin

7、g to the construction process operates simulation analysis; finally output achievements and complete the calculation.The space simulation analysis result indicate : simulation not only describe the whole construction course response the strength behavior of whole offer the middle goal state for cons

8、tructing and monitoring controllingConstruction simulation analysis has become a dominating method of static analyzing modem bridge already .It is useful for the guidance and the reference to the readers who engage in bridge construction.Key words: Concrete filled steel tube Arch bridge Construction

9、 stage Finite element Analysis目 錄第1章 緒 論11.1鋼管混凝土定義11.1.1鋼管混凝土拱橋截面構造形式11.1.2鋼管混凝土拱橋結構分類31.2鋼管混凝土拱橋發展狀況31.2.1目前國內外研究51.2.2目前的施工方法6第2章 尤溪大橋設計72.1 尤溪大橋設計資料72.2 尤溪大橋施工方法72.3 仿真分析的意義與原則8第3章 仿真分析過程103.1概述103.1.1有限元的基本原理103.1.2有限元的發展113.2 MIDAS與AutoCAD之間單向導入的應用123.2.1坐標計算123.2.2導入123.3骨架邊界約束定義143.4懸拼過程與扣索拉

10、力的確定143.5內灌混凝土的分析153.6 外包混凝土的模擬163.6.1 混凝土與鋼管之間的連接163.6.2 混凝土變截面與變截面組的應用173.7拱上立柱施173.8連續梁架設183.9車道荷載加載193.10施工階段的定義203.11鈍化與激活的應用21第4章 有限元計算結果分析224.1位移分析224.2應力分析284.3塔吊設計結果344.4仿真分析結果總結35第5章 結論展望37參考文獻38致 謝39附 錄40附錄A40附錄B49畢業設計 第3章 仿真分析過程3.1概述仿真分析將在有限元軟件MIDAS/Civil環境下模擬，結構有限元分析軟件MIDAs/Civil是一種在橋梁設

11、計領域通用的結構分析和優化設計的有限元分析軟件。MIDASCivil不僅是通用的結構分析軟件，而且還可以分析如預應力箱型橋梁、懸索橋、斜拉橋等特殊的結構形式，并且可以進行橋梁施工階段分析、水化熱分析、靜力彈塑性分析、支座沉降分析、大位移分析，是強有力的土木工程分析與優化設計系統。(1)對勁性骨架混凝土拱橋施工階段與方法進行研究，包括對勁性骨架混凝土拱橋施工控制仿真分析方法原理上進行闡述。(2)以尤溪大橋為背景，詳細總結和分析勁性骨架混凝土拱橋施工仿真計算結構構件的有限元模擬方法，并利用有限元計算軟件MIDAS/Civil進行施工控制仿真計算，包括各施工階段內力、應力、變形計算。(3)對施工控制

12、仿真計算結果進行詳細的分析，總結出勁性骨架混凝土拱橋施工控制相關參數的變化規律。3.1.1有限元的基本原理有限元方法(finite element method) 或有限元分析(finite element analysis)，是求取復雜微分方程近似解的一種非常有效的工具，是現代數字化科技的一種重要基礎性原理。將它用于在科學研究中，可成為探究物質客觀規律的先進手段。將它應用于工程技術中，可成為工程設計和分析的可靠工具。嚴格來說，有限元分析必須包含三個方面：(1)有限元方法的基本數學力學原理，(2)基于原理所形成的實用軟件，(3)使用時的計算機硬件。隨著現代計算機技術的發展，一般的個人計算機就能

13、滿足第(3)方面的要求；采用有限元方法可以針對具有任意復雜幾何形狀的結構進行分析，并能夠得到準確的結果。其原因就是有限元方法是基于“離散逼近(discretized aPProximation) ”的基本策略，可以采用較多數量的簡單函數的組合來“近似”代替非常復雜的原函數。一個復雜的函數，可以通過一系列的基底函數(base function)的組合來“近似”，也就是函數逼近。 基于分段的函數描述具有非常明顯的優勢：(1)可以將原函數的復雜性“化繁為簡”，使得描述和求解成為可能，(2)所采用的簡單函數可以人工選取，因此，可取最簡單的線性函數，或取從低階到高階的多項式函數，(3)可以將原始的微分求

14、解變為線性代數方程。但分段的做法可能會帶來的問題有：(1)因采用了“化繁為簡”，所采用簡單函數的描述的能力和效率都較低，(2)由于簡單函數的描述能力較低，必然使用數量眾多的分段來進行彌補，因此帶來較多的工作量。 綜合分段函數描述的優勢和問題，只要采用功能完善的軟件以及能夠進行高速處理的計算機，就可以完全發揮“化繁為簡”策略的優勢，有限元分析的概念就在于此。 3.1.2有限元的發展有限元方法的思想最早可以追溯到古人的“化整為零”、“化圓為直”的作法，如“曹沖稱象”的典故，我國古代數學家劉徽采用割圓法來對圓周長進行計算；這些實際上都體現了離散逼近的思想，即采用大量的簡單小物體來“沖填”出復雜的大物

15、體。 早在1870 年，英國科學家 Rayleigh 就采用假想的“試函數”來求解復雜的微分方程，1909年Ritz 將其發展成為完善的數值近似方法，為現代有限元方法打下堅實基礎。 20世紀 40 年代，由于航空事業的飛速發展，設計師需要對飛機結構進行精確的設計和計算，便逐漸在工程中產生了的矩陣力學分析方法；1943年，Courant發表了第一篇使用三角形區域的多項式函數來求解扭轉問題的論文；1956年波音公司的 Turner ，Clough ，Martin和Topp 在分析飛機結構時系統研究了離散桿、梁、三角形的單元剛度表達式；1960年Clough 在處理平面彈性問題，第一次提出并使用“有

16、限元方法”(finite element method) 的名稱；1955年德國的Argyris出版了第一本關于結構分析中的能量原理和矩陣方法的書，為后續的有限元研究奠定了重要的基礎，1967年Zienkiewicz 和Cheung出版了第一本有關有限元分析的專著；1970 年以后，有限元方法開始應用于處理非線性和大變形問題；我國的一些學者也在有限元領域做出了重要的貢獻，如胡海昌于1954提出了廣義變分原理，錢偉長最先研究了拉格朗日乘子法與廣義變分原理之間關系，錢令希在20世紀五十年代就研究了力學分析的余能原理，馮康在20世紀六十年代就獨立地、并先于西方奠定了有限元分析收斂性的理論基礎。隨著計

17、算機技術的飛速發展，基于有限元方法原理的軟件大量出現，并在實際工程中發揮了愈來愈重要的作用；目前，專業的著名有限元分析軟件公司有幾十家，國際上著名的通用有限元分析軟件有ANSYS，ABAQUS，MSC/NASTRAN，MSC/MARC，ADINA，ALGOR，RO/MECHANICA，IDEAS ，還有一些專門的有限元分析軟件，如LS-DYNA，DEFORM，AM-STAMP, AUTOFORM ，SUPER-FORGE 等，都為有限元應用的推廣作出了很大貢獻。 3.2 MIDAS與AutoCAD之間單向導入的應用由于仿真分析的模型比較復雜，為方便起見，我們選擇在CAD中畫出各個單元的軸線，然

18、后再導入MIDAS，成為梁單元，在此之前我們要做相應的準備工作。3.2.1坐標計算首先根據設計資料將控制坐標輸入到Excel文檔中，根據幾何關系計算出單元的軸線坐標。截面高度 (3-1)混凝土軸線 (3-2) (3-3) (3-4)L各環混凝土軸線距離骨架下邊緣中心的長度(m)H骨架截面高度(m)上弦內側鋼管坐標(m)上弦外側鋼管坐標(m)下弦內側鋼管坐標(m)下弦外側鋼管坐標(m)輸出坐標后，在CAD中畫出各個梁單元的軸線，在畫軸線的時候應注意以下原則：(1)不同截面的單元設為不同的圖層，這是為了方便導入MIDAS時截面和材料的設定，并且名字用英文命名。(2)不同功能的桿件同樣定義為不同圖層

19、，這是為了在畫軸線時能關閉不必要的圖層，方便繪圖。(3)畫完圖之后，在CAD的格式中將單位設置成MIDAS默認的單位。3.2.2導入導入后，在MIDAS中根據設計資料將單元定義為相應材料與截面。(如圖3-1)圖3-1 添加截面材料屬性導入之后，MIDAS會在組結構中自動生成一個以圖層名的命名的結構組，為之后在視圖中更好的使用鈍化和激活功能，我們將這一結構組保留下來。那么導入之后的模型效果如3-2所示。圖3-2 導入后的骨架模型3.3骨架邊界約束定義在MIDAS建立出勁性骨架的模型之后要定義邊界組。當前要編輯的邊界組有拱坐約束和扣索約束。定義約束要盡可能的符合工程實際的情況，基于此,仿真分析中把

20、每個拱肋的四根鋼管設計為固定端約束，扣索的約束點定義為固定鉸約束。由于這是模擬的半跨骨架，所以在跨中將每根鋼管的Z向位移釋放。當然這只是理想化的定義，與實際會存在一定的誤差。在MIDAS中，以上邊界編輯在一般支撐中進行添加，首先要添加邊界組，定義名稱然后選取節點后，選中要約束的方向，最后點擊適用。在定義邊界組時，要把相同屬性的約束定義為一個組。3.4懸拼過程與扣索拉力的確定勁性骨架施工過程采用的是斜拉扣掛法，即在每一節骨架拼裝完畢之后，加一道扣索，調整骨架的內力，直至骨架合攏才解除扣索。懸臂長度要考慮到骨架的承受能力和位移，以及扣索的極限拉力。在MIDAS中，模擬斜拉扣掛法時，把每一節骨架以及

21、相對應的扣索定義為單獨的結構組，按照施工順序在施工階段中調整激活順序。(圖3-3)圖3-3 懸臂拼裝組定義圖3-4 扣索拉力值 (1)定義結構組首先在結構組中新建要定義的結構組，在界面中選中結構組中要包括的單元，然后利用MIDAS的拖拽功能，將單元賦于該結構組。結構荷載組自重的荷載工況設置為施工階段荷載，因為在模擬施工階段時，荷載是伴隨著結構的添加而激活的，而施工階段荷載就是為種種情況而設定的。(2)扣索單元的建立扣索在實際中是只受拉的桿件，在程序中要將扣索設置為只受拉的索單元，將扣索的拉力設置為預拉力荷載，荷載組定義后，將拉力添加到指定扣索中。根據功能，將扣索分組為主拉扣索，05號扣索，在骨

22、架合龍后再把扣索鈍化。另外要注意的是扣索的約束要在激活階段設置為變形前，否則運行后扣索的約束點會發生移動，起不到約束的作用。(3)懸臂長度和扣索拉力的調整 這個過程需要在程序中反復驗算，直至位移和應力達到合理的狀態。經過運算，得到了比較理想的扣索拉力。(圖3-4)3.5內灌混凝土的分析對于鋼管混凝土拱肋的材料特性的主要處理方式有三種，一種是將鋼管混凝土截面換算為一種材料，即轉換成鋼或混凝土截面，然后當作單一截面計算截面特性。另一種是認為鋼管混凝土是一種組合結構，分別按鋼和混凝土構件進行截面特性計算，最后兩者疊加。第三種方法是認為鋼管混凝土是一種符合材料，彈性模量取綜合彈性模量，截面特性根據實際

23、尺寸計算。第一種方法是沿用鋼筋混凝土的設計方法，簡單易行。第二種方法是把鋼管和管內核心混凝土作為兩個平行桿件來計算不考慮兩者的聯合作用，計算理論相對比較成熟。第三種方法考慮了鋼管和混凝土的相互作用，更為符合實際情況，但到目前為止所做的研究工作依然不夠充分，較少應用于工程實踐中。在有限元模型中，上弦均簡化為空間梁單元，模擬鋼管混凝土的梁單元截面特性采用第二種方法，即將鋼管和管內核心混凝土作為兩個平行桿件來計算。在程序中，在施工階段中定義出內灌混凝土階段，之后使用施工階段聯合截面，由于懸臂拼裝分為7個階段，因此在聯合截面組中相應的也設為7組。(圖3-5)圖3-5 施工階段聯合截面編輯在聯合截面編輯

24、中，以鋼管單元，C55混凝土為材料，在相應的施工階段中進行疊合，按照各自的截面輸入剛度和理論厚度。3.6 外包混凝土的模擬3.6.1 混凝土與鋼管之間的連接拱圈混凝土采用四環六面法分環分段進行澆筑，每一環混凝土都是在上一環混凝土達到一定強度后才進行澆筑。在這個過程中，應該注意兩點：(a)當外包混凝土達到一定強度后，一環和四環混凝土都是直接與鋼管協同受力，相鄰的各環混凝土是直接協同受力。(b)混凝土在澆筑時，不參與承受荷載，僅僅作為荷載作用在骨架上，當其初凝結束后，下一環澆筑時才起到承受荷載的作用。在仿真分析過程中，本環節將采取以下步驟：(1)從CAD的DXF文件中導入各環混凝土的軸線，就在MI

25、DAS中生成各環混凝土單元。(2)按照實際情況，將混凝土單元旋轉5.37，與勁性骨架平行。(3)考慮到情況(a)，在MIDAS中，將一環混凝土至四環混凝土之間加上彈性連接的剛性連接，并且考慮到更精確的模擬各桿件之間的協同受力，又把鋼管和混凝土單元進行更細的分割。(4)考慮到情況(b),混凝土澆筑時，先定義各環的自重荷載組，在程序的施工階段中我們先激活節點，節點的彈性連接以及自重荷載組(圖3-6)，下一個階段混凝土達到強度后，激活該環混凝土單元，并且將自重荷載組鈍化掉，這就完成了其中一環混凝土的澆筑，其他環的混凝土按照相同的步驟進行模擬。圖3-6 一環自重荷載組的激活3.6.2 混凝土變截面與變

26、截面組的應用第三環混凝土為變截面，所以要使用變截面與變截面組。首先要定義變截面(圖3-7)，在編輯界面中輸入數據，第三環混凝土的截面會變成鋸齒狀。其次要定義變截面組，選中單元后，在工作界面中使用拖拽功能將變截面組賦予三環混凝土，這樣混凝土單元的截面會成為漸變的截面。圖3-7 變截面的定義3.7拱上立柱施拱上立柱的構造形式為雙斜柱式，靠近邊跨的三個立柱是有橫梁的，并且立柱與橫梁之間有隔板相連。首先按照圖紙編輯立柱和橫梁的截面尺寸，擬定出各個端點的坐標。在立柱與拱肋相接的地方，給拱肋節點和立柱底端節點加上剛性連接，在施工階段中和立柱單元一起激活。(圖 3-8)圖3-8 拱上立柱施工3.8連續梁架設

27、連續梁為三跨一聯構造，中間設有10mm的梁縫，一端為固定鉸支座，一端為滑動鉸支座。在仿真分析中，把連續梁與立柱接觸的位置，設為剛性連接，其中固定鉸支座要釋放Y方向的轉角，滑動鉸支座釋放X方向位移和Y方向轉角。(圖3-9)圖3-9 連續梁施工3.9車道荷載加載車道荷載采用標準中-活載雙線加載，其中連續梁的長度為156m，而模型是該長度的一半，所以荷載不能在原模型上直接加載。在另一個文件中，建立一個連續梁單元，加載車道荷載。計算出支座反力，再按節點荷載加到拱上立柱。圖3-10 梁單元的車道荷載的施加圖3-11 拱橋車道荷載施加表3-1 支座反力(單位：kN)墩位號節點荷載0191.71365.32

28、347.63347.24346.65346.66346.6 3.10施工階段的定義施工階段按照工程實際的施工步驟原理來定義。一般來講，橋梁仿真分析中施工階段劃分得越細，其仿真結果越精確，但建立模型也越復雜，計算耗時越多，所以仿真中施工階段的劃分需要遵循一定的原則：在滿足施工控制要求的精度內，施工階段劃分得越少越好。本文將該拱肋的吊裝施工過程劃分為26施工階段，具體情況如下表。表3-2 施工階段劃分表階段激活項目鈍化項目階段激活項目鈍化項目1邊立柱、0節、拱座約束、自重16一環混凝土節點、一環的彈性連接，一環自重荷載組2主扣索、扣索0 、拉力017實心段、一環混凝土單元一環自重荷載組31節18二

29、環混凝土節點、二環的彈性連接、二環自重荷載組4扣索1、拉力119二環混凝土單元二環自重荷載組52節20三環混凝土節點、三環的彈性連接，三環自重荷載組6扣索2、拉力221三環混凝土單元三環自重荷載組73節22四環混凝土節點、四環的彈性連接，四環自重荷載組8扣索3、拉力323四環混凝土單元四環自重荷載組94節24立柱、立柱底端剛性連接10扣索4、拉力425連續梁、連續梁支座115節26添加車道荷載12扣索5、拉力5136節14合龍所有扣索、所有拉力15聯合截面3.11鈍化與激活的應用在MIDAS界面中，經常遇到邊界復雜結構單元的情況，單元之間互相影響給編輯造成了很大的麻煩。激活和鈍化功能可以從一定

30、程度上解決這個問題。當要編輯某幾個單元時，可以單獨激活結構組。在按屬性激活的界面中(圖 3-12)，激活要編輯的單元，這樣會更清晰的觀察編輯的情況。鈍化主要是用于選中單元的情況，在復雜結構單元中，將不在編輯范圍內的單元使用鈍化，只顯示要選中的單元。合理的使用鈍化與激活功能會方便很多。圖3-12 按屬性激活界面第4章 有限元計算結果分析4.1位移分析在MIDAS/Civil仿真分析過程中可以計算出每個階段的位移大小，下圖就是選出的主要階段位移圖例，在拼裝本節骨架階段張拉扣索后，為了便于下一節骨架拼裝，應該使本節骨架位移盡量小，通過調節各個扣索拉力以及施工控制得出了以下結果：表4-1 扣索拉力值(

31、kN)扣索名稱張拉力值0#扣索1501#扣索1502#扣索1503#扣索1504#扣索2005#扣索200需要說明的是在運營階段變形最大的是鋼管骨架，從邊跨開始的0#墩位移是2.62mm，1#立柱位移是4.85mm，2#立柱位移是12.19mm，3#立柱位移是22.42mm，4#位移立柱是32.27mm，5#立柱位移為36.35mm,除了根據圖紙上設骨架預拱度外，還應考慮增加立柱施工的澆筑高度,表4-2是各個階段的最大位移：表4-2 主要階段位移表(單位：mm)階段名稱最大位移索0張拉2.95索1張拉8.13索2張拉10.07索3張拉11.11索4張拉12.65索5張拉15.58合龍-10.03內灌混凝土-22.58一環混凝土澆筑-56.31二環混凝土澆筑-67.63三環混凝土澆筑-75.03四環混凝土澆筑-88.73拱上立柱施工-87.03連續梁施工-104.78運營階段-130.24 致 謝畢業設計是對大學學習的最后一個環節，是對自身學習水平的檢驗，在論文的寫作過程中遇到了無數的困難和障礙，都在老師和同學的幫助下度過了。在這個過程中雖然困難，但我體會到了學習的樂趣。尤其要強烈感謝我的