迈达斯教程文档格式.docx
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无论以后从事何种职业，都或多或少都会用到本门课程的相关知识。
（科研、设计、施工）
1.2课程的特点（难点）
1深厚的理论知识
2实践性强
只有通过实践解决实际问题，才能学会。
1.3学习目的
•掌握桥梁结构分析的基本理论
•了解桥梁结构分析的一般流程
•初步了解计算分析软件Midas
1.4学习内容
•常用桥梁计算软件概述
•Midas初级功能
•桥梁平面杆系模型的建立
•掌握桥梁荷载效应
•影响线、恒载内力、活载内力计算
•荷载效应组合
•结构强度验算和正常使用性能验算
参考教材：
《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》
MIDAS2006使用说明书
1.5学习要求
•独立完成常规桥梁的计算分析
•考核要求：
理论课成绩=70%随堂测验+30%平时考勤
上机课成绩=70%上机考核+30%平时考勤
第二章常用桥梁结构分析软件概述
2.1桥梁结构分析的杆系有限单元法
2.2结构力学计算器SM-SOLVER
2.3桥梁博士Dr.bridge
2.4迈达斯MidasCivil
2.5Ansys
2.6其它
2.7工程实例演示
桥梁结构分析，可分为总体分析和局部分析两大部分。
从总体受力来看，桥梁的特点是长而不宽（长宽比一般大于2，特别是大跨度桥梁），它的受力特性与杆系结构相符，因此用杆系有限元对其总体受力情况作分析就抓住了事物的主要矛盾。
对于局部受力问题，如异形块、墩梁塔固结处、拉索或预应力筋锚固点的局部应力等，一般需用板壳、块体有限元等方法进行分析计算。
杆系有限元分析可归纳为如下步骤：
首先是“化整为零”，即将结构离散为有限个的梁单元，研究各单元的性质，形成单元刚度矩阵，然后“集零为整”，按照结构的几何条件（包括结点处的变形连续条件和支承条件）及平衡条件，将各个单元集合成原来的结构，形成总体刚度矩阵和总体刚度方程，求解得到结构的位移和内力。
有限元法的求解步骤如表2-1-1所示。
有限元法的分析步骤表2-1-1
有限元法步骤
一、结构离散——将求解区域变成有限元模型
1．用所选单元划分有限元网格，给节点、单元编号
2．选定整体坐标系，测量节点坐标
3．准备好单元几何尺寸、材料常数
二、单元分析——建立单元平衡方程组
1．在典型单元内选定位移函数，并将它表示成节点位移的插值形式
2．用虚功原理或变分法推导单元平衡方程
3．求每个单元的单元刚度矩阵
三、整体分析——形成和求解整体平衡方程组
1．单元组合集成整体刚度矩阵、节点位移列向量和节点载荷列向量，形成整体平衡方程组
2．引入边界条件，求解节点位移
3．后处理计算。
根据需要计算变形、应力和反力等
下面我们介绍几种本专业的常用软件。
2.2.结构力学求解器
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*把繁琐交给求解器，我们留下创造力！
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1）．简介
结构力学求解器（SMSolverforWindows）是一个面向教师、学生以及工程技术人员的计算机辅助分析计算软（课）件，其求解内容包括了二维平面结构（体系）的几何组成、静定、超静定、位移、内力、影响线、自由振动、弹性稳定、极限荷载等经典结构力学课程中所涉及的一系列问题，全部采用精确算法给出精确解答。
本软件界面方便友好、内容体系完整、功能完备通用，可供教师拟题、改题、演练，供学生作题、解题、研习，供工程技术人员设计、计算、验算之用，可望在面向21世纪的教学改革中发挥其特有的作用。
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2）．求解功能
求解功能分为自动求解和智能求解两类。
自动求解功能:
-平面体系的几何组成分析，对于可变体系可静态或动画显示机构模态；
-平面静定结构和超静定结构的内力计算和位移计算，并绘制内力图和位移图；
-平面结构的自由振动和弹性稳定分析，计算前若干阶频率和屈曲荷载，
并静态或动画显示各阶振型和失稳模态；
-平面结构的极限分析，求解极限荷载，并可静态或动画显示单向机构运动模态；
-平面结构的影响线分析，并绘制影响线图。
智能求解功能:
-平面体系的几何构造分析：
按两刚片或三刚片法则求解，给出求解步骤；
-平面桁架的截面法：
找出使指定杆成为截面单杆的所有截面。
3）．技术性能
运行环境:
80486级别以上的PC机，Windows3.x/95/98/NT，8M内存，2M硬盘空间（专业版求解大问题时需更多的内外存空间）。
版本区别:
目前有两个版本：
学生版和专业版。
学生版解题规模有如下限制：
几何组成、静力分析、影响线、截面法等问题最多40个单元；
自由振动、弹性稳定和极限分析最多20个单元。
专业版解题规模无此限制，只受机器的内外存空间大小的限制。
2.3DrBridge桥梁博士
Dr.Bridge系统是一套通用桥梁结构设计施工系统，具有以下特点：
1）系统寄托在Windows工作平台，遵从国际标准的用户界面，充分利用Windows强大的软件与设备支持性和多任务功能。
2）系统的数据输入全部采用标准界面人机交互输入，并提供了强大的数据自动生成和编辑功能，以及有效的数据纠错与查错功能，从而使得数据输入这一繁琐的工作得到了大大的简化。
3）系统具有强大的直线桥梁、平面斜、弯和异型桥梁设计与施工计算功能，能进行各种结构体系的恒载与活载的线性与非线性响应计算，能够实现复杂的截面施工操作，能够有效地模拟施工中采用的临时支架和挂篮设备，能够进行结构上下部共同作用的分析；
能够自动计算每根拉索的施工张拉力；
能够自动按照规范进行三种承载能力极限状态组合和六种正常使用极限状态组全（包括施工阶段组合V），并根据您的要求进行这九种组合的配筋计算或应力验算和强度验算及抗裂性验算；
系统同时附有截面设计计算、活载横向分布系数计算以及基础计算等模块。
4）系统的结构计算安排在后台进行，从而可以随时对项目的主算进程进行干预，包括项目的启动、停止以及设置项目计算的起始点。
5）完善的输出功能能随时得到各种计算信息和计算结果，系统的数据输出图文并茂，表格、文字和图形显示将同时展现，并可以根据系统的设定，输出规格化的图形结果。
6）系统提供的打印功能可打印精美的文档，本系统所有的文字和图形结果可以随时在各种打印机和绘图仪上输出，同时提供了打印预览功能。
7）完善的联机帮助系统，在使用本系统时遇到的各种问题都可以随时查看系统的帮助文册，从而可以完全脱离使用手册，方便的使用本系统。
8）本系统全部代码采用c++语言，以MFC基类库为基础，采用了面向对象的设计方法，具有强大的升级潜力。
2.4MidasCivil
MIDAS/Civil是个通用的空间有限元分析软件，可适用于桥梁结构、地下结构、工业建筑、飞机场、大坝、港口等结构的分析与设计。
特别是针对桥梁结构，建筑结构。
MIDAS/Civil结合国内的规范与习惯，在建模、分析、后处理、设计等方面提供了很多的便利的功能，目前已为各大公路、铁路部门的设计院所采用。
MIDAS/Civil的主要特点如下：
1）提供菜单、表格、文本、导入CAD和部分其他程序文件等灵活多样的建模功能，并尽可能使鼠标在画面上的移动量达到最少，从而使用户的工作效率达到最高。
2）提供刚构桥、板型桥、箱型暗渠、顶推法桥梁、悬臂法桥梁、移动支架/满堂支架法桥梁、悬索桥、斜拉桥的建模助手。
3）提供中国、美国、英国、德国、欧洲、日本、韩国等国家的材料和截面数据库，以及混凝土收缩和徐变规范和移动荷载规范。
4）提供桁架、一般梁/边截面梁、平面应力/平面应变、只受拉/只受压、间隙、钩、索、加劲板轴对称、板（厚板/薄板、面内/面外厚度、正交各向异向）、实体单元（六面体、楔形、四面体）等工程实际时所需的各种有限元模型。
5）提供静力分析（线形静力分析、热应力分析）、动力分析（自由振动分析、反应谱分析、时程分析）、静力弹塑性分析、动力弹塑性分析、动力边界非线形分析、几何非线形分析（P-delta分析、大位移分析）、优化索力、屈曲分析、移动荷载分析（影响线/影响面分析）、支座沉降分析、热传导分析（热传导、热对流、热辐射）、水化热分析（温度应力、管冷）、施工阶段分析、联合截面施工阶段分析等功能。
6）在后处理中，可以根据设计规范自动生成荷载组合，也可以添加和修改荷载组合。
7）可以输出各种反力、位移、内力和应力的图形、表格和文本。
提供静力和动力分析的动画文件；
提供移动荷载追踪器的功能，可找出指定单元发生最大内力（位移等）时，移动荷载作用的位置；
提供局部方向内力的合力功能，可将板单元或实体单元上任意位置的接点力组合成内力。
8）可在进行结构分析后对多种形式的梁、柱截面进行设计和验算。
2.5Ansys
ANSYS是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，它是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发，从1971年2.0版至今，已有近40年的历史。
Ａnsys是一个功能非常强大的有限元分析软件。
与前述几个程序的区别在于，它是完全基于有限元理论设计的大型通用程序。
它的基本方法就是有限元分析法。
Ａnsys是一个完整的FEA软件包，适合世界范围各工程领域的工程师使用。
可用于：
1）结构分析；
2）热分析；
3）流体分析，包括ＣＦＤ（计算流体动力学）
4）电／静电场分析
5）电磁场分析
Ａnsys在部分工业领域应用：
1）航空航天
2）汽车工业
3）生物医学
4）桥梁与建筑
5）电子产品
6）重型机械
7）微机电系统
8）运动器械
ANSYS软件主要包括三个部分：
前处理模块、分析计算模块和后处理模块。
前处理模块提供了一个强大的实体建模以及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；
分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析以及多物理场耦合分析；
后处理模块可将计算分析结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等多种图形方式显示出来，也可以将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
软件提供了包括梁单元、桁架单元、弹簧单元、索单元、板单元、块单元以及超单元等多种单元在内的100多种单元类型，可用来模拟工程中的各种结构和材料。
选择ANSYS用于桥梁结构空间计算分析的重要原因就是ANSYS具有单元生死的功能。
该选项用于桥梁结构分析中就可以模拟桥梁施工过程，单元生的功能相当于架设桥梁构件，单元死的功能相当于拆除桥梁构件。
另外，ANSYS还具有编制程序的功能，这就使得多种桥型方案的设计分析可模拟成为简单而省力的过程，与传统的常规建模方法相比，使用程序建模可以获得快捷、准确而方便的计算方法和计算结果。
总之，在目前桥梁空间分析程序不够完善的情况下，用ANSYS程序作桥梁的结构分析，具有独到的优势。
用Ａnsys对结构进行计算机模拟，容许对大量假设情况进行快速有效的试验。
能有效的减少模型试验。
同时，还可以模拟不适合在原型上进行试验的设计。
如器官移植、人造脏器等。
其突出的经济效果则是：
1）节省费用。
2）节省时间——缩短产品开发周期。
3）创造出更可靠、高品质的设计。
观摩：
ANSYS工程实例分析
2.6其它桥梁计算程序、软件
SAP系列（StructuralAnalysisProgram）
由美国Wilson教授主持开发，是线弹性（物理
，几何小位移理论）结构有限元静动力分析软件，具备各种单元库，能解决各类结构的内力计算问题。
在桥梁工程中，常被用于复杂结构或局部应力分析，如异形桥、斜桥等各种复杂结构。
它具备了强大的前后处理功能，能自动生成网络，可以给出结构的变形图和应力等值线图。
公路所，吕建鸣组织开发的GQJS，其前身为QJX，目前已经通过ISO认证，是国内平面杆系结构分析比较权威的软件；
西南交大的ASCB，对支承的处理相当粗糙，计算精度不高；
BAP系统，同济大学肖汝诚教授开发的桥梁综合系统，在悬索桥、斜拉桥等特大桥上应用较多，
湖南大学与广州市政合作开发的BRCAD系统，非Windows界面，等等。
小结：
MidasCivil、SAP2000、桥梁博士有限元软件，专业性强，对于杆系模型的计算分析有较强的优势，适合宏观计算把握；
ANSYS、NASTRAN、IDEAS有限元软件，综合性强，对于板壳河实体模型的计算分析有较强优势，适合结构的精细计算分析。
2.7工程实例演示（见PPT）
3.7桥梁结构分析的建模方法总结
3.1建模
1、授课内容：
通过基本构件的建模和计算，掌握MIDAS CIVIL的基本操作过程。
2、附上机操作例题
（一）——《悬臂梁和简支梁》
学生根据老师讲课的实作示范，参照上机操作例题一：
《悬臂梁和简支梁》进行建模实践。
3.学习内容：
用MIDASCIVIL求解一悬臂梁或简支梁。
具体步骤：
1.设定操作的基本环境（重点）
2.输入构件的材料及截面数据（重点）
3.建立悬臂梁模型（重点）
4.输入建筑物的边界条件（重点）
5.输入荷载
6.运行结构分析
7.查看结果
4.本讲的要求：
计算分析报告
（一）
本讲授课与上机实践结束后，要求同学们掌握MIDASCIVIL的基本操作环境、界面，了解MIDASCIVIL的常用单元类型，强化对于该通用程序的理解和认识。
3.2桥梁荷载介绍
1、授课内容：
掌握如何对有车辆荷载作用的单跨拱桥进行建模、加载。
2.附：
上机操作例题
（二）——《单跨拱桥》
同学们根据老师讲课的实作示范，参照上机操作资料
（二）：
《单跨拱桥》进行建模实践。
通过对单跨拱桥例题的掌握用MIDASCIVIL对较复杂构造进行加载、求解和结果分析校核。
1.打开文件并设定操作的基本环境
2.输入构件的材料及截面数据
3.使用节点和单元进行建模
4.输入建筑物的边界条件
5.输入车辆移动荷载和静力荷载（重点）
6.进行结构分析
7.对结果进行校核和分析
3.3桥梁计算分析
3.4桥梁作用效应组合
使用一个简单的两跨连续梁模型来掌握MIDAS/Civil的施工阶段分析功能、钢束预应力荷载的输入方法以及查看分析结果的方法等。
主要包括分析预应力混凝土结构时定义钢束特性、钢束形状、输入预应力荷载、定义施工阶段等的方法，以及在分析结果中查看徐变和收缩、钢束预应力等引起的结构的应力和内力变化特性的步骤和方法。
上机操作例题（三）——《预应力混凝土梁桥》
同学们根据老师讲课的实作示范，参照上机操作例题（三）——《预应力混凝土梁桥》进行建模实践。
通过对二跨预应力混凝土梁桥例题的学习，掌握用MIDASCIVIL的施工阶段分析功能、钢束预应力荷载的输入方法以及查看分析结果的方法等。
1、定义材料和截面
2、建立结构模型
3、输入荷载（重点）
恒荷载
钢束特性和形状
钢束预应力荷载
4、定义施工阶段（重点）
5、输入移动荷载数据
6、运行结构分析
7、查看结果
3.5桥梁正常使用极限状态验算（自学）
3.6桥梁承载能力极限状态验算（自学）
3.7桥梁结构分析的建模方法总结
3.7.1桥梁结构分析的内容和特点
1桥梁结构分析的主要内容
2桥梁结构分析的特点
3.7.2桥梁结构分析的建模方法
1结构离散化的基本原则
2局部构造的模拟方法
3.7.1、桥梁结构分析的内容和特点
1、桥梁结构分析的主要内容
桥梁结构分析的基本内容可概括如下：
（1）桥梁一般是分阶段逐步施工完成的，结构的最终受力状态往往与施工过程有着很大的关系，因而结构分析必须能够准确地模拟施工过程，并且能够自动累加各阶段的内力和位移等。
施工阶段内应考虑的因素主要有：
①结构自重；
②施工临时荷载，如挂篮重量等；
③预加应力；
④混凝土收缩和徐变；
⑤温度变化；
⑥静风的作用；
⑦结构体系转换；
⑧斜拉索或系杆等的初始张力；
⑨合龙口的预顶力等。
（2）计算成桥后在二期恒载、支座不均匀沉降、混凝土长期徐变效应、温度变化等作用下的内力和位移；
（3）计算各种活载引起的内力和位移，包括影响线或影响面的计算以及对它们进行加载等；
（4）计算各种偶然荷载（如地震、船舶撞击力）等引起的内力和位移；
（5）按规范对上述各种荷载引起的内力和位移进行组合，得出最不利的组合情况；
（6）按规范进行强度、刚度、抗裂性和稳定性验算。
2桥梁结构分析的特点
（1）、逐阶段形成结构体系
桥梁结构在不同的施工阶段，结构布置、边界条件、荷载条件均在发生变化。
例如，当采用悬臂浇筑法施工连续梁桥时，结构是逐段浇筑混凝土并施加预应力而逐渐接长的。
由于结构形成的过程不同，因此其恒载内力也不同。
这与结构力学中的连续梁受力有很大差别。
下面一简例可说明这个问题。
图3-1-1所示为一个右端固结、左端铰支的梁，承受满布匀布荷载q（自重）。
图中示出了结构分别按两种不同的施工方法（一次落架和分阶段施工）形成结构体系的内力和变形图。
图3-1-1桥梁结构的最终内力和变形与施工方法的关系
a）一次落架形成体系b）两阶段形成体系
如果结构是搭架现浇并在永久支承完成后卸架，则其弯矩M如图3-1-1（a）所示。
如果结构是逐段悬臂浇筑，最后再安装支座A，则由于自重q及产生的挠度在悬臂施工时就已发生，因此其弯矩如图3-1-1（b）所示。
这时支座A的反力为零，因为它是在结构全部荷载和变形已发生后安装的。
显然两种情况的内力和变形图完全不同。
由此可见，在进行桥梁结构分析时，必须根据实际的施工过程，分阶段逐步分析，逐步累加每一分阶段发生的内力和变形，直到全桥结构完全形成。
只有这样，才能确保结构分析能够真实反应桥梁的实际受力状况。
（2）、活载（移动荷载）效应
桥梁结构分析的另一特点是它要承受移动荷载（如汽车、挂车等）的作用，且活载占了相当的比重。
在作线性分析时，最常用也是最方便的方法是采用影响线加载的方法，即先计算出影响线，然后在其上布置活载，找出最不利荷载位置，并求出与该加载位置对应的内力和位移。
对影响线加载的方法很多，常用的有等效均布荷载法、穷尽法、动态规划法等。
等效均布荷载法方便于手算，即将对应各种形状影响线的活载换算成等效的均布荷载，制成表格。
在计算机普及的今天，该法已基本被淘汰。
无论采用哪种方法加载，都应注意在同一截面上的不同内力所对应的最不利荷载位置可能不同。
例如最大弯矩和最大剪力不一定是在同一荷载位置发生。
因此加载时应分别按各内力的最不利荷载位置求最大及最小内力及其相应的其他内力。
例如，先求最大弯矩及其对应的最不利荷载位置，然后求该荷载位置时的剪力和轴力值（不一定也是最大值），称为与最大弯矩相应的剪力和轴力。
这样求出的一组内力都是相应的内力。
每个截面的内力加载结果共有6组（平面梁单元），例如：
单元结点内力的最大值和相应值表3-1-1
相应的弯矩M
相应的剪力Q
相应的轴力N
最大弯矩
5256
325
128
最大剪力
4858
542
212
最大轴力
5125
433
255
最小弯矩
-3476
-112
95
最小剪力
-3111
-445
85
最小轴力
-2245
-345
-28
上表中两类数据中主对角线上的数字是各内力的最大、最小值，其余各数字为相应的内力。
（3）、预应力效应
在分析预应力混凝土桥梁结构时，必须考虑预加应力的效应，较常用的方法是等效荷载法，即把预加力当作等效的外荷载施加于混凝土结构上，然后计算由此而引起的内力和位移。
该方法概念清晰、简便易行。
预应力的等效荷载具有一般荷载的特性，但它还有一个重要特征，即它是一自相平衡的力系。
从结构中截出任何一段含预应力筋的杆件，其上作用的预应力荷载都是自相平衡的。
预应力引起的结构内力由三部分组成，第一部分是直接施加在构件截面上的预加力，称为初内力。
例如一水平预应力筋施加在构件截面上的压力为
，该压力至截面形心轴的偏心距为
，则该截面的预应力初内力为
。
第二部分是在超静定结构上张拉的预应力筋所引起的内力重分布，称为次内力。
第三部分是由于施工过程中发生了体系转换，例如悬臂施工法时结构由静定的T构转换为连续刚构或连续梁。
这样由于混凝土的徐变作用，体系转换前（如合龙前）作用在结构上的预应力荷载会在体系转换后的结构上引起内力重分布，也称为次内力。
当采用有限元法逐阶段依次计算并自动累加内力和位移时，这三部分内力会被自动算出，不必专门分别考虑。
有关预应力效应的计算可参见相关书籍。
（4）、温度效应
温度变化引起的截面应变由公式（2-4-49）给出：
（3-1-1）
式中：
——y=0处的应变值；
——单元梁段挠曲变形后的曲率。
其余符号意义参见第二篇第四章。
用杆系有限元法求解上述温度变化引起的次内力时，先将单元的两端固定，参见表1-2-1荷载类型7，此时温度变化引起的单元等效结点荷载向量
为：
（3-1-2）
将各单元的结点荷载向量通过坐标变换成为总体坐标下的结点荷载，并送入总体刚度方程中，即可求得结构因温度而产生的结点位移，继而求得各杆端的因结点位移产生的内力
将两端固定引起的温度杆端力与结点位移引起的杆端力迭加，得到杆端温度总内力（参见式3-1-3）：
（3-1-3）
计入温度自应力后，高度y处的截面纤维层的正应力为：
（
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