【基于Midas的橋梁抗震探析4900字（論文）】

基于Midas的橋梁抗震分析目錄TOC\o"1-2"\h\u11087摘要 1294801引言 1325461.2橋梁抗震研究的必要性和意義 2306113研究內(nèi)容 392932橋梁抗震模型和理論基礎(chǔ) 3231452.1建模條件 3184092.2橋梁抗震分析主要理論基礎(chǔ) 6168632.3有限元模型的建立和簡化 6304153反應(yīng)譜結(jié)果分析 7289223.1反應(yīng)譜振型分析 7294943.2反應(yīng)譜內(nèi)力分析 8100413.3荷載組合的內(nèi)力分析 9297624結(jié)論與展望 1018015參考文獻(xiàn) 11摘要地震會(huì)導(dǎo)致地表破壞和橋梁受震從而引起對橋梁的破壞。雖然有些橋梁在強(qiáng)度上能夠承受地震的振動(dòng)力，但是在橋梁上部和下部之間的結(jié)構(gòu)連接不牢固，整體結(jié)構(gòu)安全性較差，經(jīng)常容易造成橋梁上部和下部結(jié)構(gòu)間產(chǎn)生相對內(nèi)力變化，從而致使橋梁破壞。本文選取三跨連續(xù)型橋進(jìn)行Midas分析，Midas具備強(qiáng)大的橋梁抗震分析，結(jié)合Midas的振型分析和反應(yīng)譜理論的內(nèi)力計(jì)算，來分析該三跨橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性。關(guān)鍵詞：Midas、橋梁抗震、反應(yīng)譜理論、振型分析1引言1.1國內(nèi)外的橋梁抗震研究現(xiàn)狀

中國有很多橋梁抗震的相關(guān)規(guī)范，比如在二十世紀(jì)九十年代發(fā)布的的《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，和2008年發(fā)布的《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》等，該規(guī)范更是在2020進(jìn)行了最新的更新。而在早期國內(nèi)減震耗能技術(shù)在橋梁上的應(yīng)用實(shí)例較少，江陰大橋是我國第一座采用抗震加固的橋梁，其主要目的是降低橋梁的縱向地震反應(yīng)。而且，耗能裝置的設(shè)計(jì)和制造的快速發(fā)展，根據(jù)我國進(jìn)行一些橋梁技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。致使橋梁抗震技術(shù)有了很大發(fā)展，但由于橋梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，無法直接使用一些先進(jìn)技術(shù)。橋梁抗震研究也需要讓長時(shí)間從事這一領(lǐng)域的學(xué)者和工程師進(jìn)行大量的長時(shí)間的研究，終于，在他們在不懈的努力下，這些學(xué)者和工程師為我國橋梁抗震研究打開了一個(gè)新的局面，在06年時(shí)在重慶，建立了長江大橋復(fù)線橋是一座跨徑長達(dá)330m的橋梁，建立到現(xiàn)在依舊是世界紀(jì)錄保持者。至今還在加緊步伐，希望能夠繼續(xù)進(jìn)一步細(xì)化橋梁抗震問題，認(rèn)為一個(gè)合格的抗震技術(shù)應(yīng)該具備實(shí)用性，經(jīng)濟(jì)性和快速修復(fù)性，即當(dāng)被地震損壞的時(shí)候應(yīng)該能快速修復(fù)，盡可能的不影響人民群眾的出行方便等。我國在此基礎(chǔ)上已經(jīng)擁有采用耗能裝置的橋梁超過兩百座，擁有采用減隔震支座裝置的橋梁超四百座[3-5]。在國外也有許多橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，例如美國發(fā)布的AASHTO指導(dǎo)性規(guī)范抗震設(shè)計(jì)，還有歐洲的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范Eurocodes，在這些基礎(chǔ)上，各個(gè)國家的專家提出的建議也是通過采用新技術(shù)的方式，在橋梁上安裝阻尼器，比如粘滯阻尼器是一種與剛度、速度相關(guān)型的阻尼器，在美國洛杉磯的5號(hào)和91號(hào)高速公路連接橋、美國舊金山-奧克蘭海灣大橋和英國設(shè)計(jì)的Millennium千禧橋等都安裝上了[6]。身處地震帶的東亞國家日本，由于地震頻發(fā)，所以會(huì)更加注重橋梁抗震方面的效果，一般使用的減震裝置是以高阻尼橡膠支座和鉛芯橡膠支座為主，而高阻尼橡膠支座在美國有超過一千座橋梁上安裝，而使用減震裝置橋梁建筑在意大利也是不少于一百座，隔震耗能系統(tǒng)在俄羅斯目前已經(jīng)超過了三百座橋梁安裝了。在加拿大有一位名為C.E.Venture的教授就有一篇報(bào)告從多個(gè)角度闡述了橋梁結(jié)構(gòu)地震檢測和損壞情況檢測的發(fā)展，在全球，到2016年采用了隔震與耗能系統(tǒng)，形狀記憶合金裝置等材料超過四十個(gè)國家三千座建筑。1.2橋梁抗震研究的必要性和意義橋梁在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著越來越重要的作用，使難以越過的天塹變得通坦，但是橋梁作為我國的基礎(chǔ)設(shè)施，投資巨大，卻又容易管理不當(dāng)，一旦遭受外力損毀，將會(huì)給國家和人民帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失[7]。所以在橋梁的設(shè)計(jì)時(shí)，需要設(shè)計(jì)師將橋梁的抗震能力所考慮其中，在橋梁設(shè)計(jì)中考慮到防震設(shè)計(jì)使得橋梁在地震時(shí)保護(hù)橋梁的基礎(chǔ)部位，降低地震對橋梁的毀壞程度，也防止局部地方發(fā)生巨大變形，良好的橋梁抗震性能可以減少橋梁在地震中的損失。我們要做好橋梁工程乃至整個(gè)建筑工程的抗震安全設(shè)計(jì)，以確保國家和人民的損失降到最低[8]。3研究內(nèi)容本文通過Midas建立一個(gè)三跨剛構(gòu)橋空間有限元模型，能夠模擬橋梁剛度、質(zhì)量、阻尼、邊界對該模型在Midas中進(jìn)行地震模擬，建立的橋梁模型作為依托橋梁。通過Midas里面的特征值分析方法中的Ritz向量法分析控制，再給入到反應(yīng)譜中，反應(yīng)譜是在一定的地震作用下，某個(gè)單自由度彈性體系最大反應(yīng)量與體系自振周期的關(guān)系曲線。本文為了探索橋梁在地震時(shí)期的安全性，通過（30+50+30）m三跨連續(xù)剛構(gòu)橋大橋?yàn)槔跇蛄汗こ虘?yīng)用實(shí)例精解和橋梁基本抗震理論的基礎(chǔ)上，對該橋在地震作用下的整體動(dòng)力性能進(jìn)行了內(nèi)力分析。利用反應(yīng)譜模型對橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了分析，得到橋梁結(jié)構(gòu)的全部動(dòng)力特性，由此分析該橋在特定的條件下內(nèi)力變化所展現(xiàn)的抗震能力。2橋梁抗震模型和理論基礎(chǔ)2.1建模條件本文以Midas空間為基礎(chǔ)建立橋梁模型，橋梁總體布置是（30+50+30）m的三跨連續(xù)鋼構(gòu)橋，主梁截面如圖2-1所示，支座截面如圖2-2所示，橋墩截面如圖2-3所示，橋?qū)?.3m，墩高10m。該橋位于某7度區(qū)二級公路上水平向基本地震加速度值0.15g，且由于在二級公路上該橋?yàn)锽類橋梁按照8度設(shè)防的規(guī)則橋梁。圖2-1主梁截面圖2-2支座截面圖2-3橋墩截面梁單元擴(kuò)展可以用來模擬主梁和橋墩，想要通過模擬有效樁土間的相互作用力可以選擇使用節(jié)點(diǎn)的彈性約束，將梁墩之間用剛性連接。二期荷載作用于橋梁上部結(jié)構(gòu)的將其更改為質(zhì)量形式[9]。通過定義以下地震荷載所需各項(xiàng)參數(shù)：重要性修正系數(shù)：1.3、綜合影響系數(shù)：0.43、基本烈度：8、最大周期：6秒、場地類別：Ⅱ。通過使用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗震分析的計(jì)算，地震作用是在E1的條件下，即是在多遇地震類型中，前提是將以上的地震參數(shù)輸入到反應(yīng)譜中。輸入以上的參數(shù)會(huì)得到在規(guī)范條件下，所得到的表2-1在的地型影響圖。表2-1地震作用下影響系數(shù)曲線2.2橋梁抗震分析主要理論基礎(chǔ)反應(yīng)譜分析振型組合方法，是用來計(jì)算多自由度體系地震作用的一種方法。通過利用加速度設(shè)計(jì)反應(yīng)譜和振型分解的原理分析單自由度體系的，來達(dá)到多自由度體系的地震作用效應(yīng)，解出各階振型對應(yīng)的等效地震作用，然后通過一定的計(jì)算和組合原則來對各階振型的地震作用效應(yīng)組合，從而得到的[10]。其中有三種方法CQC法、SRSS法和線性法。其中線性法，也是反應(yīng)譜法是一種擬靜力法，不能體現(xiàn)持續(xù)時(shí)間這一要素，但是能同時(shí)考慮每個(gè)頻段振動(dòng)的振幅最大值和頻譜兩個(gè)主要要素，在眾多的地震震害調(diào)查中，也有一些按照反應(yīng)譜理論設(shè)計(jì)規(guī)則的橋梁，但是也在地震中遭受比較嚴(yán)重的破壞，這就說明了持續(xù)時(shí)間要素在設(shè)計(jì)中應(yīng)該被考慮其中，也忽略了地震的隨機(jī)性無法考慮結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性時(shí)特性的改變，從而導(dǎo)致內(nèi)力重新分布，且反應(yīng)譜方法所設(shè)結(jié)構(gòu)所有支座的震動(dòng)完全相同[11-13]。2.3有限元模型的建立和簡化將在MidasCivil中建立有限元模型進(jìn)行分析，根據(jù)剛度、質(zhì)量與邊界條件存在近似原則對模型進(jìn)行些許簡化。在建立橋梁的三維空間結(jié)構(gòu)中，其結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性表現(xiàn)出X、Y、Z三個(gè)方向的強(qiáng)烈的相互關(guān)系，基于MidasCivil建立的模型，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為179，單元總數(shù)為178。橋梁模型如圖2-4所示。圖2-4三跨連續(xù)剛構(gòu)橋模型3反應(yīng)譜結(jié)果分析3.1反應(yīng)譜振型分析在Midas中所得到橋梁反應(yīng)譜分析結(jié)果可以得出橋梁許多的動(dòng)力特性值，而取決結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的重要因素是結(jié)構(gòu)自身的剛度質(zhì)量和本構(gòu)特性，其余的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，振型形狀、特征向量值、參與質(zhì)量、周期和特定頻率也是橋梁動(dòng)力特性值的重要因素。對于結(jié)構(gòu)不同的橋梁來說，是需要重新分析橋梁自身動(dòng)力特性。橋梁的振幅有大有小，如果在是大振幅的結(jié)構(gòu)中，是沒有固定的頻率和模態(tài)，原因是在大振幅結(jié)構(gòu)在自振過程中，所有的結(jié)構(gòu)體系的剛度都是每時(shí)每刻在變化，倘若想使結(jié)構(gòu)所受到的地震更加明顯，就將地震周期與結(jié)構(gòu)周期的頻率調(diào)整的更加相近，但是，這對于橋梁的抗震受力是更加不利。所以在橋梁抗震設(shè)計(jì)中，都會(huì)盡可能將結(jié)構(gòu)的自振周期和地震波頻率變得遠(yuǎn)一些，由此來提高橋梁的安全性。振型-1振型-2振型-3振型-4圖3-1結(jié)構(gòu)振型圖從上的結(jié)構(gòu)振型圖可以看出結(jié)論此鋼結(jié)構(gòu)分別在X方向的平動(dòng)、在Y方向的平動(dòng)以及橋空間的扭轉(zhuǎn)，也從表3-1中得出運(yùn)用Ritz向量法所求出的是與三個(gè)平動(dòng)地震輸入直接相關(guān)的前15階振型中的部分?jǐn)?shù)值，其中X平動(dòng)、Y平動(dòng)、Z平動(dòng)三個(gè)方向的振型參與質(zhì)量分別為99.39%、95.41%、96.00%滿足規(guī)范中振型參與質(zhì)量達(dá)到90%以上的要求。可以參與后面的內(nèi)力分析。表3-1結(jié)構(gòu)自振特性（部分）振型編號(hào)振型頻率周期振型參與質(zhì)量頻率周期X方向Y方向Z方向(rad/sec)(cycle/sec)(sec)質(zhì)量總計(jì)質(zhì)量總計(jì)質(zhì)量總計(jì)14.0392770.6428711.55552297.54%97.54%0.00%0.00%0.00%0.00%27.5716611.2050670.8298290.00%97.54%80.74%80.74%0.00%0.00%14194.50705130.9567590.0323030.00%98.79%0.00%95.41%7.23%95.97%15226.05636035.9779870.0277950.60%99.39%0.00%95.41%0.03%96.00%3.2反應(yīng)譜內(nèi)力分析橋梁對地震的反應(yīng)可以在反應(yīng)譜的計(jì)算中得到分析結(jié)果，在考慮到橫在作用和地震效應(yīng)作用的情況下，分析地震參數(shù)的方法有以下兩種：一、橫向和豎向，二、縱向與豎向。恒載中包括結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力、混凝土的收縮徐變、二期恒載。選用了結(jié)構(gòu)中的墩底、梁端、和跨中的控制截面內(nèi)力分析表。從表3-2和表3-3中可以看出恒載中所貢獻(xiàn)的占比較大的為軸向力N、剪力Qz、彎矩My，而剪力Qy、扭矩Mx和彎矩Mz在恒載中基本不嘗試，而其中的彎矩My順橋也有一些貢獻(xiàn)，橫橋向的地震動(dòng)主要產(chǎn)生的是剪力Qy、扭矩Mx、彎矩Mz?？梢酝ㄟ^計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)得出，該橋梁在E1地震作用下橋梁整體受力變化是處于正常工作狀態(tài)內(nèi)。因此該橋梁在此地震強(qiáng)度下是安全的。表3-2恒載作用下橋梁變化荷載位置軸向N/kN剪力Qy/kN剪力Qz/kN扭矩Mx/kN?m彎矩My/kN?m彎矩Mz/kN?m恒載墩底2號(hào)單元-7668.80-181.940748.570梁端77號(hào)單元-30003.005654.50-9190.40跨中70號(hào)單元-36829.00926.97012731.00表3-3E1地震作用下橋梁內(nèi)力變化荷載位置軸向N/kN剪力Qy/kN剪力Qz/kN扭矩Mx/kN?m彎矩My/kN?m彎矩Mz/kN?m順橋向JTJ(RS)墩底2號(hào)單元1535.50843.2103860.60梁端77號(hào)單元1045.70102.7502394.20跨中70號(hào)單元584.76040.7201818.10橫橋向JTJ(RS)墩底2號(hào)單元0901.040133.4106944.9梁端77號(hào)單元0430.4603753.402347.8跨中70號(hào)單元0675.502664.105620.63.3荷載組合的內(nèi)力分析荷載組合是通過基本可變荷載、永久荷載、其他可變荷載這三種之間相組合，考慮荷載組合是為了考慮到各種何在可能出現(xiàn)的情況，由圖3-2和圖3-3中得到在該地震作用下橋梁應(yīng)力變化，橋梁在E1地震作用下，橋墩的內(nèi)力響應(yīng)值遠(yuǎn)大于主梁的內(nèi)力響應(yīng)值，而各個(gè)控制截面的內(nèi)力響應(yīng)值在動(dòng)力反應(yīng)譜中都是合理范圍，由此可以得出整座橋梁的橋墩在地震中是處于最不利的位置，所以加強(qiáng)對橋墩的抗震能力是需要特別關(guān)注的由于在橋墩交界面和主梁內(nèi)力和位移中的響應(yīng)都比較復(fù)雜且受力較大，我們在地震作用時(shí)要特別重視主梁交界和主梁的跨中橋墩截面位置。圖3-2順橋向地震作用下My圖圖3-3順橋向地震作用下Mz圖4結(jié)論與展望橋梁安全的重要性不可否認(rèn)，在橋梁的使用過程中，遭遇到地震我們需要提前預(yù)防，在地震前后要保證橋梁的功能安全性和完整性。；論文通過該三跨剛構(gòu)橋的抗震分析后：1、在分析橋梁結(jié)構(gòu)的特征值時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)存在三種模態(tài)振型，即有兩個(gè)方向的平動(dòng)變形是X和Y方向的以及整個(gè)橋梁機(jī)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形。2、對橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)譜和振型參與質(zhì)量進(jìn)行了模態(tài)振型分析，得到X、Y、Z這三個(gè)方向的橋梁結(jié)構(gòu)振型參與質(zhì)量均滿足規(guī)范規(guī)定的90%的極限值。模擬地震條件下橋墩截面的最大內(nèi)力變化在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)。3、在荷載組合中，橋梁結(jié)構(gòu)模型中存在較大的側(cè)彎概率是在主梁和橋墩的受力部分，變形明顯未產(chǎn)生較大變形，但仍滿足規(guī)范的要求。該橋梁在經(jīng)過E1地震后，研究結(jié)果表明，該連續(xù)鋼構(gòu)橋（30+50+30）m符合我國橋梁工程結(jié)構(gòu)的抗震標(biāo)準(zhǔn)，具有一定程度上的安全性。而橋墩本身首次屈服彎矩大于地震狀態(tài)下橋墩所承受的彎矩，但是在地震過后所表現(xiàn)的狀態(tài)依舊良好。隨著我國的發(fā)展橋梁抗震技術(shù)越來越重視，橋梁所能承受抗震等級也是也來越高橋梁可以根據(jù)性能設(shè)計(jì)。強(qiáng)度雖然是抗震能力衡量的一個(gè)重要指標(biāo)，但是不能作為唯一的指標(biāo),希望以后能從多方面剖析橋梁抗震分析,可以對發(fā)生破壞的情況進(jìn)行判斷。相信我們國家在橋梁抗震能力上有更高的提升。參考文獻(xiàn)[1]王建森.淺析橋梁抗震設(shè)計(jì).