抗震专题培训.pptx

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1、目录 八、结合08抗震规范进行桥梁抗震设计 七、08公路常规桥梁抗震设计流程1.桥梁概况72.有限元模型73.抗震分析方法114.E1反应谱分析75.Mander本构和MPhi曲线76.荷载组合247.结合08抗震规范进行桥梁抗震设计248.E2时程分析241.7度及7度以上地区常规桥梁总体设计流程32.7度及7度以上地区常规桥梁结构构件抗震设计流程4第1页/共36页一、前言随着社会经济飞速发展、科技进步日新月异，人口分布逐渐密集于城市。地震作为一种严重自然灾害不仅因其巨大能量释放而造成大量地面构筑物和各种设施的破坏与倒塌，且次生灾害中因交通及其它设施的毁坏而造成的间接经济损失更是十分巨大。我

2、国是一个多地震的国家，最近二十多年来，桥梁建设快速发展，各种型式的桥梁大量涌现。如何确保桥梁在可能发生的地震作用下安全可靠地运行，最大限度地避免人员伤亡，减轻震灾带来的经济损失，且设计又不过于保守，成为工程界及其关注的问题。为了能够有效的进行新桥设计和确定现有桥梁的加固措施，有必要对潜在的问题领域有一个清楚的了解。而加深这种了解的最好办法就是对地震中已经发生的桥梁失效及破坏进行系统地研究和分类。常言道“前车之鉴，后世之师”，这句话对桥梁抗震设计尤为适用。因而进行桥梁震害调查分析，对发展桥梁抗震设计原理和设计细节是非常必要的。分析桥梁震害及其产生的原因是建立正确的抗震设计方法、采取有效抗震措施的

3、科学依据。鉴于现有的大量震害实例及有关资料(范立础，卓卫东，2001)总结，可将桥梁震害的具体表现形式可分为以下几种情况:板式橡胶支座剪切破坏1.地震及桥梁震害1)支撑连接部件(支座)的震害:支座作为支撑连接部件在地震中损坏极为常见，如阪神地震中支座损坏的比例达到调查总数的28%,支座的破坏会改变力的传递方式，从而对结构其他部位的抗震性能产生影响。支座破坏形式主要有支座位移;锚固螺栓拔出、剪断;活动支座脱落等。支座滑动、破坏及梁体位移第2页/共36页2)上部结构移位震害所谓上部结构移位震害即桥梁上部结构的纵向、横向、及扭转发生的移位造成的震害。这种震害比较常见，一般来说设置伸缩缝的地方容易发生

4、。这种震害的具体表现形式之一是梁间开脱、错位、或顶撞;另一种表现形式就是大位移使上部结构超出了墩、台的支持面导致落梁。资料表明，顺桥向落梁情形远多于横桥向，它约占全部落梁总数的80%-90%(西山兽伸等，1983)。顺桥向落梁时，梁端撞击桥墩侧壁，这种冲击作用对下部结构会造成很大影响，因为落梁的能量比梁在墩顶发生振动时的能量具有压倒性优势。如，日本福井地震时就发现了落梁冲撞桥墩而使墩身倾斜的现象。桥梁上部结构的破坏很多都是碰撞、落梁兼而有之。日本福井地震中的板垣桥落梁震害就是一个例子:所有的梁都朝左岸方向产生了位移，梁的右岸端在墩顶处脱落并下坠。事后调查，原因之一是由于左岸桥台胸墙在地震中被剪

5、断倒塌，右岸胸墙没有破坏，迫使梁向左岸移动;另外一个原因是该桥的钢筋混凝土梁在两端支座只安装了油毛毡，而且墩顶宽只有1.2米，从而产生了很大的震害。第3页/共36页3）下部结构的震害下部结构指桥墩、桥台和基础。下部结构及基础的严重破坏是引起桥梁倒塌，并在震后难以修复使用的主要原因。桥梁墩台和基础的震害是由于受到较大的水平力，瞬时反复振动在相对薄弱的截面产生破坏而引起。根据大量震害实例，长细比较大的柔性墩多为弯曲破坏，即延性破坏，表现为:混凝土的开裂、压溃、钢筋裸露与压弯，并会产生很大的塑性变形。这种破坏主要是由于约束箍筋配设不足、纵向钢筋搭接或焊接不牢等引起墩的延性不足；长细比小的粗矮桥墩多为

6、剪切破坏，即脆性破坏，表现为：混凝土大裂缝、钢筋切断等。这种破坏主要是由于墩柱剪切强度不足引起。桥台的震害，除地基承载力失效(如砂土液化、边坡滑移等)引发的桥台倾覆、滑移外，还表现为上部结构的顶撞破坏。基础破坏也是主要震害现象，主要是由于场地土的液化导致的倾覆、不均匀沉陷，或者由于上部结构惯性力影响引起的桩基剪切、弯曲破坏等。基础的破坏带有很大的隐蔽性，震后不易发现，往往通过上部结构的震害体现出来，而且不易修复。大量震害综合分析表明，引发桥梁震害原因主要可大致归为以下三种:a.所发生的地震强度超过了抗震设防标准;b.桥梁场地对抗震不利，地震引起地基失效、变形或边坡滑移;c.人为原因造成桥梁结构

7、设计、施工不当，使桥梁结构本身抗震能力不足。剪切破坏弯曲破坏第4页/共36页第5页/共36页 公路工程抗震设计规范(J丁J004-89)是单一水准强度抗震设计，仅仅使用烈度来描述地震作用强度，很多方面的规定过于笼统、模糊。例如，通过引入综合影响系数来折减地震力后采用弹性抗震设计，其隐含的意思是允许结构进入塑性，对结构的延性性能有相应的要求，但在设计上又没有进行必要的延性抗震设计，其延性能力能否满足要求是不确定的，这也是原规范存在的一个较大缺陷。根据交通部关于下达1999年度建设标准、规范、定额等编制、修订工作计划的通知(交通部公路发199982号)，由重庆交通科研设计院组织对公路工程抗震设计规

8、范(JTJ 004-89)桥梁抗震设计部分进行修订，编写(公路桥梁抗震设计细则。修订后的公路桥梁抗震设计细则共有11章、4个附录。修订的主要内容包括:(1)扩大了适用范围，增加了非规则桥梁的抗震设计内容;对斜拉桥、悬索桥、单跨跨径超过150m的特大跨径梁桥和拱桥，给出了抗震设计原则和有关规定;增加了减隔震桥梁的设计原则和有关规定。(2)修订了相应的设防标准和设防目标，采用了两水平设防、两阶段设计的抗震设计思想，由单一的强度抗震设计修改为强度和变形双重指标控制的抗震设计。(3)补充、细化了场地和地基部分的有关规定。(4)修订了地震作用部分，修订了水平设计加速度反应谱，反应谱周期由Ss增加到lOs

9、，增加了场地系数、阻尼调整系数、竖向设计加速度反应谱等内容，增加了地震作用分量组合、设计地震动时程等有关规定，取消了综合影响系数。补充修订了地震土压力计算公式。(5)增加了桥梁延性抗震设计和能力保护原则的有关规定，增加了延性构造细节设计的有关规定。(6)增加了抗震分析建模原则和抗震分析方法等有关规定。(7)修订了抗震措施的有关规定。随着新规范的推出，工程师急迫需要具备桥梁抗震分析与设计的能力。MidasCivil不但具备强大的桥梁抗震分析功能（包括振型分析、反应谱分析、时程分析、边界非线性分析、静力弹塑性分析以及动力弹塑性分析），而且还新增了与规范相结合的抗震设计验算功能，可以很好地辅助工程师

10、进行桥梁抗震设计。2.08公路桥梁抗震设计细则推出第6页/共36页二、结构动力学概念 结构动力学问题在两个重要的方面不同于它的静荷载问题：1、荷载是随着时间变化的，因此结构的反应也是随着时间变化的；2、因为有阻尼和加速度，所以产生了粘滞阻尼力和惯性力，也正是这个原因，我们做动力分析要模拟阻尼和质量。经典物理学告诉我们：我们所在的物理世界是一个动态的世界，静止只是相对的，荷载作用过程及结构的响应本质是一个动态的过程。在结构动力分析和设计中，需要解决的威胁结构安全的主要因素地震作用和风作用，也是典型的动力问题，因此对结构进行动力分析是必要的。b.结构动力平衡方程弹性力粘滞阻尼力惯性力a.结构静力平

11、衡方程弹性力自由振动：指F(t)=0的情况，F(t)0的振动为强迫振动。无阻尼振动：指C=0的情况。无阻尼自由振动：指C=0且F(t)=0的情况，无阻尼自由振动方程就是一般特征值分析方程。简谐荷载：F(t)可用简谐函数表示，简谐荷载作用下的振动为简谐振动。非简谐周期荷载：F(t)为周期性荷载，但是无法用简谐函数表示，如动水压力。任意荷载：F(t)为随机荷载（无规律），如地震作用，随机荷载作用下的振动为随机振动。冲击荷载：F(t)的大小在短时间内急剧加大或减小，冲击后结构将处于自由振动状态。第7页/共36页三、空间动力分析模型1、在E1和E2地震作用下，一般情况下应首先建立桥梁结构的空间动力计算

12、模型。计算模型应反映实际桥梁结构的动力特性。2、桥梁结构动力计算模型应能正确反映桥梁上部结构、下部结构、支座和地基的刚度、质量分布及阻尼特性，从而保证在E1和E2地震作用下引起的惯性力和主要振型能得到反映。一般情况下，桥梁结构的动力计算模型应满足下列要求:1）计算模型中的梁体和墩柱可采用空间杆系单元模拟，单元质量可采用集中质量代表;墩柱和梁体的单元划分应反映结构的实际动力特性。2）支座单元应反映支座的力学特性。3）混凝土结构的阻尼比可取为0.05;进行时程分析时，可采用瑞利阻尼。（非线性分析时采用瑞利阻尼，Midas中组阻尼比的运用。）4）计算模型应考虑相邻结构和边界条件的影响。3、在E1和E

13、2地震作用下采用的模型在El地震作用下，宜采用总体空间模型计算桥梁的地震反应；在E2地震作用下，可采用局部空间模型计算。总体和局部空间模型应满足以下要求:1）总体空间模型宜包括所有桥梁结构及其连接方式，通过对总体空间模型的分析确定结构的空间藕联地震反应特性和地震最不利输人方向。2）局部空间模型应根据总体模型的计算结果，取出部分桥梁结构进行计算，局部模型应考虑相邻结构和边界条件的影响。对于地震作用，结构动力方程可以表述如下：第8页/共36页4、规则桥梁可按08抗震细则第6.7节的要求选用简化计算模型。5、进行直线桥梁地震反应分析时，可分别考虑沿顺桥向和横桥向两个水平方向地震输人;进行曲线桥梁地震

14、反应分析时，可分别沿相邻两桥墩连线方向和垂直于连线水平方向进行多方向地震输人用曲梁单元时，只需计算一联两端连线(割线)和垂直割线方向的地震输人，以确定最不利地震水平输人方向。6、进行非线性时程分析时，墩柱可采用钢筋混凝土弹塑性空间梁柱单元。7、抗震分析时应考虑支座的影响。板式橡胶支座可用线性弹簧单元模拟；活动盆式支座可用双线性理想弹塑性弹簧单元模拟。8、建立桥梁抗震分析模型应考虑桩土的共同作用，桩土的共同作用可用等代土弹簧模拟，等代土弹簧的刚度可采用表征土介质弹性值的m参数来计算。9、墩柱的计算长度与矩形截面短边尺寸之比大于8时，或墩柱的计算长度与圆形截面直径之比大于6时，应考虑P-效应。第9

15、页/共36页四、模态分析（振型分析）在一般的有限元分析中，由于系统的自由度很多，同时在研究系统的响应时，往往只需要了解少数较低的特征值及相应的特征向量，因此在有限元分析中，发展了一些适应上述特点而效率较高的解法（子空间迭代法）。midasCivil中除了提供精确的特征向量法分析外，还提供了与荷载相关的Ritz向量分析法。多重Ritz向量能用于线性和非线性结构的动力分析。与精确特征向量法相比，多重Ritz向量法用更少的时间可产生更精确的结果。1.子空间迭代法（wilson著作结构静力与动力分析）子空间迭代法是求解大型矩阵特征值问题的最常用最有效的方法之一，它适合于求解部分特征值解，被广泛应用于结

16、构动力学的有限元分析中。子空间迭代法是假设r个起始向量（采用移频法，通过特征值的移动和已收敛的特征向量的移出，使r保持在较小的数值，从而显著提高计算效率和改进收敛速度）同时进行迭代（通过求解减缩广义特征值问题）以求得矩阵的前p（地震波数据生成器，生成后保存为SGS文件），用户可利用保存的SGS文件（文本格式文件）根据上面所述方法计算Sv、Sa、Tg。通过Tg值可判断该地震波是否适合当地场地类别和地震设计分组，然后将抗震规范中表5.1.2-2中的EPA值与Sa相比求出调整系数，将其代入到地震波调整系数中。将地震波转换为拟加速度反应谱和拟速度反应谱时注意周期范围要到6秒（建筑抗震规范规定）。建筑抗

17、震设计规范5.1.2条中规定，采用时程分析方法时，应按照场地类别和设计地震分组选用不少于二组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线，其平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。所谓“在统计意义上相符”指的是，其平均影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在各周期点上相差不大于20%。在MIDAS程序中，可选取两组实际强震记录生成两个SGS文件（调整Sa后的），然后将一组人工模拟的加速度时程曲线也保存为SGS文件，将三个SGS文件的数值取平均后与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线相比较看是否满足“在统计意义上相符”，由此也可判

18、断选取的地震波是否合适。第18页/共36页2.关于分析类型选项目前有线性和非线性两个选项。该选项将直接影响分析过程中结构刚度矩阵的构成。非线性选项一般用于定义了非弹性铰的动力弹塑性分析和在一般连接中定义了非线性连接(非线性边界)的结构动力分析中。当定义了非弹性铰或在一般连接中定义了非线性连接(非线性边界)，但是在时程分析工况对话框中的分析类型中选择了“线性”时，动力分析中将不考虑非弹性铰或非线性连接的非线性特点，仅取其特性中的线性特征部分进行分析。只受压(或只受拉)单元、只受压(或只受拉)边界在动力分析中将转换为既能受压也能受拉的单元或边界进行分析。如果要考虑只受压(或只受拉)单元、只受压(或

19、只受拉)边界的非线性特征进行动力分析应该使用边界条件一般连接中的间隙和钩来模拟。3.关于 计算方法选项1、振型叠加法适用于线弹性结构的地震反应分析，也可以求解仅含有边界非线性的非线性地震反应分析。地震运动方程是二阶常系数微分方程组，采用振型坐标对微分方程组解耦，使其成为每个振型独立微分方程，然后对每个振型（实际上常取前几阶振型）运用杜哈梅积分进行求解，一般可采用分段积分法。其基本思想是利用结构自由振动的振型，将结构的动力学方程组转化成对应广义坐标的非耦合方程，然后单独求解各方程。2、直接积分法用数值积分法求解线性或非线性地震运动方程，直接求得结构的地震反应时程的方法。一般有中心差分法、常加速度

20、法、线性加速度法、Newmark-法、Wilson-法等。第19页/共36页4.关于时程类型选项当选择直接积分法时(特别是用户自行输入Newmark时间积分参数时)，要慎重选择时间步长、参数和，因为这将影响到分析的精度和稳定性。时间步长t的选择，注意：（1）外部作用的变化过程（2）体系自振周期。必须足以准确描述外部作用的时间变化过程，必须能反映结构反应的周期变化。例如取t=T/10。5.关于加载顺序选项当前时程荷载工况要在前次荷载工况（可以是时程荷载、静力荷载、最后一个施工阶段荷载、初始内力状态）作用下的位移、速度、加速度、内力状态下继续分析，则在定义TH2时要选择“接续前次”选项。1、荷载工

21、况选项在荷载工况列表中可选择的前次荷载工况有TH（时程荷载）、ST（静力荷载）、CS（最后一个施工阶段荷载）。当前次荷载工况为时程荷载时（例如前次为TH1、当前为TH2），并且要想按照TH1-TH2的顺序进行连续分析时，TH1和TH2的“分析类型”和“分析方法”的选项的选择需要一致。第20页/共36页当前次荷载工况为ST（静力荷载）或CS（最后一个施工阶段荷载）时，且定义了非弹性铰要对时程荷载做动力分析时，如果静力荷载本身的大小超出了致使产生结构弹性变形的范围，会造成当前的时程荷载工况分析的结果不准确。因为静力荷载的分析是在弹性分析，其内力结果是弹性分析的结果，但是这个内力结果实际上超出了产生

22、弹塑性铰的内力，即这时的内力状态是不真实的。所以要注意ST（静力荷载）或CS（最后一个施工阶段荷载）的荷载要在弹性范围内。当前次荷载工况为时程荷载时，不存在要求前次时程荷载工况的结果处于弹性阶段的要求。因为前次时程荷载分析的非线性结果是准确的，而当前时程荷载工况是在前次时程荷载工况的位移、速度、加速度、内力状态下继续分析。2、初始单元内力表格选项该选项可定义时程分析的初始条件（内力、初始几何刚度）。一般可用于在初始恒荷载作用下地震作用的弹塑性时程分析，即先做静力分析获得结构的初始内力，程序会使用该内力状态构成结构的初始刚度矩阵，然后做时程分析。同荷载工况选项中的说明一样，内力表格中的内力值要在

23、弹性范围内。生成初始单元内力表格的方法参见联机帮助说明。3、累加位移/速度/加速度结果不选此项时，查看本荷载工况的结果时只输出本荷载工况作用的结果；选择此项时，查看本荷载工况的结果时包含了前次荷载工况最终步骤的影响。程序只要选择了加载顺序选项，程序计算当前荷载工况时就会考虑前次荷载工况的影响，该选项不选时，仅是为了方便用户想查看不受前次荷载工况影响的当前荷载工况作用结果。所以该选项仅影响结果的输出，不影响内部计算过程。4、保持最终步骤荷载不变保持前次荷载工况最终步骤时的荷载不变，加到本次荷载工况各荷载时间步骤中。第21页/共36页6.阻尼计算方法阻尼矩阵的生成方法比较多样，程序目前提供的组尼计

24、算方法如下：（1）直接输入各振型阻尼（2）质量和刚度因子法（一般称为瑞利阻尼）（3）应变能因子法（4）单元质量和刚度因子法其中在分析方法选项中选择“振型叠加法”时将不必构成结构总体阻尼矩阵，按各振型进行求解方程。直接输入振型阻尼：直接输入各振型的阻尼，所有振型也可以采用相同的阻尼。在分析方法选项中选择“直接积分法”时，将构成结构的总体阻尼矩阵。质量和刚度因子法（瑞利阻尼）：，程序中可直接输入a0和a1，也可以通过输入两阶振型的阻尼比来计算a0和a1，计算公式如下：。工程上一般在a0和a1时使用的阻尼比相等，但要注意的是两阶自振频率的取值。确定瑞利阻尼的原则是：选择的用于确定常数a0和a1的两阶

25、自振频率要覆盖结构分析中感兴趣的频段。感兴趣的频段的确定要根据作用于结构上的外荷载的频率成分和结构的动力特性综合考虑。应变能比例法：根据用户在“组阻尼比”（材料和截面特性）中指定的阻尼比计算各模态的阻尼比，大部分结构的阻尼矩阵会是一种非典型的阻尼，故无法分离各模态。所以为了在进行动力分析时反映各单元不同的阻尼特性，使用变形能量的概念来计算各模态的阻尼比。单元质量和刚度因子法：只有定义了组阻尼时才起作用。根据用户定义的组阻尼程序会自动构成结构总体阻尼矩阵。定义组阻尼时，使用不同材料的单元要分别定义为不同得结构组，并给出不同的阻尼比。第22页/共36页7.关于非线性分析控制参数中的“更新阻尼矩阵”

26、选项该选项只有同时选择下列选项时才会被激活。“分析类型”选择“非线性”，“分析方法”选择“直接积分法”，“阻尼计算方法”选择“质量和刚度因子”法或“单元质量和刚度因子”法。这是因为使用“质量和刚度因子”法或“单元质量和刚度因子”法计算阻尼矩阵时，阻尼值与刚度矩阵相关，而产生非弹性铰时结构的刚度矩阵将发生变化。程序默认选项为“否”，即不更新阻尼矩阵，是为了使非线性分析更容易收敛。8.非线性分析迭代控制中“容许不收敛”选项一般其他程序当分析过程不收敛时将退出分析。但是有时用户需要看前面已经收敛步骤的结果，所以本程序增加了该选项，即使分析过程中不收敛也让分析继续进行下去。第23页/共36页七、08公

27、路常规桥梁抗震设计流程1.7度及7度以上地区常规桥梁总体设计流程规则桥梁非规则桥梁第24页/共36页2.7度及7度以上地区常规桥梁结构构件设计流程第25页/共36页八、结合08抗震规范进行桥梁抗震设计1.桥梁概况本桥是高速公路上一座跨越V型沟谷的大型桥梁。主桥上部结构为（55+100+100+55）米预应力混凝土连续刚构;主桥下部结构为空心墩,最大墩高93米。通过本例题重点介绍midasCivil软件在桥梁抗震设计中的应用。采用有限元程序MADIS对该桥进行抗震计算，按照该桥实际设计中梁段块件的划分进行桥梁有限单元划分。本计算中没有考虑桩土共同作用，同时由于主要计算桥墩，所以忽略承台的作用，增

28、加桥墩刚度，计算结果偏安全。桥梁的主梁采用C55号混凝土，主桥桥墩采用C50号混凝土，二期横载为10cm沥青混凝土，8cm混凝土桥面铺装，程序可自动将荷载转化为集中质量。过渡墩的支座为GPZ(II)4.0DX，我们为了安全期间，认为顺桥向为自由活动，过渡墩的地震力也由有主墩承担，而横桥向为限制约束。2.有限元模型桥梁有限元模型桥梁有限元模型第26页/共36页桥梁有限元模型根据规范，E1为小震，采用反映谱计算方法；E2为大震，采用时程分析法（此桥为非规则桥梁）。3.抗震分析方法 参考抗震评估报告，该场地为类场地。抗震设防烈度为7度，场地分区特征周期Tg=0.45s，场地系数Cs=1.0,阻尼调整

29、系数 Cd=1.00，抗震重要性系数Ci=0.5,水平向设计基本地震动加速度峰值为0.1g.4.E1反应谱分析 第27页/共36页 荷载 反应谱分析数据 反应谱函数第28页/共36页 荷载 反应分析数据 反应谱荷载工况第29页/共36页5.Mander本构和MPhi曲线 第30页/共36页 结果 荷载组合6.荷载组合 公路桥梁抗震设计应考虑以下作用:1、永久作用：包括结构重力(恒载)、预应力、土压力、水压力。2、地震作用：包括地震动的作用和地震土压力、水压力等。3.4.2作用效应组合应包括永久作用效应十地震作用效应，组合方式应包括各种效应的最不利组合。第31页/共36页抗震设计操作流程：RC设计参数RC设计材料RC设计截面配筋钢筋混凝土抗震设计构件类型 RC设计计算书输出内容。设计 RC设计RC设计参数 设计 RC设计RC设计材料7.结合08抗震规范进行桥梁抗震设计验算 第32页/共36页 设计 RC设计RC设计截面钢筋 设计 RC设计钢筋混凝土抗震设计构件类型第33页/共36页 设计 运行RC设计抗震设计通过树形菜单中的表格，点击使用阶段正截面抗裂验算，弹出相应表格。第34页/共36页 设计 RC设计输出RC设计计算书设计基本资料设计验算文本内容设计验算表格第35页/共36页