高清PDF《桥梁结构电算-有限元分析方法及其在MIDAS/Civil中的应用》周水兴、王小松、田维锋、杜柏松

21世纪交通版高等学校教材
Computing for Bridge Structures
桥梁结构电算
一有限元分析方法及其在MIDAS/Civil中的应用
周水兴、王小松、田维锋、杜柏松 编著

本书主要介绍了桥梁结构分析中有限元的建模和计算方法。鉴于MIDAS/Civil软件在国内的教学、科研和生产中使用较广，本书以MIDAS/Civil为例，较为系统地介绍了软件的基本操作及静、动力计算方法。
为帮助未系统学习过有限单元法或结构矩阵分析的读者能更好地理解有限元基本原理，专门编写了杆系结构的矩阵位移法。
本书适合于高等理工院校土木工程专业（桥梁、道路等方向）、道路桥梁与渡河工程专业的本科、研究生及教师使用，也可供从事相关领域科学技术研究的工程技术人员学习参考。

近20多年来，桥梁结构分析软件已成为工程技术人员从事桥梁工程设计和科学研究的重要手段，对推动桥梁工程的发展起到了积极作用。然而，我们在多年的《桥梁结构电算》教学实践和软件使用过程中发现，部分软件使用者缺乏对有限元基本理论的了解，出现建模不合理和计算结果不正确等问题，且纠错能力不足。为提高技术人员采用结构分析软件解决桥梁工程问题的能力，我们编写了集有限元基本原理、建模方法和软件应用等内容于一体的教材。
本教材共分为6章。第1章简要介绍了国内外有限元软件的发展概况和桥梁结构分析的基本过程，重点介绍了如何开展有限元模型纠错、提高计算正确性的几种方法以及计算结果的整理与输出。考虑到有些高校因学时问题没有开设有限单元法或结构矩阵分析课程，不利于学生掌握桥梁结构电算方法，因此，在第2章中专门介绍了杆系结构的矩阵位移法，其基本概念同样适用于有限单元法。第3章是本教材的重点，详细介绍了桥梁结构的建模方法，包括桥梁实际结构的简化、单元类型的选择、不同单元间的连接处理、悬索桥和斜拉桥主梁常用的鱼骨刺模型以及桩一土共同作用的模拟等。第4章以某预应力混凝土简支箱梁桥支架现浇为示例，详细介绍了MIDAS/Civil软件的建模步骤以及结合规范求解桥梁内（应）力与变形的方法。第5章针对桥梁结构的动力与稳定分析问题，介绍了基本原理及其在MIDAS/Civil中的具体应用。第6章介绍了如何运用MIDAS/Civil开展未知荷载系数法求解斜拉桥索力、联合截面法求解钢管混凝土组合结构和梁格法求解宽箱梁问题的方法。
由于本书将MIDAS/Civil的基本操作集中安排在第4章，为使学生能够更好地理解前3章内容，建议授课时将第4章内容分解到其他各章中，使学生较早接触到MIDAS/Civil软件并上机操作，加深对桥梁结构建模方法的理解。
本教材由重庆交通大学多位从事桥梁结构分析研究和承担《桥梁结构电算》教学的教师共同编写，其中第1章~第3章由周水兴编写，第4章由田维锋、周水兴编写，第5章由王小松编写，第6章由杜柏松编写。全书由周水兴教授统稿并完成最终的文字整理工作。
在教材编写过程中，各位作者查阅了不少文献资料，如在参考文献中未给予标注引用，在此表示歉意！
由于编者水平有限，加上时间紧，书中肯定存在不少错误，敬请各位学者批评指正。

内容索引：

第1章绪论1
1.1国内外桥梁结构分析软件发展概况1
1.1.1国外发展概况1
1.1.2国内发展概况1
1.2桥梁结构分析问题的分类2
1.3桥梁结构分析基本过程4
1.3.1模型建立4
1.3.2施加荷载和约束5
1.3.3求解……5
1.3.4后处理·5
1.4模型纠错5
1.4.1有限元分析中的常见错误5
1.4.2计算结果的正确性判断………………7
1.4.3提高计算正确性的几种方法……8
1.5计算结果的输出与整理9
1.5.1截面位置的标识………9
1.5.2表头和表号10
1.5.3有效位数10
1.5.4编写计算报告、必要的说明和附注………10
1.6开设“桥梁结构电算”课程的必要性11
1.6.1复杂桥梁结构分析的需要11
1.6.2精细化分析的需要11
1.6.3桥梁创新的需要11
1.6.4编制施工方案的需要11
1.6.5工作技能的需要11
思考题11
第2章杆系结构的矩阵位移法13
2.1概述13
2.2总体坐标系和单元坐标系14
2.2.1总体坐标系14
2.2.2单元坐标系14
2.3平面梁单元的单元刚度矩阵15
2.3.1杆端位移和杆端力15
2.3.2杆端力与杆端位移的关系16
2.3.3单元刚度矩阵具有的性质18
2.3.4考虑剪切变形的梁单元刚度矩阵19
2.4总体坐标系中的单元刚度矩阵22
2.4.1坐标转换22
2.4.2总体坐标系下的单元刚度矩阵…………………………23
2.5总体刚度矩阵的集成24
2.5.1总体刚度矩阵24
2.5.2单元刚度矩阵的投放26
2.5.3约束处理27
2.6荷载列阵的形成29
2.6.1等效节点荷载的概念29
2.6.2综合节点荷载的计算步骤30
2.7方程求解31
2.8杆件单元内力计算33
2.8.1节点位移产生的截面内力33
2.8.2节间荷载产生的内力33
2.8.3单元截面内力…34
2.9支点反力计算及支承点沉陷产生的内力计算…………………………34
2.9.1计算原理……34
2.9.2支承点沉陷产生的内力及反力计算
2.10矩阵位移法计算步骤与算例…………………………………35
2.10.1计算步骤·……35
2.10.2算例35
2.11空间梁单元43
2.11.1空间梁单元刚度矩阵43
2.11.2空间梁单元的坐标转换矩阵46
思考题49
第3章桥梁结构的有限元建模50
3.1建模前的规划分析50
3.1.1单元类型50
3.1.2不同单元连接的处理……51
3.1.3梁单元中带铰的处理58
3.1.4模型的对称性……………60
3.1.5网格划分密度61
3.2桥梁结构建模时的一些共性特点61
3.2.1计算单位…………………61
3.2.2变截面62
3.2.3刚臂62
3.2.4刚性横梁…………66
3.2.5支座的处理66
3.3桥梁结构建模的一般步骤68
3.3.1明确计算目标68
3.3.2桥梁构造分析与单元类型选择68
3.3.3定义截面特性和材料特性69
3.3.4施工阶段分析70
3.3.5荷载分析………73
3.3.6建立有限元模型75
3.4梁式桥有限元建模75
3.4.1简支梁桥75
3.4.2连续梁桥与连续刚构桥76
3.4.3预应力荷载的输入76
3.5拱桥有限元建模77
3.5.1普通拱桥的有限元模型77
3.5.2钢管混凝土拱桥78
3.5.3劲性骨架混凝土拱桥80
3.6斜拉桥和悬索桥建模要点81
3.7桩一土相互作用的计算81
3.7.1集中质量法概念81
3.7.2土弹簧刚度的计算方法81
3.7.3地基系数C的概念及确定方法82
3.7.4桩的计算宽度82
3.7.5土的地基比例系数m值确定83
3.7.6桩一土共同作用的有限元模拟………………………………84
思考题85
第4章MIDAS/Civil基本操作86
4.1 MIDAS/Civil简介86
4.1.1 MIDAS/Civil用户界面86
4.1.2MIDAS/Civil初始化设置88
4.1.3MIDAS/Civil界面操作89
4.1.4数据输人方式95
4.2建立项目95
4.2.1预应力简支箱梁桥支架现浇示例参数…………………95
4.2.2建模要点……………98
4.2.3创建项目文件……98
4.2.4设置结构类型…………99
4.3创建节点…100
4.3.1建立节点…100
4.3.2复制或移动节点…………101
4.3.3镜像节点102
4.3.4节点表格102
4.4单元创建……………103
4.4.1单元类型103
4.4.2建立单元108
4.4.3移动/复制单元109
4.4.4单元镜像109
4.4.5合并与分割单元…110
4.4.6从AutoCAD导入模型………111
4.4.7修改单元参数……112
4.4.8单元表格113
4.5材料与截面特性定义…………………114
4.5.1材料特性定义………….114
4.5.2时间依存性材料定义……116
4.5.3材料表格……118
4.5.4截面特性输人118
4.5.5截面特性计算器(SPC)…………120
4.5.6截面特性调整系数………………….…122
4.5.7变截面、变截面组…….124
4.5.8截面表格…………126
4.6边界条件……127
4.6.1一般支承…………………………129
4.6.2弹性支承单元…………130
4.6.3弹性连接单元…………132
4.6.4刚性连接………………133
4.6.5单元端部释放………………136
4.6.6梁端部刚性域偏移……137
4.6.7节点局部坐标轴…………139
4.6.8边界条件表格…………………………………………………139
4.7静力荷载………………………140
4.7.1静力荷载工况………142
4.7.2自重………143
4.7.3节点荷载……………………………………144
4.7.4梁单元荷载……….144
4.7.5温度梯度和梁截面温度……………146
4.8预应力荷载148
4.8.1钢束特性值…………148
4.8.2钢束布置的形状…151
4.8.3钢束预应力荷载………154
4.9移动荷载…155
4.9.1移动荷载规范……156
4.9.2车道与车道面……………156
4.9.3车辆………….159
4.9.4移动荷载工况160
4.10组的概念与应用162
4.10.1结构组163
4.10.2边界组163
4.10.3荷载组165
4.10.4钢束组…………166
4.11施工阶段166
4.12分析控制……………….169
4.12.1主控数据……170
4.12.2移动荷载分析控制…170
4.12.3施工阶段分析控制……172
4.13结果174
4.13.1荷载组合175
4.13.2反力177
4.13.3内力179
4.13.4位移…181
4.13.5影响线181
4.13.6预应力效应183
4.14设计…186
4.14.1RC设计188
4.14.2PSC设计194
思考题……199
第5章MIDAS/Civil桥梁结构动力与稳定计算200
5.1桥梁模态分析……200
5.1.1模态分析理论200
5.1.2子空间迭代法201
5.1.3 Lanczos法202
5.1.4一般结构的模态分析204
5.1.5有预应力结构的模态分析…209
5.2桥梁稳定（屈曲）分析211
5.2.1桥梁稳定分析理论……………211
5.2.2线弹性屈曲分析212
5.3桥梁地震响应分析（反应谱法）·214
5.3.1反应谱的概念…214
5.3.2多模态反应谱分析理论………………215
5.3.3反应谱分析218
思考题224
第6章MIDAS/Civil桥梁专题分析226
6.1斜拉桥拉索最优索力确定226
6.1.1索力优化原理226
6.1.2MIDAS/Civil的未知荷载系数功能227
6.1.3斜拉桥索力优化算例228
6.2钢管混凝土连续梁桥分析233
6.2.1联合结构233
6.2.2工程实例233
6.3梁格法239
6.3.1梁格法的基本原理239
6.3.2梁格划分239
6.3.3工程实例241
思考题249
参考文献250

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