【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研究內容 392932橋梁抗震模型和理論基礎 3231452.1建模條件 3184092.2橋梁抗震分析主要理論基礎 6168632.3有限元模型的建立和簡化 6304153反應譜結果分析 7289223.1反應譜振型分析 7294943.2反應譜內力分析 8100413.3荷載組合的內力分析 9297624結論與展望 1018015參考文獻 11摘要地震會導致地表破壞和橋梁受震從而引起對橋梁的破壞。雖然有些橋梁在強度上能夠承受地震的振動力，但是在橋梁上部和下部之間的結構連接不牢固，整體結構安全性較差，經常容易造成橋梁上部和下部結構間產生相對內力變化，從而致使橋梁破壞。本文選取三跨連續(xù)型橋進行Midas分析，Midas具備強大的橋梁抗震分析，結合Midas的振型分析和反應譜理論的內力計算，來分析該三跨橋梁結構的可靠性。關鍵詞：Midas、橋梁抗震、反應譜理論、振型分析1引言1.1國內外的橋梁抗震研究現(xiàn)狀

中國有很多橋梁抗震的相關規(guī)范，比如在二十世紀九十年代發(fā)布的的《公路工程抗震設計規(guī)范》，和2008年發(fā)布的《公路橋梁抗震設計規(guī)范》等，該規(guī)范更是在2020進行了最新的更新。而在早期國內減震耗能技術在橋梁上的應用實例較少，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。而且，耗能裝置的設計和制造的快速發(fā)展，根據(jù)我國進行一些橋梁技術的開發(fā)和應用。致使橋梁抗震技術有了很大發(fā)展，但由于橋梁結構的復雜性，無法直接使用一些先進技術。橋梁抗震研究也需要讓長時間從事這一領域的學者和工程師進行大量的長時間的研究，終于，在他們在不懈的努力下，這些學者和工程師為我國橋梁抗震研究打開了一個新的局面，在06年時在重慶，建立了長江大橋復線橋是一座跨徑長達330m的橋梁，建立到現(xiàn)在依舊是世界紀錄保持者。至今還在加緊步伐，希望能夠繼續(xù)進一步細化橋梁抗震問題，認為一個合格的抗震技術應該具備實用性，經濟性和快速修復性，即當被地震損壞的時候應該能快速修復，盡可能的不影響人民群眾的出行方便等。我國在此基礎上已經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計規(guī)范，例如美國發(fā)布的AASHTO指導性規(guī)范抗震設計，還有歐洲的橋梁抗震設計規(guī)范Eurocodes，在這些基礎上，各個國家的專家提出的建議也是通過采用新技術的方式，在橋梁上安裝阻尼器，比如粘滯阻尼器是一種與剛度、速度相關型的阻尼器，在美國洛杉磯的5號和91號高速公路連接橋、美國舊金山-奧克蘭海灣大橋和英國設計的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的教授就有一篇報告從多個角度闡述了橋梁結構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濟發(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設施，投資巨大，卻又容易管理不當，一旦遭受外力損毀，將會給國家和人民帶來巨大的經濟損失[7]。所以在橋梁的設計時，需要設計師將橋梁的抗震能力所考慮其中，在橋梁設計中考慮到防震設計使得橋梁在地震時保護橋梁的基礎部位，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建筑工程的抗震安全設計，以確保國家和人民的損失降到最低[8]。3研究內容本文通過Midas建立一個三跨剛構橋空間有限元模型，能夠模擬橋梁剛度、質量、阻尼、邊界對該模型在Midas中進行地震模擬，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，再給入到反應譜中，反應譜是在一定的地震作用下，某個單自由度彈性體系最大反應量與體系自振周期的關系曲線。本文為了探索橋梁在地震時期的安全性，通過（30+50+30）m三跨連續(xù)剛構橋大橋為例，在橋梁工程應用實例精解和橋梁基本抗震理論的基礎上，對該橋在地震作用下的整體動力性能進行了內力分析。利用反應譜模型對橋梁結構的抗震性能進行了分析，得到橋梁結構的全部動力特性，由此分析該橋在特定的條件下內力變化所展現(xiàn)的抗震能力。2橋梁抗震模型和理論基礎2.1建模條件本文以Midas空間為基礎建立橋梁模型，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，橋寬9.3m，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為B類橋梁按照8度設防的規(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構的將其更改為質量形式[9]。通過定義以下地震荷載所需各項參數(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譜法進行橋梁結構設計抗震分析的計算，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)輸入到反應譜中。輸入以上的參數(shù)會得到在規(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反應譜分析振型組合方法，是用來計算多自由度體系地震作用的一種方法。通過利用加速度設計反應譜和振型分解的原理分析單自由度體系的，來達到多自由度體系的地震作用效應，解出各階振型對應的等效地震作用，然后通過一定的計算和組合原則來對各階振型的地震作用效應組合，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，也是反應譜法是一種擬靜力法，不能體現(xiàn)持續(xù)時間這一要素，但是能同時考慮每個頻段振動的振幅最大值和頻譜兩個主要要素，在眾多的地震震害調查中，也有一些按照反應譜理論設計規(guī)則的橋梁，但是也在地震中遭受比較嚴重的破壞，這就說明了持續(xù)時間要素在設計中應該被考慮其中，也忽略了地震的隨機性無法考慮結構在進入塑性時特性的改變，從而導致內力重新分布，且反應譜方法所設結構所有支座的震動完全相同[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行分析，根據(jù)剛度、質量與邊界條件存在近似原則對模型進行些許簡化。在建立橋梁的三維空間結構中，其結構的動力特性表現(xiàn)出X、Y、Z三個方向的強烈的相互關系，基于MidasCivil建立的模型，節(jié)點總數(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)剛構橋模型3反應譜結果分析3.1反應譜振型分析在Midas中所得到橋梁反應譜分析結果可以得出橋梁許多的動力特性值，而取決結構動力特性的重要因素是結構自身的剛度質量和本構特性，其余的結構動力特性，振型形狀、特征向量值、參與質量、周期和特定頻率也是橋梁動力特性值的重要因素。對于結構不同的橋梁來說，是需要重新分析橋梁自身動力特性。橋梁的振幅有大有小，如果在是大振幅的結構中，是沒有固定的頻率和模態(tài)，原因是在大振幅結構在自振過程中，所有的結構體系的剛度都是每時每刻在變化，倘若想使結構所受到的地震更加明顯，就將地震周期與結構周期的頻率調整的更加相近，但是，這對于橋梁的抗震受力是更加不利。所以在橋梁抗震設計中，都會盡可能將結構的自振周期和地震波頻率變得遠一些，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結構振型圖從上的結構振型圖可以看出結論此鋼結構分別在X方向的平動、在Y方向的平動以及橋空間的扭轉，也從表3-1中得出運用Ritz向量法所求出的是與三個平動地震輸入直接相關的前15階振型中的部分數(shù)值，其中X平動、Y平動、Z平動三個方向的振型參與質量分別為99.39%、95.41%、96.00%滿足規(guī)范中振型參與質量達到90%以上的要求?？梢詤⑴c后面的內力分析。表3-1結構自振特性（部分）振型編號振型頻率周期振型參與質量頻率周期X方向Y方向Z方向(rad/sec)(cycle/sec)(sec)質量總計質量總計質量總計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反應譜內力分析橋梁對地震的反應可以在反應譜的計算中得到分析結果，在考慮到橫在作用和地震效應作用的情況下，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。恒載中包括結構自重、預應力、混凝土的收縮徐變、二期恒載。選用了結構中的墩底、梁端、和跨中的控制截面內力分析表。從表3-2和表3-3中可以看出恒載中所貢獻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，橫橋向的地震動主要產生的是剪力Qy、扭矩Mx、彎矩Mz?？梢酝ㄟ^計算標準得出，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。因此該橋梁在此地震強度下是安全的。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號單元-7668.80-181.940748.570梁端77號單元-30003.005654.50-9190.40跨中70號單元-36829.00926.97012731.00表3-3E1地震作用下橋梁內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號單元1535.50843.2103860.60梁端77號單元1045.70102.7502394.20跨中70號單元584.76040.7201818.10橫橋向JTJ(RS)墩底2號單元0901.040133.4106944.9梁端77號單元0430.4603753.402347.8跨中70號單元0675.502664.105620.63.3荷載組合的內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力變化，橋梁在E1地震作用下，橋墩的內力響應值遠大于主梁的內力響應值，而各個控制截面的內力響應值在動力反應譜中都是合理范圍，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，所以加強對橋墩的抗震能力是需要特別關注的由于在橋墩交界面和主梁內力和位移中的響應都比較復雜且受力較大，我們在地震作用時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結論與展望橋梁安全的重要性不可否認，在橋梁的使用過程中，遭遇到地震我們需要提前預防，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橋的抗震分析后：1、在分析橋梁結構的特征值時，橋梁結構存在三種模態(tài)振型，即有兩個方向的平動變形是X和Y方向的以及整個橋梁機構的扭轉變形。2、對橋梁結構的響應譜和振型參與質量進行了模態(tài)振型分析，得到X、Y、Z這三個方向的橋梁結構振型參與質量均滿足規(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力變化在規(guī)范規(guī)定的范圍內。3、在荷載組合中，橋梁結構模型中存在較大的側彎概率是在主梁和橋墩的受力部分，變形明顯未產生較大變形，但仍滿足規(guī)范的要求。該橋梁在經過E1地震后，研究結果表明，該連續(xù)鋼構橋（30+50+30）m符合我國橋梁工程結構的抗震標準，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)性能設計。強度雖然是抗震能力衡量的一個重要指標，但是不能作為唯一的指標,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[1]王建森.淺析橋梁抗震設計.