phần mềm MidasHƯỚNG DẪN PHÂN TÍCH GIAI ĐOẠN HOÀN THIỆN VÀ GIAI ĐOẠN THI CÔNG CẦU TREO DÂY VÕNG Mục lục Contents Trình tự phân tích giai đoạn hòan thiện Procedure for completed state
Trang 1phần mềm Midas
HƯỚNG DẪN PHÂN TÍCH
GIAI ĐOẠN HOÀN THIỆN VÀ GIAI ĐOẠN THI CÔNG CẦU TREO DÂY VÕNG
Mục lục (Contents)
Trình tự phân tích giai đoạn hòan thiện (Procedure for completed state
Mô hình phân tích giai đoạn hoàn thiện (Complete state
Tạo giao diện làm việc (Assign working environment) 5 Khai báo đặc trưng vật liệu (Define material properties) 6 Khai báo đặc trưng mặt cắt (Define section properties) 7 Phân tích trạng thái cân bằng ban đầu (Initial equilibrium state
Chia phần tử trụ tháp và tạo phần tử giằng trụ tháp (Division of pylon elements to create
Khai báo điều kiện biên (Input boundary condition) 17 Khai báo nhóm kết cấu (Define structure groups) 23
Kiểm tra phân tích cầu treo dây võng (Suspension Bridge Analysis
Loại bỏ dữ liệu kiểm tra phân tích phi tuyến và dữ liệu phân tích cầu treo dây võng
(Remove Nonlinear Analysis Control Data & Suspension Bridge Analysis
Loại bỏ và hiệu chỉnh điều kiện giải phóng đầu dầm cho bản mặt cầu
(Remove & modify Beam End Release conditions for deck) 32 Khai báo các trường hợp tải trọng và các loại tải trọng tĩnh
Tiến hành phân tích kết cấu/phân tích giai đoạn hoàn thiện (Perform Structural Analysis /Completed State Analysis) 37 Xem kết quả phân tích của giai đoạn hoàn thiện
(Review Results of the Completed State Analysis) 38
Trang 2phần mềm Midas
Kết qua phân tích tĩnh (Static Analysis Results) 38
Mô hình dùng phân tích giai đoạn thi công
(Modeling for Construction Stage Analysis) 44
Tạo giao diện làm việc (Assign Working Environment) 45 Khai báo tên các giai đoạn thi công (Define Construction Stage
Tạo các nhóm kết cấu (Assign Structure Groups) 47 Tạo các nhóm điều kiện biên (Assign Boundary Groups) 55 Khai báo tải trọng giai đoạn thi công và nhóm tải trọng
(Define Construction Stage Loads and Load Groups) 60 Khai báo các giai đoạn thi công (Define Construction Stages) 61 Khai báo dữ liệu phân tích giai đoạn thi công (Input Construction
Tiến hành phân tích kết cấu/phân tích giai đoạn thi công (Perform Structural Analysis /Construction Stage Analysis) 68
Xem kết quả phân tích giai đoạn thi công
(Review Construction Stage Analysis Results) 69
Xem kết quả biến dạng (Review Deformed Shape) 69
Xem kết quả lực dọc trục (Review axial forces) 74 Xem kết quả biến dạng với hình ảnh động (Review deformed shape
Giáo viên phụ trách: Ts Phùng Mạnh Tiến Trang 2
Trang 3phần mềm Midas
Lời giới thiệu (Introduction)
Về tổng thể, có thể xem cầu treo dây võng thuộc loại kết cấu
có nhịp lớn (Suspension bridges can generally be clasified as long span
structures) Cầu treo dây võng bao gồm bản mặt cầu -dầm chủ,
cáp chủ hay cáp treo chính và dây treo (Suspension bridges
comprise longitudinal deck (main girders) supported by hangers suspended from cables) Kết cấu dầm chủ được treo lên cáp chủ
nhờ hệ dây treo Cáp treo chính được neo tại hai đầu (The cables
are connected to anchors at each end)
Tính toán phân tích kết cấu cầu treo dây võng được tiến hành cho hai giai đoạn: phân tích trạng thái hoàn thiện và phân tích
trạng thái kết cấu trong quá trình thi công (The analysis of a
suspension bridge is divided into completed state analysis and construction stage analysis).
Việc phân tích trạng thái hoàn thiện nhằm mục đích kiểm
tra ứng xử của cầu sau khi hoàn thiện (The completed state
analysis is performed to check the behavior of the completed bridge).
Trong giai đoạn này, kết cấu ở trạng thái cân bằng dưới tác dụng của tải trọng bản thân, biến dạng do tải trọng bản thân
gây ra đã được xem xét đến (At this stage, the structure is in balance
under self-weight, and the deflection due to the self-weight has already occurred) Trạng thái này được xem như trạng thái cân bằng ban
đầu của cầu treo dây võng (This stage is referred to as the initial
equilibrium state of the suspension bridge) Kết quả phân tích giai
đoạn này là tọa độ và lực căng trong cáp chủ (The initial
equilibrium state analysis will provide the coordinates and tension forces
in the cables) Phân tích trạng thái hoàn thiện của cầu treo dây
võng nhằm mục đích kiểm tra ứng xử của kết cấu dưới tác dụng của các tải trọng thứ cấp như hoạt tải, tải trọng động
đất và tải trọng gió (The completed state analysis of the suspension
bridge is performed to check the behavior of the structure under additional loads such as live, seismic and wind loadings) Tổng tải trọng
dùng phân tích giai đoạn hoàn thiện sẽõ bao gồm cả tải trọng
bản thân của kết cấu ở trạng thái cân bằng ban đầu (The self
weight loading in the initial equilibrium state will also be added to the total loading for the completed state analysis).
Trong kết cấu cầu treo dây võng, ứng xử phi tuyến được thể
hiện rất rõ trong suốt quá trình thi công (Suspension bridges
exhibit significant nonlinear behavior during the construction stages).
Nhưng trong trạng thái hoàn chỉnh, kết cấu được xem như tuyến tính dưới tác dụng của tải trọng thứ cấp như hoạt tải xe, tải
trọng gió … (But it can be assumed that the bridge behaves linearly for
Trang 4phần mềm Midas
additional loads (vehicle, wind load, etc.) in the completed state analysis).
Bởi vì trong thực tế, lực căng dưới tác dụng của tải trọng ở trạng thái cân bằng ban đầu đã được truyền vào cáp chủ và
cáp treo (This is due to the fact that sufficient tension forces are induced
into the main cables and hangers under the initial equilibrium state loading). Chính vì vậy cho phép thực hiện phân tích tuyến tính đối với các tải trọng tĩnh thứ cấp tại trạng thái hoàn chỉnh bằng cách biến đổi lực căng trong cáp chủ và dây treo do tải trọng
ở giai đoạn ban đầu gây ra bằng cách tăng thêm độ cứng hình
học của các phần tử (It is thus possible to perform a linearized
analysis for the additional static loads at the completed state by converting the tension forces in the main cables and hangers resulting from the initial equilibrium state loading into increased geometric stiffness
of those components) Quá trình phân tích tuyến tính này nhằm
biến đổi các lực trong mặt cắt thành độ cứng hình học và được
được gọi là phương pháp chuyển vị hữu hạn tuyến tính (This
linearized analytical procedure to convert section forces to geometric
stiffness is referred to as the linearized finite displacement method.).
Quá trình này chấp nhận được vì có thể tìm được lời giải tương đối dễ dàng và kết quả nhận được nằm trong phạm vi sai số
cho phép đối với giai đoạn hoàn chỉnh (This procedure is adopted
because a solution can be found with relative ease within acceptable error limits in the completed state analysis).
Việc phân tích giai đoạn thi công nhằm mục đích kiểm tra ổn
định kết cấu và tính toán nội lực trong quá trình thi công
(Construction stage analysis is performed to check the structural
stability and to calculate section forces during erection) Để thực hiện
phân tích giai đoạn thi công, lý thuyết chuyển vị lớn (lý thuyết phi tuyến hình học) được áp dụng trong đó các phương trình cân bằng được biến đổi tương ứng với hình dạng biến dạng của kết
cấu (In carrying out the construction stage analysis, large displacement theory (geometric nonlinear theory) is applied in which equilibrium equations are formulated to represent the deformed shape) Aûnh hưởng
do các chuyển vị lớn không thể được bỏ qua trong suốt quá
trình thi công (The effect of large displacements cannot be ignored
during the construction stage analysis) Việc phân tích giai đoạn thi
công được tiến hành ngược từ giai đoạn cân bằng như đã được
định nghĩa bởi việc phân tích trạng thái cân bằng ban đầu (The
construction stage analysis is performed in a backward sequence from the state of equilibrium as defined by the initial equilibrium state analysis)
Phần hướng dẫn này được chuẩn bị để giải thích việc lập mô hình tổng thể và khả năng phân tích kết quả cho giai đoạn
hoàn thiện và giai đoạn thi công cầu treo dây võng (This tutorial
has been prepared to explain overall modeling and result analyzing Giáo viên phụ trách: Ts Phùng Mạnh Tiến Trang 4
Trang 5phần mềm Midas
capabilities for the completed state and construction stage analyses for a suspension bridge).
Trình tự phân tích cho giai đoạn hoàn thiện
(Procedure for completed state analysis)
Dùng Suspension Bridge Wizard để phân tích trạng thái cân bằng ban đầu,
tính các tọa độ của cáp lần thứ nhất
(Initial equilibrium state analysis using Suspension Bridge Wizard,
Calculation of 1st cable coordinates)
Hiệu chỉnh mô hình và điều kiện biên phản ánh kết cấu thực tế
(Modify the model & boundary conditions to reflect the true structure)
Phân tích hình dáng chính xác bằng công cụ Suspension Bridge Analysis Control
Accurate shape analysis (use Suspension Bridge Analysis Control)
Loại trừ dữ liệu kiểm tra phân tích kết cấu
Eliminate Suspension Bridge Analysis Control Data
Đặt tải lên kết cấu hoàn chỉnh (kết cấu với các lực trong phần tử ở trạng thái ban đầu đã được chuyển đổi thành độ cứng hình học) ,áp dụng lý thuyết chuyển vị hữu hạn tuyến tính.
Apply loadings to the completed structure for which initial member forces have been
reflected into the geometric stiffness: Linearized finite displacement
theory applied
Bố trí chung cầu (Bridge Dimensions)
Ví dụ: mô hình cầu treo dây võng có tổng chiều dài 650m như
trình bày trên hình 1 (The example model is a suspension bridge having
a total length of 650m as shown in Fig 1).
Trang 6phần mềm Midas
Kích thước chi tiết của cầu được thể hiện ở hình 2 (Detailed
bridge dimensions are shown in Fig 2)
Lập mô hình phân tích trạng thái hoàn thiện
Giáo viên phụ trách: Ts Phùng Mạnh Tiến Trang 6
Hình 1: Mô hình phân tích
Hình 2: Kích thước cơ bản của cầu treo dây võng
Trang 7phần mềm Midas
(Completed State Analysis Modeling)
Mô hình hoá kết cấu (Structural Modeling)
Trong hướng dẫn này, các bước lập mô hình cầu treo dây võng
như sau: (In this tutorial, the suspension bridge modeling sequence is as
follows) Đầu tiên, tạo mô hình cho phân tích giai đoạn hoàn
thiện, thực hiện phân tích giai đoạn hoàn thiện, sau đó tạo mô
hình phân tích giai đoạn thi công dưới một tên khác (First, create
the model for the completed state analysis, perform completed state analysis, and then create the construction stage analysis model under a different name)
Trình tự mô hình hóa kết cấu cầu treo dây võng cho phân tích giai đoạn hoàn thiện gồm các bước như sau (The suspension bridge modeling procedure for the completed state analysis is as follows):
Bước 1 Khai báo đặc trưng vật liệu và mặt cắt (Define
material and section properties)
Bước 2 Phân tích trạng thái cân bằng ban đầu nhờ công
cụ Suspension Bridge Wizard (Analyze initial equilibrium state using
Suspension Bridge Wizard)
Bước 3 Thiết lập mô hình và nhập điều kiện biên (Create
a model and enter boundary conditions)
- Chia phân tử trụ tháp để tạo giằng ngang trụ tháp
(Divide pylon members to generate pylon transverse beams)
- Tạo và xoá bỏ giằng ngang trụ (Create & remove pylon
transverse beams)
- Khai báo điều kiện biên (Enter boundary conditions)
Bước 4 Phân tích chính xác trạng thái cân bằng ban đầu (Accurate initial equilibrium state analysis)
- Định nghĩa nhóm kết cấu (Define structure groups)
- Nhập tải trọng bản thân (Enter self weight)
- Tiến hành phân tích (Perform analysis)
Bước 5 Nhập các tải trọng tĩnh và hiệu chỉnh điều kiện
biên (Input static loads & modify boundary conditions)
Bước 6 Tiến hành phân tích trạng thái hoàn chỉnh (Perform
completed state analysis)
Tạo giao diện làm việc (Assign Working
Environment )
Để tạo giao diện làm việc bạn thực hiện các bước dưới đây:
Bước 1 Mở tập tin mới (Open a new file) theo một trong ba
phương pháp như sau:
Cách 1: Từ Main Menu chọn File > New Project
(From the Main Menu select File > New Project)
Trang 8phần mềm Midas
Cách 2: Nhấp chuột vào biểu tượng (Click New in
the Icon Menu).
Cách 3: Dùng lệnh tắt [Ctrl]+N (Shortcut key: [Ctrl]+N)
Bước 2 Lưu lại tập tin với tên “Suspension Bridge.mcb” (save file
as “Suspension Bridge mcb”) theo một trong ba phương pháp như
sau:
Cách 1: Từ Main Menu chọn File > Save
(From the Main Menu select File > Save)
Cách 2: Nhấp chuột vào biểu tượng (Click Save in
the Icon Menu).
Cách 3: Dùng lệnh tắt [Ctrl]+S (Shortcut key: [Ctrl]+S)
Sau khi thực hiện trên
màn hình sẽ hiện thị giao
diện như hình 3, nhập tên
cho tập tin “Suspension
Bridge” tại hộp thoại File
Name, sau đó nhấn nút
lệnh Save
Bước 3: khai báo hệ đơn vị (assign a unit system) theo một trong
các cách nêu dưới đây:
Cách 1: Từ Main Menu chọn Tools / Unit System
(From the Main Menu select Tool > Unit System)
Cách 2: Nhấp chuột vào biểu
tượng trên dòng trạng
thái bên dưới màn hình (Click
icon from the status bar at
the bottom of the screen).
Giáo viên phụ trách: Ts Phùng Mạnh Tiến Trang 8
Hình 3
Hình 4
Trang 9phần mềm Midas
Sau khi thực hiện trên màn hình sẽ hiện thị giao diện như hình 4, dùng chuột chọn hệ đơn vị cho mô hình Chọn đơn vị mét cho chiều dài và đơn vị T cho lực bằng cách nhấp chuột chọn
Length>m và Force>tonf Sau đó nhận nút lệnh OK hay Apply
Khai báo đặc trưng vật liệu (Define Material
Properties)
Nhập các đặc trưng cơ lý của vật liệu cho cáp chủ (Input
material properties for cable) theo một trong các thủ thuật sau:
Cách 1: Từ Main Menu chọn Model > Properties >
Material
(From the Main Menu select Model > Properties >
Material )
Cách 2: Nhấp chuột vào biểu tượng (Click Material
in the Icon Menu)
Cách 3: Chọn Geometry > Properties > Material từ Menu tab của Tree Menu
(Select Geometry > Properties > Material in the Menu tab of the Tree Menu).
Sau khi thực hiện trên màn hình sẽ hiện thị giao diện như
hình 5, dùng chuột chọn nút lệnh “Add” để xuất hiện giao diện như hình 6 Tại dòng Name, nhập tên cho vật liệu của cáp chủ là Cable Chọn User Defined tại dòng Type of Design Nhập các giá
trị cho mô đuyn đàn hồi của vật liệu là 2.0x107 tại dòng
Modulus of Elasticity, nhập hệ số nở hông là 0.3 tại dòng Poission’s Ratio, nhập khối lượng riêng với giá trị 8.267 tại dòng Weight Density Sau đó nhận nút lệnh “Apply” và lập lại các
bước nêu trên để khai báo cho vật liệu mới Khi kết thúc khai
báo vật liệu nhấn nút lệnh Close trên hình 5 Nếu muốn hiệu
chỉnh, xóa, copy các tính chất của vật liệu hãy nhấp chuột
Trang 10phần mềm Midas
chọn loại vật liệu cần hiệu chỉnh, xóa hay copy sau đó nhấn
chọn nút lệnh Modify, Delete hay Copy tương ứng.
Lập lại các bước nêu
trên để nhập đặc trưng của
vật liệu cho cáp treo, dầm
chủ và trụ tháp (Repeat above
procedure to Input material
properties for cable, hanger, deck
(main girder) and pylon) Ví dụ
đặc trưng vật liệu cho cáp treo, dầm chủ và trụ tháp có giá trị nêu trong bảng dưới đây:
Loại vật
liệu Cáp chủ Cáp treo Dầm chủ Trụ tháp
Mô đuyn đàn
7 1.4 x 107 2.1 x 107 2.1 x 107
Trọng lượng
Ghi chú: Trọng lượng riêng của dầm chủ có thể nhập trực tiếp
dưới dạng tải trọng tác dụng vào nút (vị trí cáp treo) do đó khi
Giáo viên phụ trách: Ts Phùng Mạnh Tiến Trang 10
Hình 5
Hình 6