目 录
1概要………………………………………………………………………………………….1 2 钢桥概况及构造检查…………………………………………..…………………………2
2.1 钢桥概况……………………………………………………….………….……………………2 2.2构造检查…………………………………………………………..………….…………………2 2.2.1钢桥面板……………………………………………………..……………………………2 2.2.2 翼缘板…………………………………………………….……….………………………6 2.2.3 受压加劲肋…………………………………………….……….………..………………6
3 建模步骤…………………………………………………………....……………………..7
3.1定义材料………………………………………………..………………….……………………7 3.2定义截面…………………………………………………………………………………………8 3.3 建立结构模型……………………………………………………..…………………………12 3.4 边界条件设置…………………………………………………..……………………………13 3.4.1 边界条件…………………………………………………..……………………….……13 3.4.2 有效截面宽度……………………………………………….…………………………15 3.5 静力荷载的定义……………………………………………….……………………………17 3.6 移动荷载…………………………………………………….…………….………………….19 3.6.1定义车道……………………………………………….…………………..……………19 3.6.2定义车辆…………………………………………….……………….………….………20 3.6.3定义移动荷载工况……………………………………………………………………22 3.7 支座沉降……………………………………………………….……………………..………24 3.8 定义施工阶段……………………………………………….………………………………25 4 结合规范和Civil Designer进行设计……………..………………………….……26
4.1 CDN程序设置………………………………………………………..…………………27 4.2 设计结果查看……………………………………………………………………………32
5 结语………………………………………………….………….………………………35 6 参考文献………………………………………………….……………………………35
midas Civil＆Civil Designer 钢箱梁操作例题资料
1概要
钢桥是高强、轻型薄壁结构，截面和自重比混凝土桥小，跨越能力大，因而在实际工程中有广泛应用。钢桥按形式可大致分为钢箱梁、钢板梁（工字钢）、钢桁梁、组合梁桥等类型。钢桥在使用时不仅要求钢材具有较高的强度，而且还要求具有良好的塑性。钢桥的刚度相对比较小，变形和振动比混凝土桥大。为了保证车辆行驶安全和舒适性、避免过大的变形和振动对钢桥结构产生不利的影响，钢桥必须有足够的整体刚度[2] 。钢桥缺点除容易腐蚀影响耐久性外，另一缺点是疲劳。影响疲劳的因素很多，除钢材品质、连接的构造与方法等外，与荷载性质、疲劳细节关系也很大。钢箱梁除钢材等力学特性外，还具有箱梁的受力特点，广泛应用于市政高架、匝道、大跨度斜拉桥、悬索桥、拱桥加劲梁、大跨连续钢箱梁及人行桥钢箱梁等方面。
本专题将通过介绍工程概况、结合规范构造检查、midas Civil详细建模过程以及midas Civil Designer设计平台及结果查看等操作流程，希望能为读者结合实际项目学习程序，通过程序了解钢箱梁提供帮助。
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2 钢桥概况及构造检查
2.1 钢桥概况
主梁为20+30+40+30m单箱单室正交钢箱梁，钢材为Q345；桥面宽8m，梁高2.335m，翼缘板长1.8m；顶板、腹板、翼缘板均厚16mm，底板标准段厚16mm，支座两侧3~3.5m范围内加厚为24mm；顶板设置闭口U型加劲肋；翼缘板、腹板均设置板型加劲肋；底板标准段设置板型加劲肋，桥墩两侧5~7m范围内设置T型加劲肋；横隔板等设置距离详见图1~图3所示。
建模之前，应按照《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D—2015)[1] （以下简称规范）对钢桥面板、加劲肋、翼缘板及腹板等尺寸进行构造检查。
2.2构造检查
2.2.1钢桥面板
近年来正交异性钢桥面板出现疲劳和桥面铺装损伤的现象较为普遍，为保证钢桥面板具有足够的刚度，需对最小厚度有要求；为减小应力集中和避免采用疲劳等级过低的构造细节，需对纵向闭口加劲肋尺寸进行规定[1]。
表1 钢桥面构造检查
规范8.2钢桥面板规定规范条款规范规定本例结果满足满足满足8.2.1行车道部分的钢桥面板顶板板顶板板厚16mm厚不应小于14mm加劲肋最小板厚不小于8mm纵向加劲肋宜等间距布置加劲肋厚度为8mm、14mm等间距6@600图3中J1尺寸代入公式8.2.3闭口加劲肋尺寸应满足式8.2.3tra3400tf3h'满足183.105 2
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立 面1:100立 面1:100865232145'6'8'6'5'3'32143'5'6'8'6'5'865232145'6'8'6'5'3'32143'5'6'8'6'5'A0A1A2平 面1:100平 面1:100865232145'6'8'6'5'3'32143'5'6'8'6'5'865232145'6'8'6'5'3'32143'5'6'8'6'5'A0A1A2
图2.1-1 钢箱梁构造图（一）
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立 面1:1005'6'8'6'5'4'32144'5'6'8'6'5'5'6'8'6'5'4'32144'5'6'8'6'5'A2A3平 面1:1005'6'8'6'5'4'32144'5'6'8'6'5'5'6'8'6'5'4'32144'5'6'8'6'5'A2A3图2.1-2 钢箱梁构造图（二）
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立 面1:1008'6'5'32145678顶板8'6'5'32145678J1A4A3平 面1:1008'6'5'321456788'6'5'32145678A4A3图2.1-3 钢箱梁构造图（三）
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如上图所示，横隔板间距为2m，满足规范8.2.4的设置要求。
2.2.2 翼缘板
为了防止制作、运输和安装过程中发生失稳和过大的面外变形，翼缘板宽厚比满足8.3.1比值要求时可不设置加劲肋。否则，应按照8.3.2要求规定设置纵向加劲肋。
如图2.1-3横断面尺寸所示，本例腹板间距（4000mm）大于翼缘板厚度（16mm）的80倍，翼缘悬臂宽度（1800mm）大于翼缘板厚度（16mm）的16倍，按照规范设置翼缘板纵向加劲肋，间距为250mm，满足规范中不大于翼缘板厚度40倍的要求。
2.2.3 受压加劲肋
以受压为主的腹板及其加劲肋、支座处加劲肋都应满足规范5.1.5的尺寸要求。图3中加劲肋尺寸均满足规范要求。
板肋宽厚比应满足式5.1.5-1，将hs150mm、ts14mm、fy345代入计算，满足规范要求。
hs345 （5.1.5-1） 12tsfyT形钢加劲肋尺寸应满足式5.1.5-2和5.1.5-3，将bs043mm、ts014mm、hs150mm、ts14mm、fy345代入计算，满足规范要求。
bs0345 （5.1.5-2） 12ts0fyhs345 （5.1.5-3） 30tsfy
闭口劲肋尺寸应满足式5.1.5-5和5.1.5-6，将bs170mm、hs288mm、6
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ts8mm、fy345代入计算，满足规范要求。
bs345 （5.1.5-5） 30tsfyhs345 （5.1.5-6） 40tsfy3 建模步骤
3.1定义材料
特性>材料特性值>材料
图3.1-1 材料定义
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图3.1-2 材料数据
3.2定义截面
特性>截面特性值>钢梁
本例根据底板厚度变化段设置，底板T肋和板肋设置长度，共设置4种截面。
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图3.2-1 截面数据
以截面1为例，如何设置截面。按照界面内辅助示意图，输入钢箱梁顶底板各段宽度，顶底板、腹板厚度等。点击截面加劲肋，进行加劲肋设置。
点击“定义加劲肋”，参照图2.1-3，定义各种加劲肋尺寸，设置加劲肋布置位置及间距。
图3.2-2 截面1截面数据
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图3.2-3 截面1加劲肋截面数据
图3.2-4加劲肋截面数据
截面2箱梁尺寸如下图所示。加劲肋尺寸及设置情况同截面1。
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图3.2-5 截面2截面数据
截面3除底板加劲肋由板肋变为T肋外，其余截面尺寸均同截面1。
图3.2-6 T肋截面数据
截面4钢箱梁尺寸同截面2，加劲肋尺寸同截面3。
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3.3 建立结构模型
定义节点：树形菜单>表格>节点
本例中将支座位置处、截面变化处、设置隔板处均划分单元。打开“主梁节点和支座节点表格.xlsx”，将节点表格数据复制，然后粘贴到模型中的节点表格中，生成空间节点。
图3.3-1 节点位置和数据表格
建立单元：节点/单元>建立单元
连接主梁开始节点（节点1）和结束节点（节点133），全部采用截面1。 截面分配：赋予单元1to5、128to132截面2；赋予单元18to19、28to31、50to53、62to65、92to95、104to105截面3；赋予单元20to27、54to61、96to103截面4。其余单元均为截面1。
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图3.3-2 建立单元
3.4 边界条件设置
3.4.1 边界条件
由于主梁截面的偏心点选择的是中上部，而支座位于主梁的底部，因此需要在主梁的底部建立支座节点，并在支座节点上定义约束条件，并将支座节点与主梁节点通过弹性连接进行连接。支座节点通过对主梁节点复制生成，节点号从134开始。
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图3.4-1 支座节点
建立梁底约束：边界>一般支承
图3.4-2 一般支承定义
建立梁底和梁顶约束：边界>弹性连接
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图3.4-3 弹性连接定义
3.4.2 有效截面宽度
《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D)桥梁设计需要设置有效截面宽度，参见第5.1.7条~第5.1.9条实现。midas Civil有效宽度可采用如下方法实现，其中可查看有效截面宽度：
结构>建模助手>钢梁桥>跨度信息
选择全部单元，点击“添加/替换”，在单元列表中，选择支承位置（有效截面宽度计算用），再点击“添加”。定义好跨度信息后，即可定义有效截面宽度。
结构>建模助手>钢梁桥>有效宽度
点击“显示计算结果…”，显示“上部局稳、下部局稳”、“上部局稳剪力滞、下部剪力滞”、“上部剪力滞、下部局稳剪力滞”3种有效截面宽度。程序自动生成“边界”内容。
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图3.4-4 跨度信息 图3.4-5 有效截面宽度
图3.4-6 显示计算结果
边界>有效宽度
Civil程序有效宽度系数表格中输出了Iy、Z_上部、Z_下部3个变量的修正系数。Civil
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Designer设计平台内部也自动生成三种有效截面特性值，按照规范选用对应的有效截面进行验算。
图3.4-7 边界>有效宽度表格
3.5 静力荷载的定义
钢箱梁横隔板重量、封头处混凝土重量，按节点荷载和梁单元荷载添加在自重荷载工况下。混凝土铺装、护栏添加在二期荷载工况下。钢桥传导性能可以不用设置温度梯度，考虑整体升温、整体降温。
荷载>静力荷载>静力荷载工况
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图3.5-1 荷载工况定义
荷载>静力荷载>自重 荷载>静力荷载>节点荷载 荷载>静力荷载>梁单元荷载 荷载>温度/预应力>系统温度
图3.5-2 自重 图3.5-3 节点荷载 图3.5-4 梁单元荷载 图3.5-5 温度荷载
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3.6 移动荷载
大多数公路桥梁结构，汽车荷载是导致疲劳破坏的主要因素，在钢规5.5节中对车辆荷载作用下的疲劳验算进行了规定[1]。疲劳荷载车辆的本质与汽车荷载相同，均属于移动车辆，其加载方式同汽车荷载。抗疲劳验算可以对钢梁中任意位置，截面中任意点进行疲劳模型I和疲劳模型Ⅱ的验算。疲劳模型Ⅲ需要做正交异性板的细部分析，进行纵横向验算，故应采用midas FEA进行验算。设置车道、车辆等之前，选择中国规范。
荷载>移动荷载>移动荷载规范
图3.6-1 选择移动荷载规范
3.6.1定义车道
图3.6-2 车道对话框
车道定义时单元或节点必须依次排列，否则会出现车辆对开的情况导致移动荷载分析错误的结果。对于桥梁跨度的输入，对于多跨连续梁，输入最大计算跨径，此主要用
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来确定车道荷载中集中力的大小，按最大跨径计算，偏安全考虑；对于纵向折减系数的考虑，可以在车道单元后面的比例系数中定义即可，输入“1”程序自动根据规范折减。
荷载>移动荷载>交通车道线
图3.6-3 车道对话框
3.6.2定义车辆
荷载>移动荷载>车辆
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图3.6-4 车辆对话框
图3.6-5 定义标准车辆荷载
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图3.6-6 定义疲劳荷载
3.6.3定义移动荷载工况
荷载>移动荷载>移动荷载工况
图3.6-7 移动荷载工况对话框
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图3.6-8 定义移动荷载工况
移动荷载分析控制中，公路桥梁常用影响线加载方式，而铁路、轻轨、地铁常用所有点加在方式，加载数量决定移动荷载分析的精度。结果可以选择仅输出最大值和最小值，或输出所有内力结果，以及是否输出应力。计算选项中选择输出指定结构组的分析结果，默认输出所有构件的分析结果。在较大模型分析时，通过此功能可节省计算求解时间和所用空间。冲击系数计算可以选择基频法和其他常用冲击系数计算方法。本例题选基频6.15，是取特征值分析结果中第一阶频率。
分析>分析控制>移动荷载分析
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图3.6-9 移动荷载分析控制数据
3.7 支座沉降
荷载>沉降/Misc>支座沉降组 荷载>沉降/Misc>支座沉降荷载工况
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图3.7-1 定义支座沉降
3.8 定义施工阶段
荷载>施工阶段>定义施工阶段
图3.8-1 定义施工阶段
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图3.8-2 定义施工阶段
4 结合规范和Civil Designer进行设计
Civil程序建模完成后，可执行分析并查看分析结果。结合钢规进行设计需将分析结果导入Civil Designer程序。选择规范，设置设计参数，进行设计并查看结果。
分析>运行分析
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PSC/设计>CDN>创建新项目
图4-1 分析结果导入设计平台
4.1 CDN程序设置
选择钢规，勾选设计选项。 设计>规范>设计规范 设计>规范>设置
图4.1-1设计规范设置
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设计>构件>跨度 设计>构件>有效截面
计算有效截面与抗倾覆验算需要提前设置跨度信息。选择单元后，程序自动识别支承条件计算跨度。进行设计时均采用CDN生成的有效截面宽度及其特性，在工作树“边界>有效截面”表格中给出了3种有效截面特性值。无论用户是否将其添加至边界组，执行设计时程序自动按照规范选用对应的截面进行验算。例如：构件受力为正弯矩时（截面上缘受压、下缘受拉）时，对应“上部局稳剪力滞、下部剪力滞”的有效截面。负弯矩（截面上缘受拉、下缘受压）时，对应“上部剪力滞、下部局稳剪力滞”的有效截面。柱构件轴心受压时，对应“上部局稳、下部局稳”的有效截面。
图4.1-2 跨度信息
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图4.1-3 有效截面特性值
设计>荷载组合>生成
荷载组合可自动生成，类型主要有基本组合、偶然组合、倾覆组合、挠度与预拱度组合、疲劳组合。
图4.1-4 荷载组合
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设计>设计变量>参数
工作树>模型>参数（勾选显示）
构件类型默认实腹式，对称轴自行选择，弯扭屈曲计算长度默认0，代表程序自动计算。欧拉荷载默认值0，代表程序自动计算。验算整体稳定时，等效弯矩系数β值默认1，按最不利赋值，也可自行根据弯矩图形状，依规范表5.3.2-2修改β值，验算时自动调取。根据规范设置疲劳抗力分项系数和损伤等效系数。
图4.1-5 构件参数设置及显示
设计>设计变量>倾覆
工作树>模型>倾覆轴（勾选显示）
点击自动生成，程序自动读取支座边界，自动生成空间倾覆轴线，用户也可添加。根据规范选取正交、斜桥及弯桥移动荷载计算方式。工作树中有倾覆轴线节点，勾选可显示。
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图4.1-6 倾覆设置及倾覆轴
设计>设计变量>疲劳 设置疲劳细节参数。
图4.1-7 疲劳细节设置
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设计>运行设计
图4.1-8 执行设计
4.2 设计结果查看
CDN设计结果显示形式丰富直观，有表格、图形、构件计算书形式。工作树>结果中列出设计结果各验算项及参考规范条款。双击即可显示本验算项表格结果。表格结果中勾选某项设计结果参数，窗口同步显示图形结果，方便查看全桥模型包络图形及数值图形。
图4.2-1 验算结果项
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图4.2-2 表格结果及图形结果
双击表格中某验算位置或模型中构件，弹出此位置处所有验算项对话框，并可查看详细计算书。程序还可自动生成整体计算书，用户也可定制模板。
结果>计算书>构件计算书/整体计算书
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图4.2-3 详细计算书
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图4.2-4 整体计算书
5 结语
本文运用Civil有限元分析功能，和Civil Designer设计平台完成钢箱梁项目中建模分析及验算。对应用到的基本操作步骤、规范适用条款等都做详细说明，可拓展至钢板梁桥分析计算。
6 参考文献
[1] 中华人民共和国行业标准. 公路钢结构桥梁设计规范(JTG D-2015) .北京: 人民
交通出版社股份有限公司. 2015
[2]吴冲，强士中. 现代钢桥. 北京: 人民交通出版社. 2006
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