“Advanced Nonlinear and Detail Analysis System”

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1 “Advanced Nonlinear and Detail Analysis System”

2 Ansys, Fluent, LS Dyna, Abaqus, Nastran…
FEA开发背景 桥有裂缝了还能不能用，若要加固需要怎样加固？ 高端 仿真 三维杆系 平面杆系 标准图 宽桥、异型桥、锚固端等复杂结构的受力状态 交通量越来越大、超载很难控制，钢桥的疲劳寿命和损伤度或混凝土桥的极限承载能力？ 为了投标，我需要尽快确定合理断面，没预算外委高校分析，确定前没有必要做风洞分析 Ansys, Fluent, LS Dyna, Abaqus, Nastran… 2

3 目录 1 主要分析功能 2 各分析功能的必要性、案例分析 3 部分工程实际介绍 北京迈达斯技术有限公司

4 十二大分析功能 静力分析(包括详细分析、施工阶段分析) 特征值分析（自振周期、线性屈曲) 动力分析（反应谱分析、时程分析）
材料非线性/几何非线性分析(非线性屈曲分析) 界面单元 钢筋单元 裂缝模型 接触分析 疲劳分析 热传递分析(火灾分析等) 水化热分析 CFD分析 北京迈达斯技术有限公司

5 1. 详细分析 详细分析的必要性及案例 锚固区域的设计 受力复杂区域的设计 弯桥的翘曲应力计算 多支座反力的准确计算 横向分析 全桥仿真
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6 1. 详细分析 – 详细分析的必要性、案例 1. 锚固区域的设计 <悬索桥索锚固块验算> 北京迈达斯技术有限公司

7 1. 详细分析 – 详细分析的必要性、案例 1. 锚固区域的设计 矮塔斜拉桥主塔索鞍部位详细分析 北京迈达斯技术有限公司

8 1. 详细分析 – 详细分析的必要性、案例 1. 锚固区域的设计 正面图 侧面图 钢束锚固区配筋计算 北京迈达斯技术有限公司

9 1. 详细分析 – 详细分析的必要性、案例 2. 受力复杂区域的验算 钢桥盖梁与主梁连接部位 北京迈达斯技术有限公司

10 1. 详细分析 – 详细分析的必要性、案例 3. 弯桥的翘曲应力验算 钢弯桥的板单元模型 北京迈达斯技术有限公司 区分 应力 / 上翼缘
开始端 -33.70 -33.10 -33.40 -0.30 0.91% 结束端 -32.38 -32.09 -32.24 -0.15 0.46% 下翼缘 200.84 162.54 181.69 19.15 10.54% 197.63 155.78 176.70 20.92 11.84% 钢弯桥的板单元模型 北京迈达斯技术有限公司

11 1. 详细分析 – 详细分析的必要性、案例 4. 多支座反力的准确计算 满堂支架桥梁的详细分析 北京迈达斯技术有限公司 实体单元模型的支座
梁单元模型的支座 满堂支架桥梁的详细分析 北京迈达斯技术有限公司

12 1. 详细分析 – 详细分析的必要性、案例 5. 预应力箱梁的横向分析 预应力桥梁的横向分析以板单元分析为原则(韩国公路桥梁设计标准)
以往的横向计算使用活荷载分布宽度的概念，设计偏于保守，在活荷载作用下需要用板单元进行分析 利用Civil 2006可以方便地建立杆系模型后在FEA中可以自动生成板单元或实体单元模型。 北京迈达斯技术有限公司

13 1. 详细分析 – 详细分析的必要性、案例 6. 全桥仿真分析 矮塔斜拉桥的全桥仿真模型 内外侧支座反力比率 <桥墩应力云图>
桥台外侧 桥台内侧 主塔外侧 主塔内侧 桥台支座 主塔支座 外侧(%) 内侧(%) 29.3 70.7 矮塔斜拉桥的全桥仿真模型 内外侧支座反力比率 <桥墩应力云图> 内外侧腹板承担的剪力比率 <法向应力云图> <钢束应力云图> 北京迈达斯技术有限公司

14 2. 特征值分析(自振周期、线性屈曲) 采用实体单元、板单元做特征值分析的必要性： 可计算钢箱梁、钢桁桥的局部失稳 可查看详细的扭转模态
振型分析 兰佐斯法 子空间迭代法 Mode 1 Mode 2 矮塔斜拉桥(1/2模型) Mode 8 Mode 9 线性屈曲分析 临界屈曲模态 屈曲模态 荷载组合 钢箱梁桥横隔梁 (1/2模型) 北京迈达斯技术有限公司

15 3. 时程分析(反应谱分析、时程分析) 可以计算整体式桥梁抗震时的整体联动效果
用节点动力荷载模拟车辆的移动可以直接确认应变历程结果(与检测内容直接比较) 整体式桥梁纵向地震响应 整体式桥梁横向地震响应 北京迈达斯技术有限公司

16 4. 材料非线性/几何非线性分析 材料非线性/几何非线性分析的必要性及案例 桥梁的极限承载能力 判断应力集中区域是否屈服 特雷斯卡
范.梅塞斯 莫尔-库伦 朗肯 德鲁克-普拉格 北京迈达斯技术有限公司

17 4. 材料非线性/几何非线性分析  工程实例-双梁桥的冗余度分析 <各荷载步范.梅塞斯应力>
范.梅塞斯模型 Load Step 1 (0.4) Load Step 6 (0.75) Load Step 16 (1.0) <各荷载步范.梅塞斯应力> <各荷载步最大位移曲线> 北京迈达斯技术有限公司

18 4. 材料非线性/几何非线性分析 拱桥吊杆与吊环连接位置 钢束锚固区域材料非线性 地下结构同时考虑材料非线性和几何非线性
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19 5. 界面单元 界面单元类型 使用界面单元的必要性及案例 刚性、离散裂缝、膨胀裂缝、粘结滑移、库伦摩擦、组合(裂缝-剪切-压溃)
计算钢混叠合梁的剪力钉数量 模拟混凝土的离散裂缝(弯曲裂缝)、膨胀裂缝(剪切裂缝) 计算钢筋和混凝土之间的粘结滑移 计算钢板加固方案中钢板与混凝土的粘接特性 模拟混凝土与混凝土之间冷缝 模拟桩土之间的摩擦、大坝和地基之间的摩擦 北京迈达斯技术有限公司

20 5. 界面单元 钢混组合梁 钢材 界面 混凝土 位移结果 北京迈达斯技术有限公司

21 5. 界面单元 混凝土块 界面 钢筋 界面单元应力 实体单元应力 北京迈达斯技术有限公司

22 6. 钢筋单元 FEA中钢筋单元的类型 按形状分：点、钢筋线、钢筋网 按阶次分：一阶直线、二阶曲线 按类型分：普通钢筋、预应力钢筋
适用的单元：所有单元 北京迈达斯技术有限公司

23 6. 钢筋单元 桁架＋混凝土单元：完全耦合无相对位移 桁架+界面+混凝土单元：完全耦合有相对位移
钢筋单元+母单元：不必耦合由实体节点应变映射到钢筋单元节点上，可考虑摩擦损失、钢筋回缩损失、弹性变形损失、收缩和徐变损失。 桁架 + 界面单元 (协调) 棱柱网格 嵌入式钢筋 (非协调) 北京迈达斯技术有限公司

24 6. 钢筋单元 预应力钢筋混凝土连续梁(双T梁) 变形 预应力钢筋应力 混凝土主应力 北京迈达斯技术有限公司

25 6. 钢筋单元 满堂支架桥梁施工阶段模拟 预应力箱梁桥中的预应力钢筋 预应力钢筋应力 北京迈达斯技术有限公司

26 7. 裂缝分析(Crack Analysis) FEA中的裂缝模型(总应变裂缝模型)
TSC(Total Strain Crack)裂缝模型：弥散型 TSC模型的优点：能反映受压时的横向裂缝 受压约束状态下的强度的变化 北京迈达斯技术有限公司

27 7. 裂缝分析(Crack Analysis) TSC模型的应用 钢筋混凝土结构的裂缝分析(极限承载力计算) 结构的详细分析
钢束锚固区在使用状态下的安全性验算 模拟螺旋筋和箍筋的约束作用下或钢管等约束作用下混凝土强度的提高 北京迈达斯技术有限公司

28 7. 裂缝分析(Crack Analysis)  工程实例-预应力箱梁极限承载力评价 <裂缝状态> <主应力>
<建模> <横向预应力钢筋张力> 荷载步3 (0.35) 荷载步4 (0.5) 荷载步6 (0.7625) <各荷载步裂缝状态> 北京迈达斯技术有限公司

29 Crack Pattern (Disc Plot)
7. 裂缝分析(Crack Analysis)  工程实例-T梁裂缝分析 Symbols at Gauss Points Disc Normal: Opening Direction Disc Color : Magnitude Line : Shearing Direction Composite PSC Beam Crack Pattern (Disc Plot) 北京迈达斯技术有限公司

30 8. 接触/碰撞分析 接触分类及分析的必要性 静接触：螺栓连接、铆钉连接、拱桥的索吊杆连接等 必要性：应力集中造成材料屈服破坏
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31 8. 接触/碰撞分析  工程实例-吊环和销连接部接触分析 位移 范.梅塞斯 接触内力 吊环(90t) 双层板(85t) 销(224)
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32 9. 疲劳分析 关于疲劳 疲劳: 在低于构件屈服强度的荷载反复作用下构件发生破坏的现象
疲劳破坏的过程：裂纹形成->裂纹扩展->裂纹失稳 疲劳分析的方法：应力寿命法、应变寿命法等 应力寿命法的优点：计算简单和分析速度快 应力寿命法只能考虑弹性，桥梁一般都是弹性状态的疲劳破坏，且属于高周疲劳破坏。 安全使用寿命设计法、Miner损伤累积法 北京迈达斯技术有限公司

33 9. 疲劳分析 关于疲劳案例 1978 ~ 1981年美国对其20个州和加拿大安大略省的钢桥进行调查，81%的桥梁有疲劳裂纹出现。
从桥梁建成通车到出现疲劳裂纹，最长的33年，最短的5年，大多数是10多年时间

34 9. 疲劳分析 关于疲劳案例 1967年12月15日美国普莱森特角悬索桥因一个吊杆断裂在60秒内倒塌。46人丧生、37辆车掉入河中。
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35 9. 疲劳分析 关于疲劳案例 1994年10月21日韩国圣水大桥因为下部钢桁架螺栓和杆件发生疲劳垮塌，长48米的桥面落入江中，致使32人死亡，17人受伤。 北京迈达斯技术有限公司

36 9. 疲劳分析  工程实例-钢桥的疲劳分析 生命周期 钢箱梁桥-肋板式 损伤度 损伤度 钢箱梁与钢帽梁结合位置 生命周期
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37 10. 热传递/热应力分析 热传递分析的必要性 钢梁浇注沥青时的对钢梁的影响 地铁、隧道的火灾分析 北京迈达斯技术有限公司

38 10. 热传递/热应力分析  工程实例-铺设高温沥青时的热应力分析
浇注式沥青铺装施工时，发生过因为竖向位移导致在伸缩缝位置支座被上拉的问题 通过热应力分析可以确定浇注式沥青的合理的铺设方案 北京迈达斯技术有限公司

39 10. 热传递/热应力分析 浇注式沥青铺装 顶板温度分布 热应力云图 顶板温度分布 顶板应力分布 北京迈达斯技术有限公司

40 计算耐火时间内的 承载能力Mnθ ∙(+)Mnθ ≥ (+)Mmax(使用荷载)
10. 热传递/热应力分析  工程实例-地铁火灾时的耐火性能分析 通过热传导分析获得温度的分布，考虑温度对材料特性的影响，确认温度应力的分布。 确认火灾时混凝土的损伤厚度，验算火灾时钢筋混凝土结构结构的安全性。 截面设计 按照规范要求进行截面设计 热传递分析 计算规定耐火时间内的热应力和温度分布 [发生火灾1小时后温度沿板厚的分布] -60 -40 -20 20 40 60 5 10 15 25 30 35 45 50 时间(小时) 最大拉应力 最小压应力 计算强度减少程度 计算温度作用下的强度(fckθ, fyθ) 温度(℃) 20 70 300 600 850 弹模 (×104 MPa) 2.5 1.25 0.9 0.6 重新验算截面 计算耐火时间内的 承载能力Mnθ ∙(+)Mnθ ≥ (+)Mmax(使用荷载) [加腋处应力变化] 北京迈达斯技术有限公司

41 考虑灾难荷载作用的结构设计 北京迈达斯技术有限公司

42 11. 水化热分析 考虑水化热的对流、传导的热传递分析和考虑收缩徐变的热应力分析
参数化分析: 在同一模型中可以使用不同参数对多组参数进行分析 可以使用高阶单元进行精密分析(输出结果: 节点温度、节点位移、单元应力/应变、裂缝指数) 粘弹性模型 徐变-收缩(设计规范) 随温度变化的材料特性 参数化分析 多个材料参数组 多个边界和热源函数 不同施工顺序 热传导分析 稳态和瞬态 传导、对流、辐射 管冷 北京迈达斯技术有限公司

43 11. 水化热分析  工程实例-桥墩参数化水化热分析 裂缝指数=抗拉强度/温度应力 序列号 工况 施工阶段 发热函数 对流系数 1
Control group 分4段浇筑 普通硅酸盐水泥 钢材模板 2 Stage 分9段浇筑 3 Heat 低热硅酸盐水泥 4 Convection 卷材 case4 case3 case2 <热源> 裂缝指数=抗拉强度/温度应力 case1 Case 裂缝指数 节点号码 时间 Control gr 0.2627 4023 150 hr Stage 0.1218 11457 490 hr Heat 0.8096 8108 320 hr Convection 0.2796 12770 290 hr <几何模型> -1/4 模型 北京迈达斯技术有限公司

44 12. CFD分析(Computational Fluid Dynamic Analysis)
 工程实例-旧塔科马大桥 设计风速50m/s，在中等风速19m/s时破坏 破坏原因：卡门涡街以及桥梁刚度不够和结构不合理等综合因素才造成了大桥倒塌 北京迈达斯技术有限公司

45 12. CFD分析(Computational Fluid Dynamic Analysis)
 工程实例-东京湾跨海大桥 设计了TMD(调频质量阻尼器，tuned mass damper)来控制此桥第1和第2阶竖向振动 大桥建成后遇到大风，第一阶模态振动的最大振幅超过50cm 由涡流引起的第一阶竖向振动的现场测试与风洞实验室结果相一致。 北京迈达斯技术有限公司

46 12. CFD分析(Computational Fluid Dynamic Analysis)
确定合理的桥梁截面 确定风荷载的大小(三分力系数) 做抗风稳定性验算 掌握桥梁周边的流体流动特性 可视化的流场显示 节省费用(相对于风洞试验) 北京迈达斯技术有限公司

47 12. CFD分析(Computational Fluid Dynamic Analysis)
加载静风荷载 北京迈达斯技术有限公司

48 12. CFD分析(Computational Fluid Dynamic Analysis)
分析桥梁周边的气流状态，计算桥梁的耐风稳定性。 常态/非常态分析、层流/湍流分析 输出气动力系数(三分力系数)和压力分布、湍流动能分布 CFD 模型 湍流模型 (RANS k-、其它) 不可压缩流 (浮升效果: =(T)) 无粘性流动 非定常流动 离散化方法 二阶(空间、时间) 桥梁截面周边网格 边界条件 压力 速度 壁面、其它 流速分布 截面近端湍流 北京迈达斯技术有限公司

49 小结－应用领域 分析功能 应用领域 优势 线性细部分析 钢筋单元 锚固区域的设计 受力复杂区域的设计 弯桥的翘曲应力计算
多支座反力的准确计算 横向分析 全桥仿真 宽桥、扩幅桥、异型桥 导入Civil杆系模型生成实体、板模型 （钢束、变截面、弯桥） 便利的前后处理 钢筋单元不必手动耦合，且可考虑预应力损失、收缩、徐变 板单元变截面 高阶实体单元 局部方向内力的合力 材料非线性 几何非线性 界面非线性 裂缝分析 桥梁的极限承载力 安全度分析 非线性屈曲分析 钢混叠合梁的剪力钉 钢筋和混凝土的滑移 钢管混凝土的套箍作用 裂缝位置与发展 针对性本构 高效的迭代方法 多种非线性的同时考虑 便利的界面单元定义方法 受压时的横向裂缝模拟 受压约束时的强度变化 MIDAS Information Technology Co., Ltd.

50 小结－应用领域 分析功能 应用领域 优势 接触分析 钢梁的螺栓、铆钉连接 拱桥吊杆与销拴的接触 主缆与鞍座的接触 船桥、车桥碰撞(09年)
便利的使用功能 直观的后处理结果 针对土木结构的相关应用资料 船头的建模助手 热传递分析 热应力分析 水化热分析 高温沥青浇注分析 地铁火灾分析 大体积混凝土裂缝分析 针对土木结构的功能开发 详尽的技术资料 便利的水化热模拟以及参数分析功能 疲劳分析 钢桥的疲劳 功能便利 可结合规范进行验算 CFD分析 （数值风洞） 桥梁断面快速优化 计算三分力系数 桥梁抗风稳定性 操作简单、提供湍流模型 提供三分力系数 提供FFT结果 后处理直观 MIDAS Information Technology Co., Ltd.

51 小结－应用领域 FEA vs 其他通用的有限元程序 针对土木领域开发（预应力、收缩徐变、施工阶段、设计等功能等）
针对设计人员开发（中文、易学、土木工程适用资料、高效、实用） 反映设计人员需求的针对性的后期升级 便利的前后处理功能（几何体建模、网格划分、丰富的显示功能） 专业的技术支持 多种分析功能集一身 良好的性价比 MIDAS Information Technology Co., Ltd.

52 土木专用仿真分析软件