路劲骨架钢管拱桥施工过程仿真分析建模部分设计

毕业设计铁路劲性骨架钢管拱桥施工过程仿真分析Railway CFST Arch Bridge Construction Process Simulation Analysis 0000 届 土木工程 学院专 业 土木工程 学 号 00000000 学生姓名 指引教师 完毕日期 5月22日摘 要劲性骨架混凝土拱桥填充的混凝土能延缓钢管的局部屈曲，钢管能加强混凝土的抗拉能力，并且提高其抗压强度和延性。此外，在施工中管也是作为一种混凝土的模板。在中国经济迅速发展状况下，钢管混凝土成为一种好的钢筋混凝土拱桥或钢拱桥替代品。由于其施工过程为核心，本课题以尤溪大桥施工为背景，为了保证最后的成桥线形和受力状态满足设计规定，为施工控制提供合理的科学根据，需要通过桥梁施工措施和有限元软件，对施工过程采用空间仿真计算。尤溪大桥拱圈跨度为140m,采用内灌外包技术。分析措施采用容许应立法和应力叠加法。分析过程一方面针对客观条件，选用拱桥的施工措施；另一方面，对施工环节进行了合理划分，分别论述了各个环节的内容；然后用有限元软件按照施工过程进行仿真分析。最后输出成果，完毕相应计算。空间仿真计算成果表白：通过施工仿真计算不仅能对整个施工过程进行描述，反映全过程的受力行为，并且还能拟定各个施工阶段的合理状态，为施工监测监控提供中间目的状态。施工仿真计算已成为现代桥梁拟定静力状态的重要手段，对劲性骨架混凝土拱桥建设具有一定的指引意义和参照价值。 核心词： 钢管混凝土 拱桥 施工阶段 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 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 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 stress 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 according 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 constructing 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 stage Finite element Analysis目 录第1章 绪 论11.1钢管混凝土定义11.1.1钢管混凝土拱桥截面构造形式11.1.2钢管混凝土拱桥构造分类31.2钢管混凝土拱桥发展状况31.2.1目前国内外研究51.2.2目前的施工措施6第2章 尤溪大桥设计72.1 尤溪大桥设计资料72.2 尤溪大桥施工措施72.3 仿真分析的意义与原则8第3章 仿真分析过程103.1概述103.1.1有限元的基本原理103.1.2有限元的发展113.2 MIDAS与AutoCAD之间单向导入的应用123.2.1坐标计算123.2.2导入123.3骨架边界约束定义143.4悬拼过程与扣索拉力的拟定143.5内灌混凝土的分析153.6 外包混凝土的模拟163.6.1 混凝土与钢管之间的连接163.6.2 混凝土变截面与变截面组的应用173.7拱上立柱施173.8持续梁架设183.9车道荷载加载193.10施工阶段的定义203.11钝化与激活的应用21第4章 有限元计算成果分析224.1位移分析224.2应力分析284.3塔吊设计成果344.4仿真分析成果总结35第5章 结论展望37参照文献38致 谢39附 录40附录A40附录B49第3章 仿真分析过程3.1概述仿真分析将在有限元软件MIDAS/Civil环境下模拟，构造有限元分析软件MIDAs/Civil是一种在桥梁设计领域通用的构造分析和优化设计的有限元分析软件。MIDASCivil不仅是通用的构造分析软件，并且还可以分析如预应力箱型桥梁、悬索桥、斜拉桥等特殊的构造形式，并且可以进行桥梁施工阶段分析、水化热分析、静力弹塑性分析、支座沉降分析、大位移分析，是强有力的土木工程分析与优化设计系统。(1)对劲性骨架混凝土拱桥施工阶段与措施进行研究，涉及对劲性骨架混凝土拱桥施工控制仿真分析措施原理上进行论述。(2)以尤溪大桥为背景，具体总结和分析劲性骨架混凝土拱桥施工仿真计算构造构件的有限元模拟措施，并运用有限元计算软件MIDAS/Civil进行施工控制仿真计算，涉及各施工阶段内力、应力、变形计算。(3)对施工控制仿真计算成果进行具体的分析，总结出劲性骨架混凝土拱桥施工控制有关参数的变化规律。3.1.1有限元的基本原理有限元措施(finite element method) 或有限元分析(finite element analysis)，是求取复杂微分方程近似解的一种非常有效的工具，是现代数字化科技的一种重要基本性原理。将它用于在科学研究中，可成为探究物质客观规律的先进手段。将它应用于工程技术中，可成为工程设计和分析的可靠工具。严格来说，有限元分析必须涉及三个方面：(1)有限元措施的基本数学力学原理，(2)基于原理所形成的实用软件，(3)使用时的计算机硬件。随着现代计算机技术的发展，一般的个人计算机就能满足第(3)方面的规定；采用有限元措施可以针对具有任意复杂几何形状的构造进行分析，并可以得到精确的成果。其因素就是有限元措施是基于“离散逼近(discretized aPProximation) ”的基本方略，可以采用较多数量的简朴函数的组合来“近似”替代非常复杂的原函数。一种复杂的函数，可以通过一系列的基底函数(base function)的组合来“近似”，也就是函数逼近。 基于分段的函数描述具有非常明显的优势：(1)可以将原函数的复杂性“化繁为简”，使得描述和求解成为也许，(2)所采用的简朴函数可以人工选用，因此，可取最简朴的线性函数，或取从低阶到高阶的多项式函数，(3)可以将原始的微分求解变为线性代数方程。但分段的做法也许会带来的问题有：(1)因采用了“化繁为简”，所采用简朴函数的描述的能力和效率都较低，(2)由于简朴函数的描述能力较低，必然使用数量众多的分段来进行弥补，因此带来较多的工作量。 综合分段函数描述的优势和问题，只要采用功能完善的软件以及可以进行高速解决的计算机，就可以完全发挥“化繁为简”方略的优势，有限元分析的概念就在于此。 3.1.2有限元的发展有限元措施的思想最早可以追溯到古人的“化整为零”、“化圆为直”的作法，如“曹冲称象”的典故，国内古代数学家刘徽采用割圆法来对圆周长进行计算；这些事实上都体现了离散逼近的思想，即采用大量的简朴小物体来“冲填”出复杂的大物体。 早在1870 年，英国科学家 Rayleigh 就采用假想的“试函数”来求解复杂的微分方程，19Ritz 将其发展成为完善的数值近似措施，为现代有限元措施打下坚实基本。 20世纪 40 年代，由于航空事业的飞速发展，设计师需要对飞机构造进行精确的设计和计算，便逐渐在工程中产生了的矩阵力学分析措施；1943年，Courant刊登了第一篇使用三角形区域的多项式函数来求解扭转问题的论文；1956年波音公司的 Turner ，Clough ，Martin和Topp 在分析飞机构造时系统研究了离散杆、梁、三角形的单元刚度体现式；1960年Clough 在解决平面弹性问题，第一次提出并使用“有限元措施”(finite element method) 的名称；1955年德国的Argyris出版了第一本有关构造分析中的能量原理和矩阵措施的书，为后续的有限元研究奠定了重要的基本，1967年Zienkiewicz 和Cheung出版了第一本有关有限元分析的专著；1970 年后来，有限元措施开始应用于解决非线性和大变形问题；国内的某些学者也在有限元领域做出了重要的奉献，如胡海昌于1954提出了广义变分原理，钱伟长最先研究了拉格朗日乘子法与广义变分原理之间关系，钱令希在20世纪五十年代就研究了力学分析的余能原理，冯康在20世纪六十年代就独立地、并先于西方奠定了有限元分析收敛性的理论基本。随着计算机技术的飞速发展，基于有限元措施原理的软件大量浮现，并在实际工程中发挥了愈来愈重要的作用；目前，专业的出名有限元分析软件公司有几十家，国际上出名的通用有限元分析软件有ANSYS，ABAQUS，MSC/NASTRAN，MSC/MARC，ADINA，ALGOR，RO/MECHANICA，IDEAS ，尚有某些专门的有限元分析软件，如LS-DYNA，DEFORM，AM-STAMP, AUTOFORM ，SUPER-FORGE 等，都为有限元应用的推广作出了很大奉献。3.2 MIDAS与AutoCAD之间单向导入的应用由于仿真分析的模型比较复杂，为以便起见，我们选择在CAD中画出各个单元的轴线，然后再导入MIDAS，成为梁单元，在此之前我们要做相应的准备工作。3.2.1坐标计算一方面根据设计资料将控制坐标输入到Excel文档中，根据几何关系计算出单元的轴线坐标。截面高度 (3-1)混凝土轴线 (3-2) (3-3) (3-4)L各环混凝土轴线距离骨架下边沿中心的长度(m)H骨架截面高度(m)上弦内侧钢管坐标(m)上弦外侧钢管坐标(m)下弦内侧钢管坐标(m)下弦外侧钢管坐标(m)输出坐标后，在CAD中画出各个梁单元的轴线，在画轴线的时候应注意如下原则：(1)不同截面的单元设为不同的图层，这是为了以便导入MIDAS时截面和材料的设定，并且名字用英文命名。(2)不同功能的杆件同样定义为不同图层，这是为了在画轴线时能关闭不必要的图层，以便绘图。(3)画完图之后，在CAD的格式中将单位设立成MIDAS默认的单位。3.2.2导入导入后，在MIDAS中根据设计资料将单元定义为相应材料与截面。(如图3-1)图3-1 添加截面材料属性导入之后，MIDAS会在组构造中自动生成一种以图层名的命名的构造组，为之后在视图中更好的使用钝化和激活功能，我们将这一构造组保存下来。那么导入之后的模型效果如3-2所示。图3-2 导入后的骨架模型3.3骨架边界约束定义在MIDAS建立出劲性骨架的模型之后要定义边界组。目前要编辑的边界组有拱坐约束和扣索约束。定义约束要尽量的符合工程实际的状况，基于此,仿真分析中把每个拱肋的四根钢管设计为固定端约束，扣索的约束点定义为固定铰约束。由于这是模拟的半跨骨架，因此在跨中将每根钢管的Z向位移释放。固然这只是抱负化的定义，与实际会存在一定的误差。在MIDAS中，以上边界编辑在一般支撑中进行添加，一方面要添加边界组，定义名称然后选用节点后，选中要约束的方向，最后点击合用。在定义边界组时，要把相似属性的约束定义为一种组。3.4悬拼过程与扣索拉力的拟定劲性骨架施工过程采用的是斜拉扣挂法，即在每一节骨架拼装完毕之后，加一道扣索，调节骨架的内力，直至骨架合拢才解除扣索。悬臂长度要考虑到骨架的承受能力和位移，以及扣索的极限拉力。在MIDAS中，模拟斜拉扣挂法时，把每一节骨架以及相相应的扣索定义为单独的构造组，按照施工顺序在施工阶段中调节激活顺序。(图3-3)图3-3 悬臂拼装组定义图3-4 扣索拉力值 (1)定义构造组一方面在构造组中新建要定义的构造组，在界面中选中构造组中要涉及的单元，然后运用MIDAS的拖拽功能，将单元赋于该构造组。构造荷载组自重的荷载工况设立为施工阶段荷载，由于在模拟施工阶段时，荷载是随着着构造的添加而激活的，而施工阶段荷载就是为种种状况而设定的。(2)扣索单元的建立扣索在实际中是只受拉的杆件，在程序中要将扣索设立为只受拉的索单元，将扣索的拉力设立为预拉力荷载，荷载组定义后，将拉力添加到指定扣索中。根据功能，将扣索分组为主拉扣索，05号扣索，在骨架合龙后再把扣索钝化。此外要注意的是扣索的约束要在激活阶段设立为变形前，否则运营后扣索的约束点会发生移动，起不到约束的作用。(3)悬臂长度和扣索拉力的调节 这个过程需要在程序中反复验算，直至位移和应力达到合理的状态。通过运算，得到了比较抱负的扣索拉力。(图3-4)3.5内灌混凝土的分析对于钢管混凝土拱肋的材料特性的重要解决方式有三种，一种是将钢管混凝土截面换算为一种材料，即转换成钢或混凝土截面，然后当作单一截面计算截面特性。另一种是觉得钢管混凝土是一种组合构造，分别按钢和混凝土构件进行截面特性计算，最后两者叠加。第三种措施是觉得钢管混凝土是一种符合材料，弹性模量取综合弹性模量，截面特性根据实际尺寸计算。第一种措施是沿用钢筋混凝土的设计措施，简朴易行。第二种措施是把钢管和管内核心混凝土作为两个平行杆件来计算不考虑两者的联合伙用，计算理论相对比较成熟。第三种措施考虑了钢管和混凝土的互相作用，更为符合实际状况，但到目前为止所做的研究工作仍然不够充足，较少应用于工程实践中。在有限元模型中，上弦均简化为空间梁单元，模拟钢管混凝土的梁单元截面特性采用第二种措施，即将钢管和管内核心混凝土作为两个平行杆件来计算。在程序中，在施工阶段中定义出內灌混凝土阶段，之后使用施工阶段联合截面，由于悬臂拼装分为7个阶段，因此在联合截面组中相应的也设为7组。(图3-5)图3-5 施工阶段联合截面编辑在联合截面编辑中，以钢管单元，C55混凝土为材料，在相应的施工阶段中进行叠合，按照各自的截面输入刚度和理论厚度。3.6 外包混凝土的模拟3.6.1 混凝土与钢管之间的连接拱圈混凝土采用四环六面法分环分段进行浇筑，每一环混凝土都是在上一环混凝土达到一定强度后才进行浇筑。在这个过程中，应当注意两点：(a)当外包混凝土达到一定强度后，一环和四环混凝土都是直接与钢管协同受力，相邻的各环混凝土是直接协同受力。(b)混凝土在浇筑时，不参与承受荷载，仅仅作为荷载作用在骨架上，当其初凝结束后，下一环浇筑时才起到承受荷载的作用。在仿真分析过程中，本环节将采用如下环节：(1)从CAD的DXF文献中导入各环混凝土的轴线，就在MIDAS中生成各环混凝土单元。(2)按照实际状况，将混凝土单元旋转5.37，与劲性骨架平行。(3)考虑到状况(a)，在MIDAS中，将一环混凝土至四环混凝土之间加上弹性连接的刚性连接，并且考虑到更精确的模拟各杆件之间的协同受力，又把钢管和混凝土单元进行更细的分割。(4)考虑到状况(b),混凝土浇筑时，先定义各环的自重荷载组，在程序的施工阶段中我们先激活节点，节点的弹性连接以及自重荷载组(图3-6)，下一种阶段混凝土达到强度后，激活该环混凝土单元，并且将自重荷载组钝化掉，这就完毕了其中一环混凝土的浇筑，其她环的混凝土按照相似的环节进行模拟。图3-6 一环自重荷载组的激活3.6.2 混凝土变截面与变截面组的应用第三环混凝土为变截面，因此要使用变截面与变截面组。一方面要定义变截面(图3-7)，在编辑界面中输入数据，第三环混凝土的截面会变成锯齿状。另一方面要定义变截面组，选中单元后，在工作界面中使用拖拽功能将变截面组赋予三环混凝土，这样混凝土单元的截面会成为渐变的截面。图3-7 变截面的定义3.7拱上立柱施拱上立柱的构造形式为双斜柱式，接近边跨的三个立柱是有横梁的，并且立柱与横梁之间有隔板相连。一方面按照图纸编辑立柱和横梁的截面尺寸，拟定出各个端点的坐标。在立柱与拱肋相接的地方，给拱肋节点和立柱底端节点加上刚性连接，在施工阶段中和立柱单元一起激活。(图 3-8)图3-8 拱上立柱施工3.8持续梁架设持续梁为三跨一联构造，中间设有10mm的梁缝，一端为固定铰支座，一端为滑动铰支座。在仿真分析中，把持续梁与立柱接触的位置，设为刚性连接，其中固定铰支座要释放Y方向的转角，滑动铰支座释放X方向位移和Y方向转角。(图3-9)图3-9 持续梁施工3.9车道荷载加载车道荷载采用原则中-活载双线加载，其中持续梁的长度为156m，而模型是该长度的一半，因此荷载不能在原模型上直接加载。在另一种文献中，建立一种持续梁单元，加载车道荷载。计算出支座反力，再按节点荷载加到拱上立柱。图3-10 梁单元的车道荷载的施加图3-11 拱桥车道荷载施加表3-1 支座反力(单位：kN)墩位号节点荷载0191.71365.32347.63347.24346.65346.66346.6 3.10施工阶段的定义施工阶段按照工程实际的施工环节原理来定义。一般来讲，桥梁仿真分析中施工阶段划分得越细，其仿真成果越精确，但建立模型也越复杂，计算耗时越多，因此仿真中施工阶段的划分需要遵循一定的原则：在满足施工控制规定的精度内，施工阶段划分得越少越好。本文将该拱肋的吊装施工过程划分为26施工阶段，具体状况如下表。表3-2 施工阶段划分表阶段激活项目钝化项目阶段激活项目钝化项目1边立柱、0节、拱座约束、自重16一环混凝土节点、一环的弹性连接，一环自重荷载组2主扣索、扣索0 、拉力017实心段、一环混凝土单元一环自重荷载组31节18二环混凝土节点、二环的弹性连接、二环自重荷载组4扣索1、拉力119二环混凝土单元二环自重荷载组52节20三环混凝土节点、三环的弹性连接，三环自重荷载组6扣索2、拉力221三环混凝土单元三环自重荷载组73节22四环混凝土节点、四环的弹性连接，四环自重荷载组8扣索3、拉力323四环混凝土单元四环自重荷载组94节24立柱、立柱底端刚性连接10扣索4、拉力425持续梁、持续梁支座115节26添加车道荷载12扣索5、拉力5136节14合龙所有扣索、所有拉力15联合截面3.11钝化与激活的应用在MIDAS界面中，常常遇到边界复杂构造单元的状况，单元之间互相影响给编辑导致了很大的麻烦。激活和钝化功能可以从一定限度上解决这个问题。当要编辑某几种单元时，可以单独激活构造组。在按属性激活的界面中(图 3-12)，激活要编辑的单元，这样会更清晰的观测编辑的状况。钝化重要是用于选中单元的状况，在复杂构造单元中，将不在编辑范畴内的单元使用钝化，只显示要选中的单元。合理的使用钝化与激活功能会以便诸多。图3-12 按属性激活界面第4章 有限元计算成果分析4.1位移分析在MIDAS/Civil仿真分析过程中可以计算出每个阶段的位移大小，下图就是选出的重要阶段位移图例，在拼装本节骨架阶段张拉扣索后，为了便于下一节骨架拼装，应当使本节骨架位移尽量小，通过调节各个扣索拉力以及施工控制得出了如下成果：表4-1 扣索拉力值(kN)扣索名称张拉力值0#扣索1501#扣索1502#扣索1503#扣索1504#扣索2005#扣索200需要阐明的是在运营阶段变形最大的是钢管骨架，从边跨开始的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#立柱位移为36.35mm,除了根据图纸上设骨架预拱度外，还应考虑增长立柱施工的浇筑高度,表4-2是各个阶段的最大位移：表4-2 重要阶段位移表(单位：mm)阶段名称最大位移索0张拉2.95索1张拉8.13索2张拉10.07索3张拉11.11索4张拉12.65索5张拉15.58合龙-10.03內灌混凝土-22.58一环混凝土浇筑-56.31二环混凝土浇筑-67.63三环混凝土浇筑-75.03四环混凝土浇筑-88.73拱上立柱施工-87.03持续梁施工-104.78运营阶段-130.24致 谢毕业设计是对大学学习的最后一种环节，是对自身学习水平的检查，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在教师和同窗的协助下度过了。在这个过程中虽然困难，但我体会到了学习的乐趣。特别要强烈感谢我的论文指引教师，她们都对我进行了无私的指引和协助，不厌其烦的协助进行论文的修改和改善，还提高了自己的研究问题的能力和克服困难的智慧，她们严谨治学的态度深深鼓励着我。此外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的教师也给我提供了诸多方面的支持与协助。在此向协助和指引过我的各位教师表达最中心的感谢！感谢这篇论文所波及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的协助和启发，我将很难完毕本篇论文的写作。感谢我的同窗和朋友，在我写论文的过程中予以我了诸多有用素材，还在论文的撰写和排版的过程中提供热情的协助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有局限性之处，恳请各位教师和学友批评和指正！参照文献1 葛俊颖.桥梁工程，北京：中国铁道出版社，2 王慧东.桥梁墩台与基本工程，北京：中国铁道出版社，3 张志国，张庆芳.钢构造，北京：中国铁道出版社，4 沈一树.浅谈钢管混凝土拱桥施工J.建筑工程，：2275 王国鼎.钟圣斌拱桥 (第二版)北京：人民交通出版社，6 曾攀，有限元分析教程.清华大学，7 陈登玉.斜拉扣挂法拼装军用梁拱架设计与施工 J.铁道建筑技术，(2)：9，388 赵胤儒，朱克兆.钢管混凝土劲性骨架钢筋混凝土拱桥拱肋施工稳定分析 J.施工技术与测量技术，31(6)：170-1719 张征文，王巍.大跨径钢管混凝土劲性骨拱桥的施工及控制J.建筑施工，4(29)：284-28910 范再兴.钢管混凝土拱桥施工方面的研究J.,127-12911 吴卫国大跨度钢管混凝土拱桥整体稳定性研究D武汉理工大学研究生学位论文，12 贺晓川劲性骨架混凝土拱桥施工阶段仿真分析 D武汉理工大学研究生学位论文，13 江兴敏，栾经正钢管混凝土构造的发展和展望J.工业建筑.,37:501-50214 张治成大跨度钢管混凝土拱桥施工控制研究 D浙江大学博士学位论文，15 Wen RKNonlinear Elastic Frame Analysis by Finite Element ,Structural Engineering,ASCE,1983，109(8)16 SHJuStatistical analyses of effective lengths in steel arch bridgesComPuters and Structures ；81：1487-1497