1、 Midas FEA在桥梁工程中的应用 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
2、核心技 术，同时 融入了 MIDAS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 Midas FEA在桥梁工程中的应用 2 （ 2） 特征 值 分析 (自振周期、 线 性屈曲 ) 局部失稳 详
3、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
4、式钢筋 Midas FEA在桥梁工程中的应用 3 （ 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 M
5、idas FEA在桥梁工程中的应用 4 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 。 为了使大家更好地了解这一功能， 下面通过一个预应力箱梁桥开裂模型分析说明， midas FEA中 裂缝模型 使用流程以及特点。 本例题桥梁是总长为 250m的五跨连续箱梁桥 ， 中跨跨中 16m区段采用了实体单元建模，混凝土材料采用了 总应变裂缝 (Total Strain Crack)模型 ， 其中 受压裂缝模型采用了 Thorenfeldt模型，受拉裂缝模型采用了 Constant
6、模型。 考虑的荷载有自重 、 活载 以及预应力荷载 ，非线性分析时将对活荷载进行荷载步分割， 加载到破坏为止。 主要 操作过程简图 （ 1） 材料定义 混凝土 总应变裂缝模 型 和预应力钢筋 混凝土 特性定义 总应变模型 A B C D Midas FEA在桥梁工程中的应用 5 裂缝模型 根据确定裂缝方向的方法，总应变裂缝模型又分为固定裂缝模型 (fixed crack model)和转动裂缝模型 (rotating crack model) 两种。前者假设裂缝一旦出现其 方向就不再发生变化，后者则是裂缝方向始终与主拉应变方向垂直。 刚度 选择计算刚度矩阵的方法，有切线刚度和割线刚度两个选项。
7、 横向裂缝效应 (Lateral Crack Effect) 决定横向裂缝对抗压强度的影响，前面的不考虑选项表示不考虑，后面的选项表示考虑横向裂缝对减小抗压强度的影响。 约束效应 (Confinement Effect) 决定混凝土横向约束的影响，前面的不考虑选项表示不考虑横向约束效应，后面的选项表示考虑横向约束对提高混凝土强度的影响。 基本特性 (Basic Properties) 直接输入表示用户将自行输入抗裂分析中需要的材料特性值，采用规范表示使用规范中推荐的材料特性值。 midas FEA 中提供 CEB-FIP 1990 规范。 在总应变裂缝模型中还可以定 义受拉、受压、受剪应力函数
8、，根据定义的函数不同，混凝土的受拉和受压区域的形状不同。 受压特性函数 受压状态下，随着各向同性应力的加大，混凝土的强度和延性都将加大。通过合理定义受压状态下的应力应变关系，可以反应各向同性应力的影响。受压状态下的应力应变基本函数用 和 来表达，可以由用户定义曲线也可以使用程序提供的函数 。本例题采用程序提供的 Thorenfeldt 硬化模型。 Midas FEA在桥梁工程中的应用 6 受拉特性函数 以总应变为基础的受拉模 型有线弹性、理想破坏、脆性、线性软化、指数软化、Hordijk、折线型软化以及用户自定义本构模型。以上模型可以分为基于断裂能(Fracture energy)的软化本构模
9、型和与断裂能无直接关系的受拉本构模型。本例题采用理想破坏 (Constant)本构模型。 考虑预应力损失的 预应力钢筋特性定义 （ 2） 网格划分 混凝土六面体网格和预应力钢筋网格不需要考虑 协调 性 预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦产生预应力损失 锚具滑移产生的预应力损失 嵌入式钢筋单元 （非协调） Midas FEA在桥梁工程中的应用 7 （ 3） 荷载 边界 添加 （ 4） 分析 求解 控制 施工阶段定义 非线性分析控制 材料非线性 ： 因为本例题 是做材料非线性分析，所以需要勾选 “材料非线性 ”选项，如果预想会发生大变形的话需要勾选 “几何非线性 ”。 迭代计算方法 ： 非线性分析需要通
10、过迭代计算才能得到收敛解，程序中提供了四种迭代计算的方法。 初始刚度法 (Initial Stiffness Method) 当采用其它迭代计算法计算有不稳定倾向时可选择此方法。优点是容易得到稳定的解，缺点是收敛速度较慢。 修正的牛顿拉普森法 (Modified Newton-Raphson Method) 一般的牛顿拉普森法在每个位移步 (incremental displacement)上都要计算新的切线模量和内力，而修正方法则是省略了计算切线刚度的过程只计算内力。与一般的牛顿拉普森方法相比，需要更多的迭代计算步骤，所以收敛速度较慢，但是在每个迭代计算步骤内的计算时间较短。 牛顿拉普森法 (Newton-Raphson Method) 在每个迭代计算步骤内都要更新切线刚度，优点是收敛速度快，即通过较少的步骤也可以达到收敛。 弧长法 (Arc-Length Method) 弧长法是将位移增量标准作为约束条件并同时调整位移增量的方法，即位移增量不是固定的，而是在迭代计算过程中自动 进行调整。 （ 5） 后处理结果 单元 状态 “裂缝状态 ”分为未发生裂缝部分、裂缝关闭部分、加载和卸载时裂缝完全张开部分和部分张开部分。 Midas FEA在桥梁工程中的应用 8 裂缝 模式 发生裂纹的位置用圆形标记表示，圆片的法向就是开裂方向，圆的大小代表裂缝的大小 。
