26第22章桥梁模块李胜林校核解析.docx

26第22章桥梁模块李胜林校核解析.docx

《26第22章桥梁模块李胜林校核解析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《26第22章桥梁模块李胜林校核解析.docx（33页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

26第22章桥梁模块李胜林校核解析

第22章桥梁模块

SAP2000具有两个桥梁建模工具，一个是桥梁分析BAG（BridgeAnalysisGenerator）模板；另一个为需要单独协议的桥梁模块。

与工业与民用建筑不同，桥梁结构的通常要进行移动荷载的工况分析，得到结构反应的包络或者某个反应的影响线/面。

而这部分功能与SAP2000的桥梁模块息息相关。

本章介绍了桥梁BAG模板和桥梁模块，然后利用桥梁模块，建立了一座连续梁桥模型，计算了其在汽车活载作用下的反应，并对施工阶段进行了模拟。

下面先介绍桥梁的BAG模板。

22.1桥梁BAG模板

BAG模板SAP2000早期版本就已经存在，是桥梁模块的初级形式，它不需要单独的协议。

BAG模板也是采用参数化的形式来建立桥梁模型，但只形成梁单元模型，且它形成的框架截面等等存在于SAP2000的公用环境中，工程师可以方便的进行修改及指定。

在SAP2000程序启动后，选择Caltrans-BAG，进入BAG模板。

新建一个桥梁模型文件，此时可以从零开始，也可以从文本文件（此文件后缀名为bag，工程师可以在了解其文件格式后，通过第三方软件如记事本等直接编写）导入。

执行File>NewModel命令，弹出控制信息及地震数据框。

如图20-1所示。

图20-1BAG模板控制数据对话框

在控制信息对话框中，要输入下列信息：

要考虑的振型数量；桥梁每跨添加的节点（影响主梁的梁单元的数量）；桥墩添加的节点（影响墩对象中梁单元的数量）；是否在桥台处添加细小单元；是否在铰缝处添加细小单元；设计温度范围等；在地震数据对话框中，要指定谱的修正系数，指定ATC32反应谱的各个系数或者指定谱文件的位置。

执行Define>Geometry命令来定义桥梁对象的总体几何信息，图20-2所示。

图20-2总体几何信息对话框

在Origin对话框中，要定义桥梁起点的坐标值及方位，在CurveData对话框中要定义桥梁轴线的数据，

在Abutment对话框中，要定义桥台的编号，沿轴线的位置，标高及节点自由度释放情况。

桥跨的数据有三类，一类为桥跨的几何数据。

如图20-3所示。

图20-3桥跨数据对话框1

包括跨的编号、跨径、主梁截面属性、材料弹模及附加质量。

第二类为主梁截面各部分的数据，如图20-4所示。

图20-4桥跨数据对话框2

包括：

上部结构宽度、顶底腹板厚度、梁格数、翼缘长度及厚度等。

第三类为边界条件，如图20-5所示。

图20-5桥跨数据对话框3

包括铰的位置及几何信息、主梁承受的各种荷载情况。

与桥跨数据类似，下部结构的数据定义也有三组：

第一组为几何数据，包括编号、标高、墩柱数量、墩柱间距、模量、墩柱类型、墩柱的截面属性类型及盖梁数据；第二组为墩柱所承受的荷载，包括集中力和均布力；第三组为墩柱的约束情况。

最后要定义墩柱的截面信息，包括分段长度及截面属性。

通过上面一系列的定义，基本完成了桥梁的各个部分的定义，包括上部结构与下部结构及承受荷载的情况。

此时可以将这些信息通过File>ExporttoSAP2000将模型导入到SAP2000下，此时可以对几何模型进行编辑、指定、运行等操作了。

22.2桥梁模块

SAP2000的桥梁模块可以快速方便地建立各种复杂的桥梁模型，包括参数化的横截面定义、复杂的三维桥轴线、桥台和桥墩、各种预应力钢筋布置、自动生成框架、壳体和实体单元模型，自动进行桥梁活荷载布置，进行桥梁基础隔震和桥梁施工顺序分析，进行大变形悬索桥分析和静力非线性Pushover分析等等。

SAP2000的顺序施工模块增加了对任意模型考虑施工顺序的功能，顺序施工分析可以包括与时间相关的效应，如混凝土的徐变和收缩、混凝土的龄期效应、预应力钢筋的松弛效应等等。

注意，桥梁模块采用了一种参数建模的方式，所以这样才能实现模型在不同单元类型之间的转换。

大部分工程师定义的参数在SAP2000的公用环境中是可以直接查看的，这样也方便工程师来检查模型。

如工程师采用自定义的方式来定义桥墩与上部结构的连接情况，在程序中会自动产生一个连接属性。

22.2.1桥梁向导

桥梁向导提供了使用SAP2000桥梁模块一步一步建模过程指导。

在进行建模的每一步，桥梁向导简单介绍了各步骤功能。

工程师也可以抛开桥梁向导，而直接使用桥梁模块的各项命令建立桥梁模型。

22.2.2定义桥轴线

桥轴线可以说是桥梁的主梁中心线，相对来讲，它比SAP2000中普遍使用的轴线的作用更广。

它表达了桥梁的平面及竖向布置，同时桥梁的其它构件如桥台、桥墩位置的定义都要用到轴线的数据。

在定义轴线之前，通常先要对首选项进行确认，首选项包括两个内容：

北向方向，工程师输入的角度用来表征北向箭头与全局坐标系X的夹角，默认为零度；曲线离散，工程师输入的最大的交角度数来指定桥梁曲线的离散角。

值越小，曲线越平滑，默认为1°。

图20-6桥轴线对话框

坐标系下拉列表。

工程师根据所建立的桥梁模型选择要定义轴线系统的坐标系，包括整体坐标系和工程师建立的用户坐标系。

初始站坐标栏定义了桥梁轴线的起点，默认为所用坐标系的原点。

起始和终点数据栏定义了桥梁的一些基本数据，如起点和终点位置，桥梁走向（水平面，X-Y投影），初始梯度（纵轴走向）等。

桥梁的水平轴线与垂直轴线可以采用两种方式来进行：

一是工程师直接定义，二是利用现有模板来进行。

22.2.3定义下部结构

下部结构包括桥台、桥墩及地基。

墩、台主要承受上部结构传来的荷载，并通过基础又将此荷载及本身的自重传递到地基上。

桥台除了是支撑桥跨结构的结构物外，又是衔接桥头引道的构筑物。

在SAP2000中，桥台具体输入参数如图20-7所示。

图20-7桥台数据对话框

桥台本身的定义可以有两种方式：

一种为已经定义好的的连接属性，可以为线性与非线性的各种连接单元；第二种为自定义的方式，需要在自定义桥台栏中定义桥台自由度的情况，如固定（Fixed）、自由（Free）或者部分刚性（PartialFixity），如果为部分刚性，需要指定刚度。

对于常见的简支梁桥而言，当横向、竖向、纵向均为固定约束时，为固定支座；当横向、竖向为固定约束，而纵向自由时，为纵向滑动支座。

桥台支座水平位置栏定义了桥台支座的位置：

在参考线位置处，在主梁肋的位置及根据支座数目沿主梁底板宽度平均放置。

图20-8显示了桥台支座在水平方向的位置。

图20-8桥台支座水平位置示意图

横隔板栏为可选选项，用来指定主梁在桥台位置处的隔板，工程师可使用隔板厚度编辑栏指定隔板的厚度。

注意主梁两端或者工程师定义跨的起始和终端处的隔板是不能通过桥对象>修改/显示相交隔板来精确定义的。

只能在桥台或者桥墩对象数据来定义。

桥墩一般指多跨桥梁的中间支撑结构物。

桥墩的数据主要包括四个部分：

一是盖梁，包括盖梁定位、截面、长度；二是墩柱、包括定位、截面、长度等；三是边界情况，包括上部结构的连接属性，与地基的连接属性；四是横隔板数据。

桥墩具体的输入参数如图20-9所示：

图20-9桥墩数据对话框

在墩柱的数据中，程序提供了柱的底部连接有三种形式，一是固定（Fixed），二是铰接（Pinned）；三是来自于工程师定义的桥柱支座。

桥柱支座数据如图20-10所示。

图20-10桥柱支座数据对话框

22.2.4定义上部结构

在桥梁模块中，上部结构包括主梁、铰、伸缩缝等等。

如果用桥梁模块来建复杂体系的桥梁的上部结构，如悬索桥的主缆或者斜拉桥斜拉索等，则可通过SAP2000主程序来定义。

在这里仅限于桥梁模块来进行描述。

普通的主梁截面基本都可以利用桥梁模块采用参数化的形式来输入：

如混凝土箱梁、T梁、现浇板梁、钢－混凝土组合梁等。

截面类型如图20-11所示。

图20-11主梁截面类型

一般来说，主梁截面沿纵向是不断变化的。

SAP2000的框架单元的截面属性按照一定的规律进行变化。

在桥梁模块中这项功能得到了大大的加强。

沿桥梁的跨度定义任意一个变量，将来这个变量附给主梁的截面任一参数，如高度、宽度、腹板厚度等。

注意这里的变量指的是尺寸改变量，即基于截面参数的标准值遵照参变量进行增或减。

这种方法比在SAP2000的公共环境下直接定义要方便的多。

变量定义如图20-12所示。

图20-12变量数据定义对话框

将此变化的参数在桥对象数据指定给截面，这样工程师就可以方便地模拟沿跨度不断变化的主梁截面。

主梁沿跨度方向可能是连续的，也可能存在不连续的行为，如存在铰或者伸缩缝。

这些不连续的行为需要在桥铰（伸缩缝）数据对话框中定义，如图20-13所示。

图20-13桥铰（伸缩缝）数据对话框

缝数据包含两部分内容：

Gap缝数据和Hook缝数据。

在默认的情况下，自定义Gap缝，程序自动形成Gap连接属性，其中竖向（U3）具有非线性的Gap属性；同理自定义Hook缝，程序自动形成Hook连接属性，连接单元的刚度为模量E×面积A÷长度L。

如图20-13所示产生的Hook单元的U2方向的刚度为10000×2/4＝5000N/m。

如果模拟钢构桥中常见的简支挂梁的滑动一端，在自定义Gap缝栏内，将U3和U2设置为Fixed，其余自由度为Free。

这里的行为与指定框架两端自由度释放类似。

若已知牛角支座的刚度也可输入U3方向的刚度。

22.2.5桥对象

当上部结构与下部结构所需参数基本完成后，就可以通过定义桥对象组建桥梁模型，在桥对象数据对话框中，可以定义跨径、主梁变化、桥台、桥墩、横隔板、预应力等。

如图20-14所示：

图20-14桥对象数据

22.2.6定义预应力

预应力在桥梁工程中应用较为广泛。

SAP2000目前直接通过桥梁模块来模拟采用后张法施工的预应力束。

预应力束的定义如图20-15所示。

图20-15桥钢束数据对话框

预应力束的各项参数主要根据CEB-FIB规范，我国的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中各种预应力参数的取值与CEB-FIB中的值基本一致。

图20-16预应力损失参数对话框

在摩擦和锚固损失栏中，CurvatureCoefficient（Unitless）为预应力钢筋与管道壁的摩擦系数μ，WobbleCoefficient（1/m）为管道每米局部偏差对摩擦的影响系数k，桥规表6.2.2规定了μ和k的取值。

AnchorageSetSlip（m）为锚具变形造成的预应力钢筋的回缩值。

其它损失参数栏中参数只有在将预应力模拟为荷载时才需定义，如果预应力模拟为单元时，预应力的其它损失参数在材料模型中体现。

ElasticShorteningStress（N/m2）为由混凝土弹性压缩造成的应力损失，CreepStress（N/m2）和ShrinkageStress（N/m2）为由于混凝土的收缩和徐变造成的预应力损失，SteelRelaxationStress（N/m2）为由于预应力钢筋的应力松弛造成的预应力损失。

22.2.7桥梁FEM

通过更新桥梁模型的命令，可以将参数化表示的桥梁对象转换为线对象、面对象或实体对象模型。

通过这个操作，形成了桥梁的有限元模型。

由于桥梁模块是采用大量的参数对象来表征桥梁模型，所以基于桥对象的有限元模型可以在不同的单元类型上进行转换。

22.2.8定义车辆荷载

在定义车辆荷载之前，先要定义车道。

车辆的设计宽度为2.5m,车道的宽度一般为3.5～3.75m，车道荷载分布宽度一般为3m（1.8+1.3-0.1=3）。

当行车道宽度为7m时，可以布置两条车道。

SAP2000中车道的定义有两种方式：

一种是根据已经定义好的桥轴线，二是根据模型中的框架单元（注意，框架只是为车道提供起始点，即框架相当于轴线的作用）。

图20-17为根据轴线定义车道的对话框。

图20-17桥梁车道数据对话框

桥梁车道数据中，要注意车道荷载离散栏内数据的输入，输入的数值影响将来影响线或者影响面的精度，如果想精确分析截面的内力或者应力情况，应尽量使分析截面位置处产生荷载离散点。

另外也可给荷载离散加上一些限制条件：

离散长度不大于跨度的几分之一，离散长度不大于车道长度的几分之一。

桥梁模块中的汽车荷载的定义有两种方式：

一是基于美国和英国的公路桥梁标准规范而编制的标准车辆，包括英国的HA（代表英国正常公路交通、用公式表达的活荷载）与HB荷载（特种车辆荷载，用若干个单位表示其大小），美国的H（M）和HS（MS）荷载；二是工程师自己直接定义一般车辆数据，图20-18所示。

一般的将标准荷载转换为工程师定义的形式，然后再进行编辑。

图20-18一般车辆数据对话框

中国公路规范中，汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成。

在上图所示的数据栏中定义车道荷载，在荷载栏定义均布荷载，其中荷载长度类型为Trailingload，均匀荷载栏中输入规范规定的公路等级的均布荷载qk，比如一级的为10.5kN/m。

此时要注意均匀荷载指的是线荷载值，单位为kN/m，不论均匀宽度类型为LaneWidth还是FixedWidth。

车道荷载中集中荷载Pk在浮动轮轴荷载中输入。

桥梁规范中规定，在计算剪力效应时，集中荷载标准值Pk应乘以1.2的系数。

（目前的SAP2000的版本没有贯入中国的规范，故在计算其它反应栏中填入的集中荷载值放大了1.2倍）

中国规范规定在大跨径桥梁上的汽车荷载应考虑纵向折减，随着计算跨径的增大纵向折减系数减小。

英国桥梁标准中也有纵向折减的内容：

当加载长度小于30米时，额定均布荷载定为每延米的加载分车道30kN；加载长度超过30米时，其值由公式22.1给出：

（22.1）

式中L为加载长度，w为每延米每车道上的荷载（kN），规范规定w不得小于9kN。

当勾选UseBD37/01（2002）forUniformLoadLengthEffects时，意味着遵照上述的规定。

在车辆荷载定义完成后，再定义车辆类别，如图20-19所示。

图20-19车辆类别数据对话框

22.2.9定义移动荷载分析工况

定义工况类型为MovingLoad的分析工况。

在此工况中要输入包括多车道的折减系数（比例系数）、加载的车道等数据。

如图20-20所示。

图20-20定义移动荷载分析工况数据栏

移动荷载工况分析完成后的结果，能够得出内力或者位移包络的结果，且能显示各对象内力等影响线或者影响面。

22.2.10定义桥梁反应

移动荷载分析工况主要目的是得到桥梁某些反应值的包络。

反应值需要工程师指定，一个大型的桥梁模型，可以根据分析目的不同，进行有目的的选择反应量：

如位移、框架内力等，这样程序就能节省很多计算时间。

另外在计算出某些反应最大/最小值时，伴随着其它反应量是否与此最大/最小值一致的问题。

程序为工程师添加了一个一致的复选框，如果对于某一个反应点选一致选项，则此反应的最大/最小值对应的其它内力值或变形值也需要计算。

例如计算某个框架对象的最大弯矩M3，则相应值包括P、V2、V3、T、M2也要同时计算出来。

定义桥梁反应的对话框如图20-21所示。

图20-21桥梁反应对话框

22.2.11显示桥梁反应

这里的桥梁反应主要包含两方面的内容：

一为伴随移动荷载分析工况的求解带来的影响线或影响面；二为桥梁内力或应力。

移动荷载分析完成后，点击显示>显示影响线/面，弹出图20-21对话框。

图20－22显示节点位移影响线对话框

对于常用的对象，显示的内容如下表所示：

对象类型

结果类型

分量

节点

位移

U1、U2、U3、R1、R2、R3

反力

F1、F2、F3、M1、M2、M3

框架

内力

P1、V2、V3、T、M2、M3

壳

内力

F11、F22、F12、M11、M22、M12、V13、V23

VMax、FMax、MMax、FMin、MMin、FVM

顶部应力

底部应力

S11、S22、S12、S13、S23

SMax、SMaxV、SMin、SVM

实体

应力

S11、S22、S33、S12、S13、S23

SMax、SMID、SMin、SVM

连接

内变形

U1、U2、U3、R1、R2、R3

I端力

J端力

P1、V2、V3、T、M2、M3

影响线的显示方式有三种，通过显示影响线对话框中的绘图参数的三个点选框来进行选择。

当一个有限元模型建立完成之后，可以在公共环境中进行单元内力/应力或者节点位移的查看。

当利用桥梁模块建立一个桥梁模型时，SAP2000单独为此类模型给出了后处理输出，即桥梁内力/应力显示对话框，此对话框通过显示>显示桥梁内力/应力来激活，图20-23显示了某桥在恒载作用下顶中与底中的S11应力。

图20-23桥梁内力/应力显示对话框

22.3实例：

三跨预应力混凝土变截面连续梁桥分析

这里利用桥梁模块建一个连续梁桥的模型，在建模部分，完成桥梁基本数据的输入，分析部分分为两大类：

一类为成桥后各种荷载作用下全桥的反应，另一类为施工阶段的模拟。

22.3.1基本资料

1、概况：

三跨预应力砼连续梁桥，其跨径组合为45m+76m+45m。

图20-24所示。

采用单箱单室截面，单箱顶宽11m，底宽6m，两侧悬臂长2.5m桥面净宽：

净7.0+2×1.50米非机动车道+2×0.25米栏杆。

图20-24连梁梁立面简图

2、技术标准：

公路等级：

二级

设计时速：

60km/h

桥面宽度：

桥面净宽10m，桥梁全宽11m。

设计荷载：

公路II级

3、主要材料：

主桥现浇箱梁：

C50

下部结构：

C30

预应力钢材：

低松驰高强度预应力钢绞线应符合ASTMA416-97的规定，单根钢绞线直径15.24mm，公称面积A=140mm2，标准强度

，弹性模量Ey=1.95×105MPa。

4、结构构造：

主桥上部结构为三跨预应力砼连续箱梁，其跨径组合为45m+76m+45m，采用单箱单室截面，单箱顶宽11m，底宽6m，两侧悬臂长2.5m，主墩支撑处箱梁中心梁高4.322m，跨中箱梁中心梁高2.0m，梁高以平方抛物线变化。

箱梁顶面设置双向1.5％横坡，顶板厚0.28m，悬臂板端部厚0.18m，根部厚0.6m；腹板厚0.42m～0.62m，底板厚0.25m～0.65m，也以平方抛物线变化。

横隔板分别设在中支点、边支点，厚度分别为1.8m和1.2m，各横隔板均设置了人洞以便施工。

箱梁零号段长8m,在支架上浇注。

两侧各有9个节段，梁段数及梁段长度为5×3.4m和4×4m。

1号～9号梁段采用挂篮悬臂浇注施工，悬臂浇注梁段最大控制重量93t，挂篮控制重量40t。

主桥共有3个合拢段，即两个边跨合拢段和1个中跨合拢段，合拢段长均为2m，在吊架上浇注。

边跨现浇段长6m，在支架上浇注。

5、纵向预应力束：

纵向预应力钢束共设置了顶板束、中跨底板束、边跨底板）、连续束和预备束共五种，均采用两端张拉。

顶板束及相应预备束采用φj15.24－12，设计张拉吨位234t；底板束及连续束采用φj15.24－15，设计张拉吨位293t。

6、支座：

在图20-24中，左墩为固结支座，其余为滑动支座，在悬臂施工过程中，右墩顶支座为固定支座，在合龙后，拆除临时固结与临时支座。

22.3.2建立模型

在此处主要是指利用桥梁模块，指定桥梁的各个部位尺寸及相关参数。

第一步：

定义桥轴线，初始站为0m，初始走向为N900000E，终点站为166m。

第二步：

定义桥台，均为滑动支座，桥台处的横隔板厚度为1.2米；

第三步：

定义主梁标准截面，标准截面取为主墩中心处的主梁截面，基本尺寸如图20-25所示。

图20-25主梁标准截面

在SAP2000中输入的标准梁截面及属性图20-26所示。

图20-26主梁截面属性

第四步：

定义桥墩，墩身计算高度为7.79米，墩宽7米，厚2.2米，墩身与主梁，墩与地基为固结。

墩处横隔板厚度为1.8米。

第五步：

定义参数变化，这里主要包括三种参数，梁高HEIGHT，底部厚度SLAB，腹板厚度GIRDER。

图20-27所示为主跨梁高的参数变化。

图20-27主梁梁高参数的定义

第六步：

定义桥对象，定义跨径参数为45m＋76m＋45m。

根据分阶段施工梁节段的大小，在不同的跨指定工程师控制点（即离散点），图20-28和20-29所示。

图20-28离散点（平面）

图20-29离散点（立面）

此模型中有纵向预应力束118根，通过直接输入，复制等方式，完成对预应力的输入。

其空间分布如图20-30和图20-31所示。

图20-30预应力束的平面布置

图20-31预应力束的立面布置

第七步：

将桥梁对象更新为有限元模型，这里选用框架单元，图20-32所示。

图20-32更新桥梁结构模型

第八步：

局部修订

这里包括混凝土材料属性的定义。

定义盖梁截面及墩截面，更改桥梁对象模型等，再次形成有限元模型。

22.3.3全桥分析

这里主要为车辆活荷载分析。

1、桥梁模块中数据的修改

这里主要是修改右主墩的支座，新建立一个类型为linear的连接单元来模拟滑动支座。

该单元的U1方向固定，其它方向刚度设置为零。

2、定义车道

共两车道，车道宽度为3.5米。

关于轴线对称。

3、定义车辆与车辆类别

直接输入General车辆荷载，如图20-33所示。

图20-33定义车辆数据

4、定义分析工况

定义类型为movingload的分析工况，由于只具有两条车道，所以不必进行横向的折减。

5、分析及结果的查看

查看汽车活荷载效应，如图20-34、20-35所示。

图20-34汽车活荷载下弯矩包络图

图20-35汽车活荷载下剪力包络图

查看各内力或变形的影响线，如主跨跨中弯矩的影响线，图20-36所示。

主跨跨中竖向变形影响线，图20-37所示。

图20-36主跨跨中弯矩的影响线（沿车道宽度绘制轮廓）

图20-37主跨跨中竖向变形的影响线

直接查看桥梁的反应，例如汽车活载下的M3包络如图20-38所示。

图20-38汽车活荷载作用下的M3包络

22.3.4施工阶段分析

1、模型修改与指定

在桥梁模块中将桥台与主梁的连接条件改为固结，以避免边跨在支架上现浇段出现体系不稳定的情况。

添加模拟支架的框架单元，尽量模拟现场的支架刚度，支架顶部不承担弯矩，故要将顶部抗弯自由度释放。

支架单元底部节点固结。

指定支架单元为组，组名为zhijia。

预应力束由于在不同的阶段进行张拉，故定义不同的工况。

预应力束类别

单元编号

张拉工况

单元编号

张拉工况

悬臂束

39～46

Tendon0

47～54

Tendon1

55～62

Tendon2

63～70

Tendon3

71～78

Tendon4

79～86

Tendon5

87～94

Tendon6

95～102

Tendon7

103～110

Tendon8

111～118

Tendon9

备用束

3，12，6～11

Tendon10

1，2，4，5

Tendon10

底部束

13～38

Tendon10

施工过程模拟过程中，需要工程师将各个部分分组。

图20-39显示了半桥的各梁段的组归属。

图20-39梁段分组

2、挂梁的模拟

在这里将挂梁模拟为简单的模拟为单节点集中力，力的大小为400kN。

根据不同的施工阶段，共有9种荷载工况，工况名称为temp1到temp9。

3、定义分阶段施工

定义类型为非线性阶段施工的静力工况，整个施工过