midas拱桥专题
midas Civil 培训例题集拱桥专题
目录
一.拱桥概述 ................................................................................................................................................................................................. - 1 -
1.1 按照静力图式拱桥分类 ....................................................................................................................................................................... - 1 -
1.2 按照桥面所处空间位置拱桥分类......................................................................................................................................................... - 1 -
1.3 主拱圈的截面形式分类 ....................................................................................................................................................................... - 2 -
二.midas Civil中的吊杆拱桥分析功能 .......................................................................................................................................................... - 2 -
2.1 拉索单元模拟...................................................................................................................................................................................... - 2 -
2.2 未知荷载系数法功能........................................................................................................................................................................... - 3 -
2.3 索力调整功能...................................................................................................................................................................................... - 4 -
三.拱桥实例分析.......................................................................................................................................................................................... - 5 -
3.1 系杆拱桥模型概况............................................................................................................................................................................... - 5 -
3.2 系杆拱桥成桥分析............................................................................................................................................................................... - 5 -
3.3 系杆拱桥施工阶段仿真模拟.............................................................................................................................................................. - 11 -
3.4 拱桥的稳定分析 ................................................................................................................................................................................ - 14 -
3.5 混凝土拱桥模型模拟与设计关键点................................................................................................................................................... - 14 -
一. 拱桥概述
拱桥（archbridge ）指的是在竖直平面内以拱作为上部结构主要承重构件的桥梁。与其它桥梁一样，拱桥也是由桥跨结构（上部结构）及下部结构两大部分组成。
图1.1表示拱桥各主要组成部分名称。拱桥的上部结构包括拱圈（主要承重结构）和拱上建筑（桥面系、传力构件或填充物）。拱桥的下部结构包括墩台、基础、拱铰；拱圈的上曲面称为拱背，下曲面称为拱腹。
图1.1 拱桥组成示意图
1.1 按照静力图式拱桥分类
（1）简单体系拱桥
按静力体系它可以分为：三铰拱、双铰拱、无铰拱，如图1.2所示；
图1.2 按静力体系拱桥的分类
? 三铰拱
三铰拱是静定结构，其基本特点是在竖向荷载作用下，除产生竖向反力外，还产生水平推力。推力对拱的内力产生重要的影响，由于水平推力的存在，故三铰拱各截面上的弯矩值，小于与三铰拱相同跨度、相同荷载作用下的简支梁各对应截面上的弯矩值。因此，拱与相应简支梁比较，它的优点是用料比梁节省而自重较轻，故能跨越较大的空间。此外，由于拱主要承受轴向压力，故建造时可以充分利用抗拉性能弱而抗压性能强的材料，如砖、石、混凝土等。但是，工程设计中很少采用三铰拱，三铰拱只有在地质条件不良和跨径不大的情况下或在腹拱上才采用。目前大跨径拱桥一般不采用这种体系，其原因有三：
a 、由于铰的存在，使其构造复杂，施工困难，维护费用高；同时由于推力的存在，拱需要有较为坚固的基础或支承结构（如墙、柱、墩、台等）。
b 、由于铰的存在，降低了其抗震能力；
c 、拱的挠度曲线在顶铰处有转折，致使拱顶铰处的桥面下沉，当车辆通过时，会发生较大的冲击，对行车不利。
? 双铰拱
当拱桥的两个拱脚皆设为铰支座时称为两铰拱桥，该桥属一次超静定结构。由于取消了拱顶铰，使结构整体刚度较三铰拱大。由于铰的存在，较之无铰拱可以减小基础位移，温度变化，混凝土收缩和徐变等引起的附加应力。在墩台基础可能发生位移的情况下使用。 ? 无铰拱
无铰拱是钢筋混凝土斜拉杆式架拱桥结构的一部分，拱圈两端固结于桥台（墩），结构最为刚劲，变形小，比有铰拱经济；但桥台位移、温度变化或混凝土收缩等因素对拱的受力会产生不利影响，因而修建无铰拱桥要求有坚实的地基基础。
（2）组合体系拱桥
是将行车系结构与主拱按不同的构造方式构成一个整体，以共同承受荷载。根据不同的组合方式和受力特点，又分为无推力的和有推力的。
对于有推力拱桥，拱的推力由系杆承受，墩台不受水平推力。这种结构使用较为广泛，具体如图1.3（a ）所示。
对于无推力拱桥，这种组合体系拱没有系杆，有单独的梁和拱共同受力，拱的水平推力由墩台承受，具体如图1.3（b ）所示。
a ）无推力组合体系拱桥
b ）有推力组合体系拱桥 图1.3 按组合体系拱桥的分类
1.2 按照桥面所处空间位置拱桥分类
按照桥面所处的空间位置，拱桥可分为上承式、中承式和下承式拱桥。具体如图1.4所示。
一般情况下，拱桥多设计成上承式，原因是桥面可最大程度地保护主体结构免遭阳光和雨水侵蚀；但有时为了降低桥面高度，缩短引桥长度，又要照顾桥下通航净空高度的要求而采用中承式或下承式；另外，中、下承式拱桥还能达到增加城市景观的效果。
图1.4 按桥面空间位置的分类（上承式、中承式、下承式）
1.3 主拱圈的截面形式分类
拱桥主拱圈的截面形式很多，但主要的有以下四种类型： ? 板式截面
其为实体矩形截面，构造简单，但抗弯刚度较小，且需采用有支架施工。如图1.5所示；
图1.5 板式截面示意图
? 拱肋式截面
肋拱式截面因截面高度增大而提高了截面的抵抗矩。另一方面，它需要沿桥轴线方向每隔一定间距增设一道横系梁，以提高结构受力的整体性和横向稳定性，因此在施工上较板式截面的拱桥复杂，拱肋截面有矩形、工字形、箱形等多种形式，具体如图1.6所示。
图1.6 拱肋式截面示意图
? 双曲拱截面
双曲拱是由拱肋、拱波、拱板和横向联系等几部分组成，其最大特点是将主拱圈以“化整为零”的方法先行预制，再按先后顺序进行吊装施工，然后“集零为整”组合成整体结构承重。它避免了在深水河流中搭设支架和中断航道进行施工的困难，但施工程序较复杂，结构的整体性稍差。具体截面
如图1.7所示。
图1.7 双曲拱截面示意图
? 箱型截面
箱型截面与板拱、双曲拱截面相比，在相同的截面下，抵抗矩更大，且抗扭刚度大，因而截面经济，横向整体性强，稳定性好。但是箱形拱的制作要求高，施工时需要具有较大吊装能力的设备。截面如图1.8所示。
图1.8 箱型截面示意图
二. midas Civil 中的吊杆拱桥分析功能
吊杆拱桥的设计过程与一般梁式桥的设计过程有所不同。对于梁式桥梁结构，如果结构尺寸、材料、二期恒载都确定之后，结构的恒载内力也随之基本确定，无法进行较大的调整。但对于吊杆拱桥，由于其成桥线形和内力状态可以通过吊杆拉力的调整得到，因此吊杆拱桥的设计首先是确定其合理的成桥状态，即合理的线形和内力状态，其中起主要调整作用的就是吊杆的张拉力。
midas Civil 程序针对吊杆拱桥的张拉力确定、施工阶段分析等提供了多种解决方案，例如利用未知荷载系数法进行成桥状态分析，同时结合调索功能进行拱桥成桥状态调索；利用考虑施工阶段的未知荷载系数法进行施工阶段分析等等，下面就各分析功能作详细地说明。
2.1 拉索单元模拟
不同结构中索单元的使用：
悬索桥的主缆和吊杆：建议使用考虑大变形的悬索单元；
大跨斜拉桥的斜拉索：对于近千米或者超过千米的斜拉桥建议使用考虑大变形的
索单元；
中小跨斜拉桥的斜拉索：建议使用考虑恩斯特公式修正的等效桁架单元；
拱桥的吊杆：建议使用桁架单元或只受拉桁架单元；
系杆拱桥的系杆：建议使用桁架单元；
体内预应力或体外预应力的钢索（钢束）：与索单元无关，使用预应力荷载功能
按荷载来模拟即可。
进行细部分析时，对于预应力钢束可以按桁架单元来模拟；
2.2 未知荷载系数法功能
复制和粘贴
考虑施工阶段的未知荷载系数法：
还可考虑施工阶段，计算未知荷载系数。利用此功能可直接计算出，施工过程中每根拉索的拉索控制力。
2.3 索力调整功能
设计人员指定的
范围（红线）
随拉索张力变换
的效果（蓝线）
在影响矩阵中确认对单元影响最大的张
力后，使用搜索功能，确定最优索力；
三. 拱桥实例分析
3.1 系杆拱桥模型概况
3.2 系杆拱桥成桥分析
米跨径的系杆拱桥，桥梁外部为简支结构体系，桥梁内部为超静定结构体系。
定义荷载工况及荷载组合
为了用优化技术计算未知荷载系数，需要首先对与未知荷载系数有关的荷载工况进行荷载组合，然后指定约束条件和目标函数。
利用Excel表格功能快速方便地修改边界条件；
复制、粘贴、拖拉
生成未知荷载系数组合
利用未知荷载系数法调索注意点：
（1）对于未知荷载系数法求解索力，要善于利用表格的功能，因为对于中小跨径的拱桥或者斜拉桥，约束条件不多，这时候一个一个修改起来还比较方便，但是对于大跨径的拱桥或者斜拉桥，约束条件少则几十个，多则上百个，这样再逐个修改约束条件，会花费大量的
3.3 系杆拱桥施工阶段仿真模拟
定义单位索力
利用考虑施工阶段未知荷载系数进行二次调索：
（1）建立分析模型，定义正装施工阶段，在完成二期恒载的阶段定义后，定义调索的施工阶段，在此阶段中，只激活相对应的单位索
查看分析结果
求得的未知荷载系数影响矩阵
3.4 拱桥的稳定分析
）选择某个施工阶段为分析的最终分析阶段；
3.5 混凝土拱桥模型模拟与设计关键点