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MidasCivil支座模拟的详细解决方法

发布于:2021-06-07 16:16:07 来自:道路桥梁/路桥资料库 [复制转发]



MIDAS支座模拟误区

  误区1.在支座位置建立节点,并将所有的支座节点与主梁节点刚性连接,荷载会按照就近原则分配,导致离主梁越近的支座反力越大。

  误区2.当用弹性连接的一般类型模拟单支座时,如果没有定义转角刚度,相当于一个具有平动刚度而没有旋转刚度的梁单元,这样的约束情况当然有可能发生奇异。

   3. 所有的支座反力都相等的问题,当放在弹性地基上的梁的刚度很大而地基的弹簧系数又相同时,上部荷载会均匀地传递到下部弹簧上,弹簧的反力是相同的。

同样的道理,当对支座间的联系梁刚度的模拟(目前他用的是弹性连接的一般连接,弹簧系数很大而又相同时),地基的反力会相同。


在不模拟下部结构的情况下多支座模拟的正确的方法:

  1. 在所有 支座的下端 建立多个节点,所有的节点按固结约束(D-ALL,R-all);


   2. 复制支座底部节点到 梁底 标高位置生成支座顶部节点,将支座底部节点和顶部节点使用弹性连接的一般类型建立连接,并按实际支座刚度定义一般弹性连接的刚度,输入轴向和另外一个或两个方向的弹簧系数。如果是弯桥,要通过调整弹性连接的beta角来调整弹性连接的y向和z向(即保证弹性连接的约束方向为沿主梁的切向约束和径向约束方向)

  注:调整角度是为了保证支座的约束方向与该点主梁的径向和切向一致,Sdx等为弹簧的刚度。

  3. 将支座上部节点和主梁节点用刚性连接连接起来,选择主梁节点为主节点,支座顶节点为从属节点。



要注意的是,其中第三步是将梁在端部的横向联系视为刚性杆模拟的,当荷载和结构对称时,所有反力将相等。荷载偏载时(比如活荷载偏载布置)时,支座反力会不相等。此时可查看是否有负反力。

如果用户准确知道横向联系的刚度,可输入实际的横向联系的刚度建立梁格模型,横向联系的刚度越小,各支座的反力之间的差别会越大。




如何在程序中模拟橡胶支座的刚度

1) 普通板式橡胶支座介绍

图 1.1板式橡胶支座

①特点: 性能优良、构造简单、价格低、无需维护、易更换、缓冲隔震、建筑高度低等特点。

②构造: 由多层橡胶片与薄钢板硫化、粘合而成,它有足够的竖向钢度,能将上部构造的反力可靠的传递给墩台; 有良好的弹性,以适应梁端的转动; 又有较大的剪切变形能力,以满足上部构造的水平位移。

③活动机理: 利用橡胶支座的不均匀弹性压缩实现转角,利用剪切变形实现水平位移。

④适用范围:

i.普通板式橡胶支座适用于跨度小于 30m、位移量较小的桥梁; 正交桥梁用矩形支座; 曲线桥、斜交桥及圆柱墩桥用圆形支座。

ii.四氟板式橡胶支座适用于大跨度、多跨连续、简支梁连续板等结构的大位移量桥梁。 它还可用作连续梁顶推及 T 型梁横移中的滑块。 矩形、圆形四氟板式橡胶支座的应用分别与矩形、圆形普通板式橡胶支座相同。

2)规范中的相关规定

①按结构型式分为:

i.普通板式橡胶支座分为矩形板式橡胶支座(代号 GJZ)、圆形板式橡胶支座(代号 GYZ);

ii.四氟滑板式橡胶支座分为矩形四氟滑板橡胶支座(代号 GJZF4)、圆形四氟滑板橡胶支座(代号 GYZF4)

②按支座材料和适用温度分为:

1)常温型橡胶支座应采用氯丁橡胶(CR)生产,适用温度为: -25°C  ~ 60°C  。  

2)耐寒型橡胶支座应采用天然橡胶(NR)生产,适用温度为: -40°C  ~ 60°C  。  

图 1.2       橡胶支座布置图 

3) Civil 中的模拟方式

使用“边界条件”→“弹性连接”,模拟支座的 6 个刚度。 (如图 1.3、1.4 所示)

以材料力学角度理解:  

沿单元局部坐标系 x 轴方向刚度: SDx=EA/L

沿单元局部坐标系 y、z 轴方向刚度: SDy=SDz=GA/L

绕单元局部坐标系 x 轴方向转动刚度: SRx=GIp/L

绕单元局部坐标系 y、z 轴方向转动刚度: SRy=EIy/L、SRz=EIz/L, 

(式中: E-弹性模量; G-切变模量; A-面积; L-支座高度(厚度); Iy、Iz-

截面抗弯惯性矩; Ip-截面抗扭惯性矩。 ) 

注: 由于在这里输入的各向刚度的单位是线刚度,所以在模拟支座顶、底两个节点的间距时,其间距值可以是实际的支座高度,也可以是为了模型查看方便,设置一个稍大些的值,都不影响分析结果。  

图 1.3    弹性连接的定义 

图 1.4     模型中的“弹性连接” 

4) 结合规范(JT/T 4-2004)和(JTG D62-2004)举例说明支座刚度的计算方法

例: 我们分别选取矩形支座和圆形支座来计算(实际设计时,支座的选取要根据支反力及 D62 规范来确定)

图 1.5     板式橡胶支座规格表 

① SDx 的计算(即支座的抗压刚度计算)

图 1.6      规范中的相关计算公式 

矩形支座: La×Lb-200×400/52: S=7.98

(注: S 在支座选用表中可直接查到,在此主要是说明计算过程,参见 D62,8.4.1) 

支座剪变模量 Ge 的计算 

本例按常温选取,Ge=1MPa(参见 D62,8.4.1) 

(注: Ge 选取的值是根据试验得到,同时,试验规定 Ge 的测定是在平均压应力σc =10MPa作用下得到的,也就是说是在承压状态下得到的剪变模量,也就支座不存在刚度计算时,是否在承压状态下计算的刚度这个问题了。  

支座抗压弹性模量 Ee 计算 

圆形支座: Ee = 5.4Ge S2 = 5.4 × 1 × 7.52 = 303.75MPa

② SDy、SDz 的计算(即支座的剪切刚度计算)

材料力学的角度计算公式: SDy=SDz=GA/L,结合规范后的计算方式如下:  

i.G 的计算(G=Ge=1MPa 参见 D62,8.4.1)

ii.A 的计算(A=kAe,计算见前页 Ae 计算,圆形 k=0.9,矩形 k=5/6,参见帮助文档-截面-剪切面积部分)

iii.L 的计算(L=te,计算过程略,参见 SDx 中的 te 计算)

综上,midas Civil 中弹性连接沿局部坐标 y、z 轴方向刚度 SDy=SDz

③ SRx 的计算(即支座的抗扭刚度计算)

材料力学的角度计算公式: SRx=GIp/L,结合规范后的计算方式如下:  

i. Ip 的计算(支座截面的抗扭刚度)

抗扭刚度 Ip 是抵抗扭矩的刚度。 它不同于为了计算扭矩作用下的截面剪应力所使用的极惯性矩。 但是,当截面形状是圆形或厚板圆环时,其抗扭刚度与极惯性矩相同。

在 midas Civil 的帮助文件中,给出了常见截面 Ip 的计算公式,如图 1.7 所以:

1) 普通板式橡胶支座介绍

图1.7 常见截面Ip的计算公式 

(注:此处所列的计算公式与材料力学中扭转部分的扭转刚度计算一致,只是表达形式不同而已,对于更复杂的截面可以借助Civil截面特征中的特性值计算功能直接求得)

④ SRy、SRz的计算(即支座的抗弯刚度计算)

材料力学的角度计算公式: SRy=EIy/L、SRz=EIz/L,结合规范后的计算方式如下:

i. E的计算(同上)

ii. L的计算(同上)

iii. Iy和Iz的计算

(注: 根据材力中的转动刚度公式可推导出SRx、SRy、SRz的单位为: N·mm/rad)

⑤ 橡胶支座用弹性连接模拟刚度计算完成

将表1.1中的刚度数据填到程序中的“弹性连接”对话框中。


图1.8 输入弹性连接的刚度

5) 橡胶支座刚度数据的具体应用

到此我们已经可以计算出橡胶支座的具体刚度数据,那么在具体使用时,需要注意以下几点。

① 我们在计算SDx时,考虑到D62-8.4.2-8条文参考了美国、欧洲规范,在计算竖向压缩变形的时候考虑橡胶弹性体体积模量(Eb),取值2000MPa。 所以, ,具体的公式推导就是将D62-8.4.2-8公式进行变形得出等效E值的计算公式。

② 支座剪变模量Ge计算的时候,按D62-8.4.1选取为1.0Mpa,在进行抗震计算的时候,应该按08细则6.3.7-1式选取为1.2MPa。

③ 支座有效承压面积按有效承压加劲钢板面积Ae取值,计算不同形状支座有效剪切面积的时候,要考虑支座形状的影响,圆形为0.9,矩形为5/6,具体可参见Civil的帮助手册“截面”部分。

④ 本资料中给出的SDy、SDz水平剪切刚度的计算方法,只适用于在纯剪切模式下,小变形范围内的主梁受力分析时,所采用的剪切刚度计算公式。 如果要进行抗震分析,我们还需考虑支座在受到 震水平力作用下会发生较大的变形,此时的支座剪切刚度应该按压弯模式下计算,具体的计算方法会在后续的桥梁荟期刊中给出,用户也可以参考范立础编著的《桥梁减隔震设计》这本书,自行学习。

⑤ 虽然我们按上述方法计算出3个平动(SDx、SDy、SDz)和3个转动(SRx、SRy、SRz)自由度的支座刚度,但是,这些刚度数据其实是支座本身的刚度,具体到与实际工程中的设置,主梁一般是放置在橡胶支座上的,主梁与支座顶面没有固结,也就是说,3个转动刚度和2个平动刚度(SDy、SDz)是否能完全发挥作用,还是要考虑主梁与支座表面的摩擦力的大小。

⑥ 一般的处理方式,我们只需输入3个平动刚度即可正确的得到我们想要到主梁内力结果,因为,实际中转动刚度是支座本身的刚度,并不意味着给主梁提供了相应的刚度。

⑦ 我们计算的转动刚度SRx、SRy、SRz也是有用的,因为是近似真实的支座刚度数据,分析后,我们可以查看支座单元的分析结果,核对支座的变形及相应受力情况。




弯桥双支座模拟

双支座连续梁弯桥模型如图 4.1 所示,其偏载作用下的弯矩影响线(如图 4.2)不对称,且一阶模态下的振型图异常(如图 4.3)。 


图4.1     全桥模型图
图4.2     偏载作用下的弯矩影响线

图4.3  一阶模态下的振型图

解决方法

通过分析,发现该问题模型是采用程序提供的“单箱多室梁格建模助手”生成的弯桥梁格模型,对于使用建模助手生成的梁格模型,程序会自动在支座底节点上施加“节点局部坐标轴”来定义支座的实际位置(如图 4.4 所示)。 


建模助手生成的梁格模型图

但是在接下来的弯桥双支座模拟过程中,用户没有调整弹性连接里的β 角,所以其输入的支座各方向刚度与支座实际约束方向刚度不一致(如图 4.5 所示),最终导致计算的结果异常。

       错误的弹性连接刚度定义(以节点 43、44 为例) 

将弹性连接里的β 角及刚度值正确输入之后(如图 4.6 所示),再运行程序,结果图形显示正常(如图 4.7、4.8 所示)。 

       正确的弹性连接刚度定义(以节点 43、44 为例) 

      正确的偏载作用下的弯矩影响线 


       正确的一阶模态下的振型图

相关补充说明:   

1)对于弯桥、斜桥等非对称桥梁结构,必须准确的模拟支座的实际位置及刚度。 正确的模拟过程如下:

①在支座中心的顶、底位置处各建立一节点,顶节点作为从属节点与主梁上对应节点通过“刚性连接” 刚接起来;

刚性连接 

② 在顶、底节点之间建立“弹性连接”的“一般类型”来模拟支座,弹性连接的刚度按照支座各方向的实际刚度输入;

 弹性连接 

③ 底节点利用“一般支撑”施加固结边界条件,或者与下部结构采取适当方式连接;

 一般支撑 

④ 当支座的约束方向与整体坐标系不一致时,还需调整模拟支座的弹性连接的β 角,使弹性连接的刚度方向与支座的实际约束方向一致。

 弹性连接的β角 

2)支座顶节点与主梁上对应节点的连接最好采用“刚性连接”。 使用“弹性连接”的“刚性”时,有时会因为刚度协调问题导致反力结果不理想。

3)“节点局部坐标轴”与“弹性连接局部坐标系”的区别:

“弹性连接”虽然属于边界条件的一种,但在程序内部实际上就是一种具有 6 个自由度,类似于梁单元的弹簧单元,有自己的坐标系。 输入“弹性连接”刚度时,一定要注意查看“弹性连接”的坐标系方向,按照这个方向准确输入刚度。  

图 4.9   弹性连接局部坐标系

“节点局部坐标轴”主要应用于以下功能: “一般支承”、“节点弹性支承”、“一般弹性支承”、“面弹性支承”、“支座沉降”、“反力”中的“反力和弯矩”、“影响线”中的“反力”、“影响面”中的 “反力”。


图 4.10   节点局部坐标轴 


(转自 MIDAS迈达斯官方平台 ,如若侵权,请联系删除)

全部回复(2 )

只看楼主 我来说两句抢地板
  • huoxiaosu
    huoxiaosu 沙发

    能不能下载啊

    2021-12-01 16:15:01

    回复 举报
    赞同0
  • yanghonglu
    yanghonglu 板凳

    好资料

    2021-11-09 14:13:09

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    赞同0
这个家伙什么也没有留下。。。

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