midas FEA在桥梁工程中的应用

Midas FEA在桥梁工程中的应用

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

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（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

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（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

生命周期 损伤度

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

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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

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C B D A

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 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。  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，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。

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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

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嵌入式钢筋单元（非协调）

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

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（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。

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 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。

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