SPC实例详述-混凝土、钢箱、组合截面

midasCivil技术资料----SPC实例操作详述目录midasCivil技术资料1----SPC实例操作详述11SPC总述22混凝土截面22.1混凝土截面SPC操作步骤22.2三种方法计算混凝土截面特性对比63钢箱梁截面73.1钢箱梁截面SPC操作步骤83.2数据库/用户截面特性与SPC对比134组合截面144.1组合截面SPC操作步骤15参考文献20北京迈达斯技术有限公司桥梁部2013/05/06midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）21SPC总述midasCivil→工具→截面特性计算器SPC是“截面特性值计算器—SectionalPropertyCalculator”的缩写。Civil截面库提供很多截面供用户选择，但并非涵盖所有工程截面，故为方便与绘图软件AutoCAD交互操作，用户可使用Civil提供的SPC工具实现任意截面的计算并导入，完成分析和设计。SPC一般步骤为：导入AutoCADDXF文件或直接在SPC中绘制图形→生成截面→计算截面特性→导出.sec文件→导入Civil中生成相应截面。2混凝土截面2.1混凝土截面SPC操作步骤（1）打开SPC，首先进行工作环境设置：Tools>Setting，length长度单位设为m，保持与DXF文件长度单位一致，如下图2-1所示；同时应确保DXF文件中的截面线无重叠，在DXF中把要导入的截面放在当前图层的x-y平面内，另外暂不支持DXF中pline线导入SPC，具体步骤：File>Import>AutoCADDXF，如下图2-2所示。Tolerance：长度容许误差。一般情况下，程序会根据设定的单位体系自动进行合理的调整，设计者也可以手动进行修改，默认值为1mm。图2-1设置单位体系图2-2导入DXF文件Anglestep：默认10°，将曲线段按每10°为一段进行分割，例如，导入圆形截面，圆周则被自动分割成36段直线。Translation：Tx、Ty分别 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示截面导入后在X轴和Y轴的偏移距离。midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）3Rotation：Rz表示截面导入后绕Z轴旋转的角度，逆时针旋转为正。导入DXF截面文件后，有时会弹出如下对话框，其是确保截面中没有重复线，可以通过Model>Curve>Interesect中进行交叉计算来进行检查分割。（2）选择Plane形式，生成截面：Model>Section>Generate。Plane形式的截面需要在CAD中画出截面实际形状，导入后在Generatesection里选择PlaneType，程序会按照截面形状所指定的范围自动生成截面。计算截面特性值时，程序会通过自动划分网格功能或人为指定网格尺寸在截面的Plane范围内生成网格，之后利用该网格有限元计算截面特性值。图2-3生成Plane截面选择Plane形式时，可以勾选是否合并为直线“MergeStraightLines”，合并标准为当直线间角度小于某一值时，默认为2°，比如：Civil805之前版本的SPC双向横坡截面，当横坡线角度小于2°时，程序会自动将横坡线合并为一条直线，而导致双向横坡截面转换成了无横坡截面，大家在此注意一下。另，若同时勾选图2-3中CalculatePropertyNow计算截面特性（也可下一步进行计算），但是对于截面中存在细长区域时建议通过下一步骤指定网格划分条件后再计算截面特性，因为直接在生成截面同时计算截面特性可能会导致网格划分过粗，导致出现截面剪切面积无法计算等问题。（3）计算截面特性：Property>CalculateSectionProperty，选择生成的截面，设定网midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）4格划分条件，点击Apply。网格划分精度可以通过MeshDensity调节，也可通过MeshSize输入网格划分的尺寸定义，尺寸越小，计算精度越好，但计算速率降低，一般以不小于最薄截面处厚度的一半为宜。选择PauseafterEachCalc.，可以在窗口中显示出截面划分的网格单元情况及数目，如图2-4示。图2-4计算Plane截面特性（4）显示截面特性计算结果：Property>ListSectionProperty，如图2-5所示。图2-5列出截面特性截面特性内容包括截面面积Area、剪切面积SAx/SAy、截面抗弯惯性矩Ixx/Iyy、截面惯性积Ixy、截面扭转惯性矩J及截面四个角点坐标。Plane形式截面计算扭转惯性矩J时，首midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）5先利用有限元方法及Prandtl应力函数[1]，通过对应力函数进行积分计算抗扭刚度。注：Prandtl应力函数即为扭转应力函数，由普朗特Prandtl提出，详细可参考徐芝纶《弹性力学》中第十章中内容。（5）导出截面特性，SPC有多种导出截面形式，对于混凝土截面一般是通过Model>Section>Export>MIDASSectionFile，保存成为sec类型截面文件，此截面文件导入到civil中消隐可以显示出实际截面形状。图2-6导出sec截面选择MIDASSectionFile截面类型，点击FileName按钮，如上图2-6所示，定义文件名为混凝土截面.sec，点击保存、退出，选中计算完毕的截面，点击Apply适用。图2-7混凝土sec截面导入到设计用数值截面midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）6至此，混凝土箱形SPC数值截面已经生成，可以通过midasCivil特性>截面>数值>任意截面或midasCivil特性>截面>设计截面>设计用数值截面导入生成相应截面。其中设计截面>设计用数值截面需要输入设计参数和剪切验算位置，如图2-7所示，参数设置具体可参考桥梁荟2月刊。图2-8混凝土sec截面导入到数值截面中任意截面数值>任意截面，可以不用输入相关参数，如上图2-8所示，但是，此种形式导入的截面不支持梁和柱的设计，仅在柱抗震设计时可采用该类型截面。2.2三种方法计算混凝土截面特性对比将SPC计算的截面特性分别与CAD计算结果及Civil数据库中的截面特性计算结果对比如下：首先是CAD面域计算结果，如图2-9所示；图2-9CAD中面域计算结果midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）7其次，采用Civil中设计截面中单箱多室2截面输入参数，输入截面参数及计算结果如图2-10所示；图2-10Civil中设计截面中“单箱多室2”计算结果三种方法计算结果对比汇总如下：表2-1三种方法计算混凝土截面特性对比截面特性CADCivil设计截面SPC面积7.667.667.66Ixx-抗扭——9.185269.272235Iyy-抗弯3.4093.4089953.40899Izz-抗弯75.098875.0987975.0988对比看到三种方法计算结果中的面积、惯性矩基本上可以对应起来，只是后两种方法中的抗扭惯性矩Ixx略有差别，差值约有1%。分析原因：Civil设计截面与SPC计算截面特性时网格划分精度不同。有限元网格划分的精细程度直接影响最终的计算结果。3钢箱梁截面对于薄壁钢结构截面及分离式截面需要通过Line的形式生成截面，在CAD中画出截面各部分中心线或是内外轮廓线即可,如下图3-1示，红色部分为箱梁实际截面形状，蓝色部分为截面各部分中心线组成的截面，也即是后续导入到SPC中的截面。同样，若采用SPC自带画图功能时，也只需将截面各部分中心线或内侧轮廓线或外侧轮廓线画出即可。midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）8图3-1CAD中line截面图示3.1钢箱梁截面SPC操作步骤(1)首先进行工作环境设置：:Tools>Setting，导入DXF文件：File>Import>AutoCADDXF。图3-2设置单位体系图3-3导入DXF文件（2）指定线宽：Model>Curve>ChangeWidth，根据截面各部分实际宽度分别指定其宽度，以顶底板、腹板宽度16mm为例，按Ctrl键依次将顶底板与腹板中心线选中，如图3-4红色部分所示；Alignment对准方式包含四种选择：Center选项与截面中心线对应，表示向midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）9图3-4指定线宽两侧扩展宽度；Left表示由线的起点到终点方向的左侧扩展宽度，Right表示由线的起点到终点方向的右侧扩展宽度，与截面的内外侧轮廓线对应；Left<->Right功能表示Left与Right两种扩展宽度方式的切换；Width：输入窗口中选中线的宽度，即此处截面的实际宽度，单位与前面设置单位体系一致。宽度不同的线，可以分别选中，赋予其对应的宽度。其他部分如U肋等的设置宽度方式同上，在此不赘述。图3-5指定闭合区域（3）指定闭合：Model>Curve>ClosedLoop>Register，对于闭合截面，需要指定闭合区域，如下图3-5中顶底板和腹板组成的闭合区域，若对于闭合截面没有指定闭合区域会导midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）10致截面惯性积Ixy与扭转惯性矩J计算不准确。如果截面本身不存在闭合区域，那么此步骤可以省略。另外对于单箱多室的钢箱梁截面，可以只指定由顶底板和外侧腹板组成的闭合区域，这样计算得到的扭转惯性矩J比分别指定每个箱室的闭合区域计算得到的小，计算结果偏保守。（4）生成截面，选择Line形式，Model>Section>Generate，如图3-6所示。对于薄壁截面，只需在CAD中画出截面各部分的中心线或轮廓线，导入SPC后可先指定线的宽度生成实际截面形状，然后在Generatesection里选择LineType生成截面，Line截面通过简化公式计算截面特性，其中抗扭刚度是根据剪力流(ShearFlow)原理计算的，假设剪应力沿壁厚均匀分布，则剪力流为常数，根据自由扭转扭矩的近似计算公式可以反推出抗扭刚度。另外，对于分离式钢结构截面，只能通过Line形式生成截面并计算输出。对于截面厚度特别小的时候，若以Plane截面操作很难在又窄又长的领域内自动生成适当的网格，虽然在截面特性计算对话框里的MeshSize可以直接指定网格的大小，但是这样会增多网格的个数，降低计算效率，所以薄壁钢结构截面尽量使用Line形式截面计算。图3-6生成Line截面（5）计算截面特性：Property>CalculateSectionProperty，选择生成的截面，无需设定网格划分条件，因网格划分条件是针对于Plane类型截面，故，直接点击Apply即可。midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）11图3-7计算Line截面特性（6）列出计算完成的截面特性Property>ListSectionProperty图3-8列出Line截面特性由图3-8可知，Line类型生成的截面不计算剪切面积SAx、SAy，其他截面特性值同前述的混凝土截面特性分项说明，洋红色区域即设置闭合（RegisterClosedLoop）的区域。（7）导出截面Model>Section>Export。midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）12图3-9导出sec截面选择MIDASSectionFile截面形式，然后点击FileName按钮，如图3-9所示，定义文件名为钢箱梁截面.sec，点击保存、退出，选中计算完毕的截面，点击Apply适用。至此，薄壁钢箱梁SPC数值截面已经生成，可以通过midasCivil特性>截面>数值>任意截面导入生成相应截面。注意此处不能通过midasCivil特性>截面>设计截面>设计用数值截面导入，因为设计用数值截面都是混凝土梁截面，用于混凝土结构的梁分析和设计，且设计截面中截面都是按照有限元积分方法[2]计算截面特性的，与薄壁截面不同。注：有限元法是一种工程物理问题的数值分析方法，根据进行分割和能量极值原理，把求解区域离散为有限个单元，利用插值原理计算得到各个单元内场函数的近似值，从而达到整个求解域上的近似解。在数值>任意截面中导入line形式截面时，在截面对话框左下角有截面特性值计算方法的选项，如下图3-10所示——“FEM”表示按照截面网格有限元积分法重新计算截面特性，“方程”表示按照薄壁截面简化公式计算截面特性。由于line形式截面无法计算剪切面积，如需考虑剪切变形，可以在导入midasCivil时从FEM 格式 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 下读取，然后粘贴到方程格式下。midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）13图3-10钢箱梁sec截面导入到数值截面中任意截面比较上图中FEM和方程下截面特性，除抗扭刚度外基本一致；FEM格式下抗扭刚度比方程下略大，主要是因为方程格式只是对指定闭合的环进行抗扭刚度计算，而FEM采用网格有限元方法把截面各个部分的抗扭作用均考虑进去，另外FEM适用于厚板计算，对于薄壁钢截面，适合取用方程下抗扭计算结果。3.2数据库/用户截面特性与SPC对比为验证SPC计算钢结构截面特性的精度，取Civil中数据库/用户中箱型截面B20×2与SPC计算结果进行对比，其中箱型截面B20×2长宽均为20mm，壁厚为2mm。对于标准截面，可以根据公式[3]计算其截面特性，故将此钢箱型截面特性采用简化公式计算，并与上述两种方法对比如下表3-1；可以看到数据库/用户截面与理论公式结果相同，SPC计算结果与理论公式结果基本一致，只是抗弯刚度略有差异，总体来说采用SPC中line形式截面计算薄壁截面特性满足精度要求。midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）14图3-11数据库/用户钢箱型截面特性与SPC对比表3-1数据库/用户钢箱型截面特性、SPC及简化公式计算结果对比截面特性数据库/用户截面SPC计算简化公式计算结果面积144144面积=18×2×4=144Asy80—Asy=2×B×2×20×2=80Asz80—Asz=2×H×=2×20×2=80Ixx-抗扭1166411664Iyy-抗弯78727800Iyy7872Izz-抗弯78727800Iyy7872注：表格中涉及长度单位为mm4组合截面以一钢混叠合梁为例,演示如何进行组合截面的SPC操作，叠合梁截面如下图所示，红色为截面实际形状，下部钢箱梁为薄壁结构，需用Line形式截面模拟，只需画出截面中心线，与混凝土连接部分钢结构画出其上缘轮廓线，图4-1示蓝色部分为导入到SPC的截面。midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）15图4-1CAD中组合截面图示4.1组合截面SPC操作步骤（1）首先进行工作环境设置：Tools>Setting，对于组合截面除了长度单位外，力的单位也需要进行设定，因为后面涉及到材料特性值的输入；导入DXF文件：File>Import>AutoCADDXF；如下图4-2所示。图4-2设置单位体系图4-3导入DXF文件（2）指定线宽：Model>Curve>ChangeWidth，根据截面各部分实际宽度分别指定。钢箱梁腹板、底板宽度为0.016m，竖肋宽度为0.01m，均按照从中心Center扩展宽度，可参照钢箱梁实例，在此不赘述；对于混凝土与钢梁连接部分，宽度为0.025m，由于选择的连接部分顶部边缘的线，所以采用Right、Left方式扩展宽度，Left、Right扩展方法同钢箱梁中说明，如下图4-4示。连接部分midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）16图4-4指定线宽（3）指定完厚度后，对于组合截面，需要定义各个部分的材料，Model>Material>Add，分别输入名称Name、弹模Modulusof、泊松比Poisson’s及密度Density，以便后面换算截面特性。图4-5定义组合截面材料（4）生成组合截面，Model>Section>CompositeSection>GenerateCompositesection，定义组合截面名称Name、组成部分数量N(parts)及基本材料（BaseMaterial--用来换算截面特性）,如图4-6所示。（5）将组合截面各部分添加到组合截面中：Model>Section>CompositeSection>AddparttoCompositeSection，定义名称并选择相应的材料，指定第1部分为钢箱梁，截面形式为line，如下图4-7示；midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）17图4-6定义组合截面图4-7添加钢箱梁截面到组合截面指定第2部分为混凝土，截面形式为Plane，如下图4-8示图4-8添加混凝土截面到组合截面midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）18（6）计算截面特性：Property>CalculateCompositeProperty，选择生成的截面，设定网格划分条件为0.05m（网格划分为混凝土Plane截面计算所用），直接点击Apply适用即可。图4-9计算组合截面特性（7）列出计算完成的截面特性Property>CompositePropertytable，可以分别查看钢箱梁、混凝土及换算组合截面的截面特性。图4-10组合截面各部分及换算组合截面特性midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）19（8）导出截面Model>Section>CompositeSection>ExportCompositeSection，点击File下按钮，弹出另存为对话框，文件名为叠合梁.sec，点击保存、退出，选中计算完毕的截面任一部分，点击Apply适用。图4-11导出组合截面sec截面至此，叠合梁SPC组合数值截面已经生成，可以通过midasCivil特性>截面>联合截面>组合-一般导入，导入时信息窗口会有如下图4-13提示，此时需要点击图4-12中“计算截面特性”重新计算或者手动调整剪切面积及扭转常数即可。另外对于“组合一般”截面默认Part1为组合前截面，所以在SPC里面进行组合截面定义时将实际组合前的截面作为Part1，此例中钢箱梁为组合前截面。图4-12导入联合截面中组合-一般选项midasCivil技术资料SPC实例操作详述北京迈达斯技术有限公司刘浩磊（编）唐晓东（核）20图4-13导入组合截面时信息提示另外，对于赋予SPC组合截面的结构单元，其材料可以选择钢材，因为SPC计算的组合截面截面特性是将混凝土换算为basematerial钢材后得到；除此外也可将组合材料赋予给相应单元。后续资料，我们将给出组合截面特性值精度的测试结果。参考文献1.徐芝纶.弹性力学.北京:高等教育出版社,2006；2.王勖成.有限元法的基本原理和数值方法（第二版）.北京:清华大学出版社,1995；3.刘鸿文.材料力学.北京:高等教育出版社,2004；4.邱顺冬.桥梁工程软件midasCivil常见问题解答.北京:人民交通出版社,2009.