Midas civil 桥梁结构专业计算软件用户手册

如何使用用户指南

Civil的用户指南由三本用户手册和联机帮助(On-lineManual)构成。

第一册GettingStarted&Tutorials

包括程序概耍和使用之前所需了解的事项以及一些供跟随操作的例题

第二册AnalysisforCivilStructures

对数值分析模型、单元以及分析功能的说明

第三册AdvancedApplications

应用例题的跟随操作

On-lineManual

包含于程序内部，是对各项功能的使用方法和输入项目的详细说明

为了更加有效地理解和掌握Civil的特性和功能，最好按以卜顺序先对用户指南的内容有一定的了解后再开

始使用程序。

首先请阅读对结构分析的功能进行解说的第二册的内容，以便对结构分析的概念有初步的了解。

对于Civil或其它类似程序有一定使用经验的用户可省略此过程，而只是在使用过程中对需要参考的部分查

看用户手册。

第二册中的内容包括利用Civil进行有限元分析所需要考虑的基本事项和在设计过程中必须了解的•些基本

知识。据国外的•些专门杂志统计，在对结构分析理论和所使用程序的理解不足的状态下进行结构分析

时，发生错误的概率在90%以上。

请根据第一册的“安装”部分的内容按所示步骤安装Civil。

并请阅读第一册的其它部分来了解使用Civil时所需的一些基本概念。

在第一册中包括“设定操作环境”、“输入数据”、“模型画面的处理”、“选择功能和激活/钝化功

能”、“建模”、“分析”、“杳看分析结果”等为高效建模和分析而必须了解的功能的使用说明。

对于各项功能以及输入事项的详细说明请参考Civil的Help菜单中联机帮助(On-lineManual)的“开始"部

分的内容。

VI

其次请运行CivilCD中“例题”的动画文件。

该文件是将“例题”的对土木结构的建模、分析以及查看结果的全过程使用ScreenCam记录下来的动画文

件，并含有语音说明。

用户可根据第•册中“例题1”的步骤将其直接应用到Civil中。

接着请对第三册“高级应用(AdvancedApplications)"中的例题进行实习。

在“高级应用”中针对预应力混凝土桥梁和水化热分析等实际工程项目，对从建模到分析、设计的全过程

按各步骤进行了说明，用户可方便地跟随操作。此中若有不解之处，可参考联机帮助(On-lineManual)的

“开始”中相应的内容。

在MIDASIT的主页(www.MidasU)提供了大量的验证例题。通过这些例题，对于Civil的主要分析

功能，将其计算结果与理论值或其它结构分析程序的计算结果进行了比较和验证。验证例题中的大部分是

由大学课程中经常接触的基本结构问题构成的，因此还可以被用来帮助结构分析的初学者了解和掌握结构

分析的基本概念。另外，验证例题使用的是英文。

除此之外，MIDASIT的主页(www.MidasU)还提供“技术资料”、“FAQ”、“Q&A”以及“用

户建议”等栏目及相应的内容。不仅提供各种新旧功能的介绍和使用方法，还提供实际工作中进行结构分

析所需的各种技术、最新理论等在线资料。

vii

土木结/z-r;

iDrCl/llSiruHiire

目录

1.MIDAS/Civil的数值分析模型.......................1

数值分析模型/1

坐标系和节点/2

单元种类及主要考虑事项/4

桁架单元/4

只受拉单元/8

索单元/9

只受拉单元/13

梁单元/15

平面应力单元/18

二维平面应变单元/24

二维轴对称单元/31

板单元/38

实体单元/45

单元输入时的主要考虑事项/52

桁架、只受拉单元和只受压单元Z54

梁单元/55

平面应力单元/58

平面应变单元/60

轴对称单元/60

板单元/61

实体单元/62

单元的刚度数据/63

截面面积/65

有效剪切面积/66

抗扭刚度/68

截面惯性矩/76

截面惯性积177

截面面积矩/81

剪切系数/82

组合截面的刚度计算/83

边界条件/84

边界条件/84

自由度的约束/84

弹性支撑单元/87

弹性连接单元/90

单元端部释放/91

考虑刚性域效果/93

主节点和从属节点/106

支座的强制位移/115

2.Civil的结构分析功能...........................119

结构分析功能/119

静力分析/120

特征值分析/120

反应谱分析/126

时程分析/130

振型叠加法/130

屈曲分析/134

非线性分析/137

非线性分析的概念/137

几何非线性分析/139

P-delta分析/145

采用非线性单元的分析/149

非线性单元的刚度/150

边界非线性动力分析/152

分析模型的构成/152

II

边界非线性动力分析的概念/153

特征值分析时的注意事项/156

静力荷载和动力荷载的组合/156

有效刚度/157

非线性连接单元的动力特性/157

桥梁结构的移动荷载分析/167

车道和车道面/170

车辆移动荷载/177

车辆荷载的加载条件/184

水化热分析/191

热传递分析/191

热应力分析/195

时间依存性分析功能/197

施工阶段分析/197

时间依存型材料的特性/199

施工阶段的定义及组成/207

PSC（预应力混凝土）分析功能/212

预应力混凝土分析/212

预应力损失/214

预应力荷载/220

自动考虑桥梁结构支座沉降效应的分析/223

考虑钢联合梁桥组合前后截面性质变化的分析/224

利用优化设计方法求解未知荷载/224

in

坐标系和节点

1.MIDAS/Civil中的数值分析模型

数值分析模型

结构分析模型是由节点、单元及边界条件三要素所构成的。其中，节点是用来确

定构件的位置；单元是用分析模型数据表达结构构件的元素，它是由连续的结构

构件按有限元法划分而成的；边界条件是用来表达所研究的对象结构与相邻的结

构之间的连接方式。

所谓的结构分析就是为了研究结构的力学性能，建立结构的数值分析模型，利用

假定的外部环境作用，对数学模型作理论性的实验分析的总过程。

在结构分析时，需要准确的表现结构的特性和结构所处的外部环境。其中外部环

境主要就是指荷载因素。可通过规范或者一些现有的统计资料得到。但是，要想

把握好结构的特性，充分地了解结构的受力性能，则不是一件非常简单的事情。

它将直接影响到结构的受力分析结果。

因此，作结构分析时必须充分细致的了解实际结构的材料特性，掌握结构的变形

能力即刚度，选择合理的有限计算单元，使得计算结构模型同实际结构相接近，

使计算结果同实际结构相符合。

但是，通常结构的形状是复杂的，而且很难精确地把握其材料的物理特性。要想

把结构的刚度（即变形能力）和质量精确地反映到计算结构模型上，将会花去很

大的精力和时间，有时有可能带来事倍功半的效果。

因此，进行结构分析时，在不破坏整体结构特征的前提卜，必须做到简化、调整

计算结构的数学模型，使得用最少的投入，得到最佳的结果。

1

土木结构分析

例如，对桥梁的主梁建立数学模型时，不使用板形单元(平面应力单元或板单

元)，而采用线形单元(桁架单元或梁单元)时，不但缩短结构分析时间，而且

更便于作结构设计。

所谓的有限元(FiniteElement)就是用分析模型数据表达结构构件特性的元

素、它是由连续的结构构件按有限元法划分而成的。它必须充分的反映结构受力

特性，但通常很难做到用数学的方法完整地反映出实际结构固有的特性。

因此，作为用户必须充分地了解实际结构的受力性能，掌握好各种有限单元的力

学特性，以便较好的选择有限单元，正确地做到结构分析和设计。

坐标系和节点

MIDAS/Civil软件使用如下几个坐标系系统。

>全局坐标系(GlobalCoordinateSystem)

A单元坐标系(ElementCoordinateSystem)

A节点坐标系(NodelocalCoordinateSystem)

全局坐标系是由X、Y、Z三轴满足右手螺旋法则的空间直角坐标系

(ConventionalCartesianCoordinateSystem),用大写X、Y、Z表示三个轴

的方向。通常利用该坐标系表达节点坐标、节点位移、节点反力及相关于节点

的其它输入数据。

全局坐标系是用来确定所分析对象结构空间位置的坐标系统。启动MIDAS/Civil

软件，在系统界面视窗区，将自动生成基准点(ReferencePoint)即全局坐标

系的原点X=0、丫=0、Z=0和全局坐标系统。其中Z轴的方向平行于重力加速度方

向并与其反向。因此利用软件建立结构的计算模型时，建议做到结构的垂直方向

与全局坐标系的Z轴平行建模，将有利于结构分析。

2

坐标系和节点

单元坐标系也是由X、y、z三轴满足右手螺旋法则的空间直角坐标系统，可用小

写x、y、z表示三个轴的方向。

9参照“CIVIL数学分析通常利用该坐标系表达单元内力、单元应力及相关于单元的其它输入数据.°

模型''中的"单元种类和

主要考虑事项”结构端部节点的约束（支撑）方向、弹簧支撑方向及节点的强制位移方向同全局

坐标系的坐标轴方向不相吻合时，通常采用节点坐标系。

节点坐标系也是由x、y、z三轴满足右手螺旋法则的空间直角坐标系统，可用小

写X、y、Z表示三个轴的方向。

图L1全局坐标系和节点坐标

3

土木结构分析

单元种类及主要考虑事项

MIDAS/Civil使用以下几种单元类型。

>桁架单元(TrussElement)

>只受拉单元(Tension-onlyElement,包含Hook功能)

>索单元(CableElement)

>只受压单元(Compression-on1yElement,包含Gap功能)

>梁单元/变截面梁单元(BeamElement/TaperedBeamElement)

>平面应力单元(PlaneStressElement)

>板单元(PlateElement)

>平面应变单元(2DPlaneStrainElement)

>平面轴对称单元(2DAxisymmetricElement)

>空间单元(SolidElement)

输入有限单元就是输入相关于单元的种类、材料特性、刚度大小的数据和输入确

定单元位置、形状和大小的节点数据的过程。

桁架单元(TrussElement)

■一般事项

由2个节点构成的桁架单元是属于“单向受拉-受压的三维线性单元(Uniaxial

Tension-Compression3DLineElement)n,它只能传递轴向的拉力和压力。

通常利用该单元做空间桁架结构(SpaceTruss)或交叉支撑结构(DiagonalBrace)

的受力分析。

■单元自由度和单元坐标系

桁架单元的两端各有•个沿单元坐标系的x轴方向的位移，它具有两个自由度。

单元坐标系是单元的内力及单元的应力输出的基准。在梁单元上，单元的抗剪刚

度和抗弯刚度输入方向依据单元坐标系。所以在做结构分析时必须正确地理解单

元坐标系的概念。

4

士儿种突及「要号/郭Ji:

对于桁架单元、只受拉单元及只仅受压单元等只具有轴向刚度的单元而言，只有

单元坐标系的X轴有意义，它是确定结构变形的基准，但利用y、Z轴可确定桁

架截面在视窗上的方向。

为便于用户使用MIDAS/Civil软件，通常可利用B角来表示单元坐标系的y,

z轴方向。

Q在CIVIL软件里，所线性单元的单元坐标系里，X轴的方向将平行于节点N1和节点N2的连线方向。

谓的线性的元就是指杆°（参照图1.2）如果，单元坐标系的x轴平行于全局坐标系的Z轴，B角是

单元、只受拉单元、只

受压单元、梁单元及变全局坐标系X轴与单元坐标系z轴件的夹角。该角度的正负符号是，以单元坐标

截面梁单元的总称。平系的x轴为旋转轴依据右手螺旋法则来确定。如果单元坐标系的x轴与全局坐

面单元（板形单元）是

标系的Z轴不相互平行时，P角是全局坐标系的Z轴与单元坐标系的x-z轴所

指面”.小儿、%中

元、平面应变单元、轴构成的平面间的夹角。

对称单元及墙体单元

X,：通过节点N1平形于全局坐标系X轴的轴

Y'：通过节点N1平形于全局坐标系丫轴的轴

Z'：通过节点N1平形于全局坐标系Z轴的轴

GCS全局坐标系

（a）竖直构件（单元坐标系的x轴平行于全局坐标系的Z轴）

GCS-全局坐标系

（b）水平或倾斜构件（单元坐标系的x轴与全局坐标系的Z轴不相互平行）

图L2B角概念

上木结构分析

■单元相关功能

CreateElements输入单元

Material输入材料的物理特性

Section输入截面特性

PretensionLoads输入预应力荷载值

■单元内力输出

单元的输出内力符号见图1.3所示，图中以箭头指示方向为正“+”。

*箭头指向为正。

单元坐标系的

y轴

AxialForce

图L3桁架单元的单元坐标系及单元的输出内力（应力）符号规定

6

单元种类及主要考虑事项

TRUSSELDCNTFORCESDEFAULTPRINTOUTUnitSystem：tonf

BJMNATSECLCMx即FORCE-1FORCE-」

2016sLCSI-3.40735-3.40468

slC82-2.26274-2.26096

sLI33-2.28039-2.27862

21I6sLCBI-6.23564-6.23031

SLC82412354-4.11999

sLC83-4.19065-4.18710

2216SLC81-6.43235-6.42436

$LC82-4.33966-4.33433

sLC83-4.23681•4,23148

TRUSSBBtENTSTOSSESDffAULTPRINTOUTUnitSystea:tort.m

ELEMMATSECLCMxMnSTRESS-1STRESS-J

2016sLCBI-2509.0935・2507.1310

SLC82-1666.2293-1664.9210

SLCB3-1679.2287-1677.9204

21\6sLCBI-4591.7854-4587.8604

31cB2-3036.4804-3033.8637

SLCB3-3085.9001-3083.2835

2216sLCBI-4736.6364•4730.7479

slC82-3195.6241-3191.6991

sLCB3-3119.8898-3115.9648

图L4桁架单元的单元内力及应力输出

7

土木结构分析

只受拉单元(Tension-onlyElement)

■一般事项

由2个节点构成的该单元是属于“只受拉3维线性单元(Tension-only3DLine

Element)w,它只能传递轴向拉力。通常利用该单元做抗风支撑(WindBrace)或吊钩

(HookElemenl)等构件的受力分析。

利用只受拉单元作结构分析的构件有以卜两种。

Truss在桁架系统里，对只承受拉力的桁架可以利用该单元作结构分析。

打。心施加拉力之前具有一定的初始间隙(HookDistance),加拉力变形达

到初间距以后开始承受荷载的构件，可以利用该单元作结构分析。

。应该熟练掌握On­

lineManual上

“CIVIL功能

>Analysis>MainL—卜而始间隙=0~4卜一初始间隙＞0

ControlData”内容

(a)TrussType(b)HookType

图1.5只受拉单元的概念图

8

单元种类及主要考虑事项

■单元自由度及单元坐标系

同桁架单元具有相同的单元口由度及单元坐标系

■单元相关功能

Q反复计算(IterativeMainControlData反复验算"(IterativeAnalysis)H'j',收敛条件控

Ana]ysis)就是在作结构

的II：•线性分析时，为了制数据

精确地计算随荷载的大Material输入材料的物理特性

小变化而改变的结构刚

度值起见，需要反复进Section输入截面特性

行计算，最后达到满足

PretensionLoads输入预拉荷载值

收敛条件为止。把这一

过程称之为Iterative

Analysisa

■单元内力输出

同桁架单元具有相同的符号体系

索单元(CableElement)

■一般事项

由2个节点构成的该单元是“只受拉3维线性单元(Tension-only3DLine

Element)",它只能传递单元的轴向拉力。利用这单元可以作随张拉力大小的改

变，构件的刚度发生变化的索结构的受力分析。

作线性分析时，索单元可以作为等价桁架单元考虑；作几何非线性分析时，该单

元自动转化为弹性悬索结构单元。

图1.6索单元概念

9

土木结构分析

■等价桁架单元

等价桁架单元的刚度有一般弹性刚度和下垂(sag)刚度。

随张力而改变的刚度值可以按下式计算。

1

K

comb

l/（ag+l/Kw

EA

Kcomb

CD2I}EA

L1+

12T3

EA12」

Q[''殁=石密

其中，E:弹性模量A:截面面积

L:长度w:单位长度重量

T:拉力

■弹性悬索结构（ElasticCatenaryCableElement）

MIDAS/Civil软件里，作儿何非线性分析时，索单元的切线刚度可按下述方法计

算。

如图1.7为一个索单元，其中i点的位移是/I、42、23,j点的位移是/

4、45、/6,节点力由原来的叫F°2,吟,巴，F°5,%增加到F.,F2,F3,F“

。这时，节点力及节点位移间的平衡方程式如下。

F5,R

F4=-F,

F,=-R

R=-F3-gL。（假设3。=3）

I"=1*0-AI+A4=f（F,,F,,F3）

I，=%-&+冬=8（小月，弓）

L=Lo=h（F5,月,月）

10

单元种类及主要考虑事项

图1.7弹性悬索单元（CableElement）的切线刚度概念图

在全局坐标系里，悬索上的每一点沿坐标长度方向的微分值如下。如果把这些值

整理成荷载和变形的关系，就可已得到柔度矩阵（［F］）,而柔度矩阵的倒数就是

刚度矩阵（［K］）。悬索结构的刚度并不是一次性计算就可得到的，它是通过多次

重复计算后，使方程式达到平衡状态时才能得到精确的刚度值。

国

明

5f呜

丽af

=++一

花

花

』

事

dl为

明

=+叫+

一

西

dl花

弼

dl旦

曳

明

明

ah呜

=一++

殂

一

斫

11

上木结构分析

犷

ra-f

af一

成

西

.P匹

电

XfdM电

^电

dl-R=

y-而-

d鸠

1砥

dlR

dlzI•

ahahI

l^

一

理

柔度矩阵的每个元素可按下式计算。

=-晟低+wLo+B}-ln低+A}]4]___________1

2

B+(F^+WL0)BA2+耳A

f.洸=耳I___________

12花w[B]+(耳+wL0)BA2+^A

F]R+wL0+B月+A

W|_B2+(F,+WL)B

0A2+F,A

-兔

西

兔

以

u一]___________1_

一

w22

蜴B+(E,+wL)BA+F^A

s0

ah

一

西

ah

一

花

ah

一

西

12

单元种类及主要考虑事项

A=(甲+好+B=付+理+低+WLJ)”')

{dF}=KT{dA}

国

西

里西

西

生

西

亚

弧

西

西

科

明

雪

雪

空

蛋

雪K

科

弧

贻

泡

弧

明

西

聂

竭

西

空

弧

延

就

近M

—

IIJ=西

八

K..餐<<

<弼

在

必

一

鸭

卫<

<弧

工

科

-S-e

聋

区

<西

尺

国

弧

工

弧

科

只受压单元(Compression-onlyElement)

■一般事项

由2个节点构成的该单元是“只受压3维线性单元(Compression-only3DLine

Element),它只能传递单元的轴向压力。做接触界面及边界部位建立计算模型

时使用该单元。利用只受压单元作结构分析的构件有以下两种。

Truss在桁架结构里，对只承受压力的桁架可以利用该单元作结构分

析。

Cap施加压力之前具有一定的初间距(CapDistance),施加压力变形

达到初间距以后开始承受荷载的构件，可以利用该单元作结构

分析。

■单元自由度及单元坐标系

同桁架单元具有相同的单元自由度及单元坐标系

13

土木结构分析

■相关功能

MainControlDate反复验算(IterativeAnalysis)时收敛条件控制数据。

Material输入材料的物理特性

Section输入截面特性

PretensionLoads输入预拉力荷载值

■单元内力的输出

同桁架单元具有相同的符号体系

_/卜一初始间隙=0

(a)TrussType

。应该熟练掌握On-line

Manual上“CIVIL功能

>Analysis>MainControl

Data”内容

初始间隙＞o

(b)GapType

图1.8只受压单元的形态及概念

14

单元种类及主要考虑事项

梁单元(BeamElement)

■一般事项

这是由2个节点构成的，是属于“等截面或变截面三维梁单元小区1m^位011-

prismatic3DBeamElement)w，它具有拉、压、剪、弯、扭的变形刚度(依据

TimoshenkoBeamTheory)o

当梁截面面积沿长度范围内不发生变化(PrismaticBeamElement)时,把一个截面

面积(Section)输入到对话窗口；当梁截面面积沿长度范围内发生变化(Non-

PrismaticBeamElement)时，把梁两端的两个截面面积输入到对话窗口。

利用MIDASl/Civil软件分析变截面梁时，截面面积、有效抗剪截面及截面的抗

扭刚度都看作是x轴方向的线性函数(LinearVariation)。而横截面面积对该截面

的主轴计算的截面惯性矩，按用户选择的不同，沿x轴方向可以形成为1次、2

°参考On-lineManual次、3次性函数。°

上“CIVIL功能

>Modcl>Properties>Secti

0,1■单元自由度及单元坐标系

无论是在单元坐标系还是在全局坐标系里，梁单元的每一个节点都具有三个方向

的线性移动位移和三个方向的旋转位移，因而每个节点具有6个自由度。

梁单元坐标系与桁架单元具有相同的坐标系。

■相关功能

CreateElements输入计算单元

Material输入材料的物理特性

Section输入截面特性

BeamEndRelease确定两节点的连接方式(释放梁端约束，刚结及较

接等)

BeamEndOffsets输入梁端偏心距离

ElementBeamLoads输入梁荷载(作用于梁上的集中及均布荷载)

LineBeamLoads确定加荷范围并输入线荷载

AssignFloorLoads将楼板荷载转换成梁荷载来输入

PrestressBeamLoads输入预应力荷载值

TemperatureGradient输入温度梯度

15

土木结构分析

■单元内力输出

输出的单元内力符号如图1.9所示，箭头指向为正（+）。

构件应力的正负号规定与单元内力符号规定相同。但在弯矩作用下截面上产生应

力时，则以受拉为正、受压为负来规定其符号。

*输出的内力是以箭头指向为正（+）。

Shear：

图1.9梁单元的单元坐标系及单元内力（或应力）符号规定

16

单元种类及主要考虑事项

KAMEL0ENTFORCES8KMENT3DEFAULTPRINTOUTUnitSystemtonf.m

o.

o.

ELEMHATSECLCMxNnPTAXIAL

$HEAR-ySHEAR-zTOoR.SIONiMOiei