桥梁博士桥梁建模数据输入讲解.docx
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桥梁博士桥梁建模数据输入讲解
第1章直线桥设计计算输入
利用本系统进行设计计算一般需要经过：
离散结构划分单元，施工分析，荷载分析，建立工程项目，输入总体信息、单元信息、钢束信息、施工阶段信息、使用阶段信息以及输入优化阶段信息（索结构），进行项目计算，输出计算结果等几个步骤。
本章将对输入数据进行详细说明。
1.1直线桥原始数据约定
1.单元的位置
●单元的位置由单元左右节点坐标唯一确定。
●单元左右节点的坐标为结构在总体坐标系内的坐标。
●所有矢量方向都从属于结构总体坐标系（与单元局部坐标系无关）。
2.钢束的位置
●由钢束在自身局部坐标系内几何曲线的描述和钢束局部坐标系向结构总体坐标系的映射合成。
●映射的方法是输入钢束局部坐标系原点在总体坐标系中的坐标及坐标轴的夹角。
3.荷载的方向：
参见2.4.3节
1.2数据准备
1.结构离散：
在进行结构计算之前，首先要根据桥梁结构方案和施工方案，划分单元并对单元和节点编号，对于单元的划分一般遵从以下原则：
●对于所关心截面设定单元分界线，即编制节点号
●构件的起点和终点以及变截面的起点和终点编制节点号；
●不同构件的交点或同一构件的折点处编制节点号；
●施工分界线设定单元分界线，即编制节点号；
●当施工分界线的两侧位移不同时，应设置两个不同的节点，利用主从约束关系考虑该节点处的连接方式；
●边界或支承处应设置节点；
●不同号单元的同号节点的坐标可以不同，节点不重合系统形成刚臂；
●对桥面单元的划分不宜太长或太短，应根据施工荷载的设定并考虑活载的计算精度统筹兼顾。
因为活载的计算是根据桥面单元的划分，记录桥面节点处位移影响线，进而得到各单元的内力影响线经动态规划加载计算其最值效应。
对于索单元一根索应只设置一个单元。
2.施工分析
●划分施工阶段，确定施工周期；
●各施工阶段的具体操作：
包括安装的单元号、张拉的钢束号、添加的外力荷载、本阶段的内部、外部约束条件、挂篮的操作步骤、拉索单元的索力调整等等。
●用户务必要认识到，桥梁结构不同的施工方法将导致结构的最终成桥内力不同。
施工阶段的划分，对于结构设计有很大的影响
3.荷载分析
●施工荷载分析：
●运营荷载分析：
1.3项目的建立
1.用户通过“文件”下拉式菜单，选择“新建项目组”或“打开项目组”（如图41所示）；
图41
2.通过“项目”下拉式菜单选择“创建项目”，或者在项目组管理窗口，通过右键来点击“创建项目”（如图42），此时弹出如图43所示的“创建项目”窗口。
图42
图43
3.输入项目名称、通过点击“浏览”来选择存储路径，在下拉条中选择项目类型。
4.创建项目后，程序出现了如图44所示的界面。
现在用户就可以根据事先的准备，输入数据了。
在一个项目组中，创建一个新项目，或通过双击打开一个既有项目，程序均会出现如图44所示的数据文档窗口，在此窗口输入或查看所有的计算原始数据。
1.4输入总体信息
如图44所示，在打开数据文档后系统将自动进入总体信息输入界面，用户可通过右菜单，或“数据”下拉菜单，切换输入界面。
图44
此界面的最左侧是项目管理窗口。
输入窗口的下部是图形显示窗口，用户可以用右键切换显示信息，以帮助用户判断输入数据的准确性，快速了解结构特征。
1.4.1基本信息
1.桥梁工程描述、结构备忘描述：
用户可以在此输入备注性质的文字，来描述本项目的特点，以便于日后查看。
2.计算类别：
用户根据不同的需要选择不同的计算方式。
●计算内力、位移：
掌握结构的基本受力状态；
●估算配筋面积：
得到大致的配筋信息，初步掌握结构的设计要点；
●全桥结构安全验算：
对结构设计进行复核、修正；
●优化计算拉索面积：
对斜拉桥的拉索面积、张拉索力进行优化。
●当用户选择了不同的计算类别之后，程序会激活或关闭相应的按键、选项。
●如果是初步设计阶段则选择估算配筋面积，此时应在结构配筋估算信息对话框中指定预配置的钢筋或钢束类型等，以便估算的钢筋面积更接近真值。
3.桥梁环境：
选择桥梁所处的地理环境。
程序在计算混凝土构件收缩徐变时使用。
用户可以参考《公桥规》2004附录F。
●湿度：
桥梁所处环境的湿度，在混凝土的收缩变形与徐变计算中需要该信息，从列表框中选择。
对《公桥规》2004，一般填0.8。
●环境有强烈腐蚀性：
在验算抗裂性时需要该信息；
4.计算内容：
用户选择本次计算所需要计算的部分。
●一般在估算预应力配筋时不计结构的收缩徐变；
●结构的非线性仅在特大跨径桥梁分析时使用，通常结构不需计算。
5.附加信息：
指定计算部分内容。
包括以下几点：
●结构验算单元：
在选择“全桥结构安全验算”时，填入需要验算的单元号，不填则默认为全部单元。
●组合计算类型：
对应于规范的荷载组合类型。
不填则默认为全部组合1-9，包括用户自定义组合。
对于《公桥规》2004，各组合的意义参见……
●计算活载单元、计算活载节点：
选择需要进行活载分析的单元、节点。
不填则默认为全部单元。
●活载加载步长：
进行活载影响线加载时的步长。
填0时系统默认为1/50的跨径。
步长越小，活载计算越精确，速度越慢。
对于某些“没有跨径”的结构（只有一个约束），程序将无法进行加载，必须由用户填入加载步长。
●非线性荷载分级数：
当计算内容中选择了几何非线性或梁柱非线性时，此窗口被激活。
程序按用户输入的分级数将荷载分成n级逐步计算，每次计算都进行刚度矩阵修正，因此级数越高结果越精确，但计算时间越长。
6.形成刚臂时决定节点位置的单元号：
●当多个单元共用一个节点号，且其节点位置不重合时，形成刚臂。
此时，程序有一套默认的确定节点位置的规则。
●若此规则不能表达结构的实际情况时，用户可以在这里填入单元号，来改变系统的固定算法，系统将根据用户填入的单元来确定节点的位置。
7.计算细节控制：
●生成调束信息：
对进行“全桥结构安全验算”的预应力构件选择此命令，可使程序在计算时生成调束信息，便于进行调束工作。
●调束阶段号：
用户填入需要产生调束信息的施工阶段号，不填默认为全部阶段。
在选中“生成调束信息”时有效。
●生成调索信息：
对进行“全桥结构安全验算”的含有拉索单元的结构选择此命令，可使程序在计算时生成调索信息，便于进行调索工作。
●桥面为竖直单元：
选择此命令，将使桥面单元的左右截面为竖直截面。
●极限组合计预应力：
由用户指定，在进行结构极限组合计算的时候，预应力的作用是否当作外力计入结构。
根据《公桥规》2004，预应力构件的极限强度是不计预应力的。
但对于一些预应力桥梁中的非预应力构件，预应力的作用力却对这些构件的极限组合内力有影响，比如预应力连续刚构的桥墩等构件。
●极限组合计二次矩：
在按《公桥规》2004版进行计算的时候被激活，用户指定是否考虑预应力二次矩。
对预应力连续梁以外的其它结构，计算结果将不准确。
●极限组合计收缩、徐变：
在按《公桥规》2004版进行计算的时候被激活，用户指定是否考虑收缩、徐变。
●极限组合计温度：
在按《公桥规》2004版进行计算的时候被激活，用户指定是否考虑温度效应，包括结构升降温和梯度温度。
●极限组合计沉降：
在按《公桥规》2004版进行计算的时候被激活，用户指定是否考虑不均匀沉降的影响。
●结构重要性系数：
在《公桥规》2004版中，根据结构的重要性确定的内力扩大系数。
在《公桥规》85版中，圬工构件也需要此系数。
8.规范：
用户选择计算适用的规范。
由于《桥梁博士》3.0可以按照多个规范进行验算，在输入单元材料、单元钢筋、预应力材料等信息时，必须使之与适用的规范相对应。
9.更新显示：
此按键在“输入单元信息”、“输入钢束信息”等各个输入窗口均有设置。
用户通过点击此按键，更新图形显示区域的显示。
10.帮助：
此按键在“输入单元信息”、“输入钢束信息”等各个输入窗口以及各信息窗口均有设置。
用户通过点击此按键，实时获得相应窗口的帮助信息。
1.4.2钢束参考线定义
单击“钢束参考线定义”按钮，打开钢束参考线定义窗口，如图45所示。
图45
参考线是用户输入复杂钢束时的有力工具，在4.6.3节中有钢束参考线的使用介绍。
本节着重于钢束参考线的编辑。
1.参考线列表
用户在参考线列表里输入参考线的名称，选择参考线的类型：
有限点式、分段函数式、参考线偏移式。
2.参考线几何参数表
选中类型后，中间一栏打开“参考线几何参数表”，具体填写方法如下：
●有限点式：
用户在第一列填写“x坐标”值，在第二列输入与之对应的“y坐标”值。
一组（x，y）坐标描述一个点，则由这些点相连而成的一条折线就是参考线。
●分段函数式：
用户在第一列填写“控制点x”值，在第二列填写函数方程“f（x）”，在第三列填写“加密段数”。
则每个“f（x）”描述其相应的控制点和前一个控制点之间的区段，并由其相应的加密段数均匀分割成多个有限点，整条参考线是由多个函数方程连接而成的一条分段函数曲线。
●参考线偏移式：
用户在第一列填入既有参考线的名称，在第二列填入y向偏移量。
由此将生成一条在既有参考线基础上经上下偏移的新参考线。
以上输入时采用的坐标系和总体坐标系一致。
3.自动生成参考线
在窗口的右下角，填入相关的单元号，即可生成由这些单元的顶缘点或底缘点连接而成的一条“分段函数式”的参考线。
4.参考线示意图
此窗口的左下角的“参考线示意图”可以显示参考线形状，
5.检查信息
可以对参考线输入进行检查，并提示出错信息。
1.4.3估算配筋信息
当工程计算类别为“估算配筋面积”时，“估算配筋信息”按键被激活，点击后出现如图46所示配筋信息窗口。
图46
程序会按照用户输入的配筋信息，根据构件类别，估算普通钢筋或预应力钢束筋在距离边缘0.1h处的面积。
1.4.4初始状态信息
点击“初始状态信息”按钮出现如图47所示窗口。
用户可以通过此窗口，给某些单元施加初始轴力、初始位移。
图47
索引：
单元号。
1.5输入单元信息
用户可以使用右键菜单或“数据”下拉式菜单，切换到单元输入窗口，如图48所示：
图48数据文档窗口-单元信息
1.5.1单元的基本信息
1.节点号和顶缘坐标：
●单元左右节点顶缘或中点坐标位置的意义如图49所示
●用户可以手动逐个输入单元的左右节点号、左右节点坐标，也可以通过快速编辑器，编辑成批的单元信息。
●
图49
2.单元的性质：
●钢筋混凝土：
截面由混凝土和普通钢筋组成。
按全截面计算结构内力，按开裂截面计算其应力和强度，验算时将验算裂缝宽度；
●预应力混凝土：
截面由混凝土、普通钢筋和预应力钢筋组成。
按全断面计算其应力，按开裂截面验算其极限强度。
●组合构件：
截面由混凝土和钢材组成。
按全断面计算应力。
●钢构件：
截面只由钢材组成。
按全断面计算应力。
●拉索：
截面只由钢筋或钢材组成。
只有当构件需要调整其轴力时，才有必要将其置为拉索单元。
拉索单元只提供拉力，而不会产生其它性质的内力。
●圬工构件：
截面由圬工材料组成。
因圬工材料的性质差异很大，程序没有提供默认的圬工材料，需要用户自定义。
●全预应力构件：
预应力混凝土单元验算是否一定要按全预应力构件验算。
如果是，则验算时截面不准出现拉应力；如果否，则先按全预应力验算，不满足则按A类构件验算，仍不满足则按B类构件验算。
●现场浇注构件：
当单元为混凝土构件时，此项被激活，由用户选择单元的施工方式。
在《公桥规》（2004）中，现浇构件和预制、拼装构件的计算是有区别的。
●是否桥面单元：
当前单元是否桥面单元。
用于确定施工阶段的移动荷载（坐标荷载）作用位置和使用阶段影响线计算时单位荷载作用点位置，以及判断剪力影响线的突变位置。
如果计算活载时计入非线性效应则也将据此确定活载的作用位置。
简单的说，程序就是据此确定活荷载作用在哪些单元上。
3.有效长度：
对于受压构件，在此输入单元的有效长度lo，用于计算偏心受压构件的偏心距增大系数或轴心受压构件的稳定系数。
参见《公桥规》（2004）第5.3项。
4.自重系数：
●在计算单元自重时程序根据单元体积和材料的容重再乘以该自重调整系数，得出计算用的单元自重。
●系统默认的材料容重为：
混凝土25KN/m3，钢材78.5KN/m3。
●用户可以根据混凝土结构的配筋率适当调整此系数。
如果单元由1立方米30#混凝土组成，其自重系数为2，则单元总重＝25x1x2＝50KN。
5.加载龄期：
●混凝土在单元第一次受力时（即安装时）已养护的天数。
●系统缺省默认值为28。
6.左端为张拉端：
●当单元为拉索时此选项被激活。
●选中此框则表示拉索的左端为张拉端，否则拉索的右端为张拉端。
●如果拉索安装时没有张拉力，则拉索的重量按照等效节点荷载原理施加到拉索的两端；
●如果安装时有初张拉力，则自重只等效到非张拉端，而张拉端的索力为初始张拉力。
●优化计算和施工计算的拉索初始力都是指张拉端的索力，仅由张拉设备控制，没有重力的效应。
在非张拉端则根据张拉端的内力考虑重力对索力的影响后计算得到。
所以，对于拉索单元，左端张拉与右端张拉得到的最终索力将是不同的。
7.单元特征系数：
单元的刚度、收缩徐变、温变等特征的修正系数，缺省为1。
8.读入坐标：
●如果结构的坐标实在没有任何规律可寻，可将各节点坐标自己生成，编辑成文本，再由读入坐标命令将其读入。
●读入坐标前应保证单元的左右节点号已经设置完成。
●坐标文件的格式为：
每行一个节点的坐标，依次填写节点号、X坐标、Y坐标，数字之间用空格隔开。
9.添加设置：
设置每次添加新单元时遵循的规律。
10.截面描述
●拉索截面：
用于设定拉索单元的截面面积和拉索的材料类型。
●左、右截面：
而对于其它单元，用户需要分别输入左右截面信息，参见4.5.2节。
●通用截面拟合：
对一些变化复杂的截面进行拟合（“快速编辑器”的拟合局限于直线和二次抛物线拟合，而且整个截面的所有参数的变化趋势一致，）。
参见12.5节。
1.5.2截面特征描述
单击左截面或右截面，弹出截面特征描述对话框，如图410所示，此对话框同时出现在快速编辑器的各项功能中。
如果截面内有钢束穿过，系统在计算时自动根据钢束特征修正截面信息（钢束灌浆前截面特征中扣除孔道的影响，钢束灌浆后钢束的面积将换算到截面特征中）。
下面分别介绍：
图410截面信息输入对话框
1.重新设定与大气接触的周边长度：
计算混凝土收缩时使用。
填0则由程序根据截面形状自动计算。
2.材料类型：
注意使其类型与适用的规范相对应。
用户还可使用工具菜单下的材料特征命令自定义新的材料类型。
3.顶缘、底缘有效宽度：
较宽截面的有效分布宽度。
●计算截面几何特征在结构内力分析时使用全截面，应力、强度分析时使用有效截面。
●在《公桥规》2004中，计算轴力产生的应力时，按全断面计算。
●此值若填0则表示该截面都是有效截面。
●如图411所示，有效宽度为1500mm。
●关于有效宽度的取值，可参见《公桥规》2004第4.2.3条。
图411有效宽度示意
4.截面钢筋：
截面上配置的普通钢筋信息。
●截面钢筋输入时，钢筋的高度为正值表示距截面底缘的距离，为负值时表示距截面顶缘的距离。
●圆形断面钢筋信息的意义是一个圆周配筋的根数及到表面的距离。
5.附加截面：
彻底解决了组合截面较难模拟的问题。
参见4.5.4节。
6.截面几何描述：
参见4.5.3节。
1.5.3截面几何描述
1.截面的几何信息输入方式：
●图形输入：
选择常用的或用户自定义的图形，输入其参数；
●节线输入：
输入不同高度处的截面宽度；
●特殊输入：
直接输入截面的各项指标；
●坐标输入：
用户以坐标形式，逐点描述截面形状；
●自AutoCAD读入。
前三种输入方法比较常见，下面详细介绍坐标输入和自CAD读入。
2.坐标输入：
坐标输入时，用户应以逆时针顺序逐一输入各点坐标。
而坐标又有相对坐标与绝对坐标之分。
相对坐标的含义是指当前点的坐标相对于前一点的坐标偏移量。
如图412所示的矩形空心截面：
图412坐标断面示意图
●按绝对坐标输入为：
00100001000200002000实区
25050075050075015002501500空区
●按相对坐标输入：
001000002000-10000实区
250500500001000-5000空区
3.自AutoCAD输入：
●用户可以通过右键菜单，点击“从AutoCAD导入截面”，打开如图413所示窗口。
●用户点击“浏览”选中相关的CAD文件，
●在窗口中填入需要导入截面的单元编号、选择左、右截面，填写所在图层，即可点击“确定”，导入截面形状。
●当图形中存在曲线（非直线、折线）时，用户可以通过输入“折线近似段数”，将曲线拟合成多段折线。
此近似段数越多，拟合出来的截面性质越准确。
图413
1.5.4附加截面描述
1.附加截面意义：
●彻底解决了组合截面较难模拟的问题。
一个截面可由一个主截面（即当前截面）和3个附加截面组成。
●可用来模拟计算截面的不同材料、不同施工工序、不同混凝土龄期等对截面上各部分材料的应力非线性重分布的影响。
●各截面可以在不同的施工阶段添加，在不同的施工阶段开始参与受力。
●系统根据用户设定的截面几何特征和材料特征以及施工特征在各施工阶段合成有效截面。
2.附加截面基本信息：
附加截面对话框如图414所示。
图414附加截面信息输入框
●计入自重阶段：
当前附加截面的自重参与作用的施工阶段号。
如果填0表示与主截面同时计入，填负值表示相对于主截面计自重阶段的延后阶段数。
●参与受力阶段：
当前附加截面与主截面共同开始受力的施工阶段号。
如果填0表示与主截面同时参与受力，填负值表示相对于主截面受力阶段的延后阶段数。
●相对位置：
与对齐方式同时使用，以确定主副截面的相对位置。
当前附加截面与主截面之间的相对距离，如果本截面的参考点在主截面参考点的上方时，该值为正，反之为负。
●龄期：
当前附加截面混凝土第一次参与受力时混凝土已经养护的天数。
如果截面材料不是混凝土则该项无效。
●对齐方式：
分别选择主截面和本截面的参考点，参考点分为上下缘和中点处，如果参考点不对齐则输入相对位置来调整。
●几何描述：
参见4.5.3节相关内容。
●有效宽度、截面材料、大气接触周边长度：
参见4.5.2节相关内容。
3.注意事项：
主截面的施工时间是单元的安装时间。
因而主截面必须是首先施工的截面，也即是首先受力的截面。
4.实际例子
对于钢管混凝土这一类的结构，可以将钢管定义为一个截面，而混凝土定义为另一个截面。
同时，由于总是钢管首先受力，所以通常将钢管定义为主截面，砼为附1截面。
截面总计可由四种不同材料组成，分四次施工完成。
1.5.5快速编辑器
1.快速编辑器的意义
●一般的结构，均有几十至几百个单元，数据量庞大，逐一输入单元信息实不可取。
对于通常的桥梁结构，可以通过快速编辑器完成大部分单元的编辑。
●系统根据各种桥型的特点，提供了单元的快速编辑器。
除一些特殊单元外，用户应尽可能使用快速编辑器编辑结构的单元特征。
●编辑器主要是使用单元组的概念，充分利用截面特征的拟合和坐标的自动计算功能，减轻输入的工作量。
2.直线：
功能：
快速编辑连成一条直线的多个单元信息。
系统将打开如图415所示的对话框。
图415直线单元组编辑器
特点：
●单元的顶缘或截面的高度中点位于同一根直线上，
●其截面可由有限的控制断面经直线内插或按抛物线拟合而成
●单元的其它性质根据模板单元取用。
●例如桥面单元组的顶缘、桥墩单元组或桥塔单元组以及斜腿刚架的斜腿单元组的中心线等。
直线拟合：
●假设欲生成100个单元，每个单元长度为1m，各单元的顶缘处于一条水平直线上。
0m处和100m处的截面形状见图4-17中的1＃节点、101＃节点。
●各单元的坐标将根据分段长度和分段方向进行内插计算。
各断面的截面特征根据两个断面（即起点和终点）直线内插得到；例如1#节点的坐标为（0，0），第51#节点，即50#单元的右节点坐标为（50，0），101#节点坐标为（100，0），经直线内插后的51＃节点截面图416所示：
图416截面的形成示意
●1#节点处（0m）和101#节点处（100m）的断面是用户定义的控制截面，0～100m之间的其它截面是系统经直线内插得到的。
●其顶缘即为连接起点（0，0）到终点（100，0）的一条直线，梁高和梁宽尺寸分别内插得出；
●相应地，在控制断面中定义的其它信息都将经直线内插得到。
但是需要注意，对于控制断面，为使其内插有意义，必须保证控制断面的所有需要内插的信息都是相互对应的，即具有相似性。
否则，不对应的信息内插将没有意义。
二次抛物线拟合：
●二次抛物线则需由三点确定。
图417为一示例，此例在距离起点0、10、25m三处定义了控制截面。
●第一点的截面拟合类型不限制，第二点的拟合类型必须是“向后抛物线”，第三点的类型必须是“向前抛物线”。
这样，程序将以此三点为控制点，拟合出一条二次抛物线。
图417抛物线内插取用控制断面的原则示意
3.拱肋：
功能：
快速编辑多个单元信息，这些单元连成一条“抛物线”、“圆弧线”或“悬链线”。
系统将打开如图418所示的对话框。
选择了曲线类型后，根据图示填入相应的控制信息
图418拱肋单元快速编辑器
特点：
●将各单元截面拟合为等截面。
●如果实际情况不是如此，用户也可以用“直线”快速编辑器中的截面拟合工具重新编辑单元的截面信息（不改坐标信息），而只用“拱肋”快速编辑器编辑单元节点的坐标位置。
4.拉索：
功能：
快速编辑多个拉索单元信息，弹出斜拉索单元组编辑对话框如图419所示。
图419斜拉索单元组编辑对话框
特点：
●拉索单元组是指斜拉桥中拉索单元，其左右端分别位于不同的直线上的单元组。
●分段长度应填写正值,坐标的计算将从起点根据参考点的位置和分段的方向延参考线分别做递增或递减计算。
此处的参考线可以不是水平或竖直的。
编辑示意：
图420给出了拉索单元组的编辑示意。
图420拉索单元组的编辑示意
●其中1、3控制点为拉索左节点的起始点和参考点，2、3控制点为右节点的起始点和参考点，坐标的增或减依据参考点相对于起始点的位置而定，
●图中示例是基于在编辑器中选择了左节点X向、右节点Y向偏移，如果没有选择此项，则左节点为Y向、右节点X向偏移，即适合于桥塔另一侧的拉索单元组。
●本例中的坐标计算，左节点以1#控制点为基础X坐标依次递增5.0米，右节点以2#控制点为基础，Y坐标依次递增2.0米，其左节点的Y坐标和右节点的X坐标经内插得到，本例为分别保持其起点对应坐标不变；
拉索特征模板：
选择拉索单元的材料类型。
5.平行：
功能：
快速编辑多个平行单元信息，单击弹出平行单元组编辑对话框，如图421所示。
图421平行单元组编辑对话框
特点：
●平行单元组是指在水平方向并列放置，其左右端分别位于不同的直线或抛物线上的单元组,如拱桥的吊杆或立柱等。
图422给出了平行单元组的生成示意：
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