MIDASCivil桥梁抗震设计交流课件

Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.目录目录n 桥梁为什么要做抗震设计？桥梁为什么要做抗震设计？n 结构动力学概念结构动力学概念 n n 振型分析振型分析振型分析振型分析n n 反应谱分析反应谱分析反应谱分析反应谱分析n n 时程分析时程分析时程分析时程分析n n 静力弹塑性分析静力弹塑性分析静力弹塑性分析静力弹塑性分析n n 动力弹塑性分析动力弹塑性分析动力弹塑性分析动力弹塑性分析目录 桥梁为什么要做抗震设计？Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.新旧规范比较新旧规范比较n现行公路工程抗震设计规范（现行公路工程抗震设计规范（JTJ 004-89）已经很落后）已经很落后 单一水准强度抗震设计单一水准强度抗震设计 地震作用强度地震作用强度烈度烈度 地震力方面地震力方面n新规范的发展方向新规范的发展方向 抗震设防标准抗震设防标准多水准、多设防目标、多阶段多水准、多设防目标、多阶段 地震作用强度地震作用强度地震动参数地震动参数 延性和位移设计延性和位移设计非弹性反应谱和时程分析法非弹性反应谱和时程分析法 合理的抗震构造合理的抗震构造 桥梁结构基础抗震设计桥梁结构基础抗震设计 新旧规范比较现行公路工程抗震设计规范（JTJ 004-8Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.城市桥梁抗震设计规范城市桥梁抗震设计规范1998年开始年开始编制，编制，2001年形成初稿年形成初稿公路工程抗震设计规范公路工程抗震设计规范1999年开始年开始修订，修订，2004年年形成初稿形成初稿 新规范进展新规范进展铁路工程抗震设计规范2006-12-01实施公路桥梁抗震设计规范城市桥梁抗震设计规范1998 年开始编制，2001 年形成初稿 Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.铁路新规范的特征铁路新规范的特征 新规范规定了按新规范规定了按新规范规定了按新规范规定了按“地震动峰值加速度地震动峰值加速度地震动峰值加速度地震动峰值加速度”和和和和“地震动反应谱地震动反应谱地震动反应谱地震动反应谱特征周期特征周期特征周期特征周期”进行抗震设计的要求，明确了铁路构筑物应达进行抗震设计的要求，明确了铁路构筑物应达进行抗震设计的要求，明确了铁路构筑物应达进行抗震设计的要求，明确了铁路构筑物应达到的抗震性能标准、设防目标及分析方法，增加了钢筋混到的抗震性能标准、设防目标及分析方法，增加了钢筋混到的抗震性能标准、设防目标及分析方法，增加了钢筋混到的抗震性能标准、设防目标及分析方法，增加了钢筋混凝土桥墩进行延性设计的要求及计算方法。凝土桥墩进行延性设计的要求及计算方法。凝土桥墩进行延性设计的要求及计算方法。凝土桥墩进行延性设计的要求及计算方法。总则强条总则强条 总则总则总则总则1.0.51.0.51.0.51.0.5条：铁路工程应按多遇地震、设计地震、罕遇条：铁路工程应按多遇地震、设计地震、罕遇条：铁路工程应按多遇地震、设计地震、罕遇条：铁路工程应按多遇地震、设计地震、罕遇地震三个地震动水准进行抗震设计。地震三个地震动水准进行抗震设计。地震三个地震动水准进行抗震设计。地震三个地震动水准进行抗震设计。铁路新规范强条铁路新规范强条铁路新规范的特征 铁路新规范强条Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.抗震设计基本要求：抗震设计基本要求：抗震设计基本要求：抗震设计基本要求：3.0.13.0.1条：按本规范进行抗震设计的铁路工程，应达条：按本规范进行抗震设计的铁路工程，应达到的抗震性能要求如下：到的抗震性能要求如下：性能要求性能要求：地震后不损坏或轻微损坏，能够保持：地震后不损坏或轻微损坏，能够保持其正常使用功能；结构处于弹性工作阶段；其正常使用功能；结构处于弹性工作阶段；性能要求性能要求：地震后可能损坏，经修补，短期内能：地震后可能损坏，经修补，短期内能恢复其正常使用功能；结构整体处于非弹性工作阶恢复其正常使用功能；结构整体处于非弹性工作阶段；段；性能要求性能要求：地震后可能产生较大破坏，但不出现：地震后可能产生较大破坏，但不出现整体倒塌，经抢修后可限速通车；结构处于弹塑性整体倒塌，经抢修后可限速通车；结构处于弹塑性工作阶段。工作阶段。铁路新规范强条铁路新规范强条抗震设计基本要求：铁路新规范强条Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.铁路新规范强条铁路新规范强条地震动水准地震动水准多遇地震多遇地震设计地震设计地震罕遇地震罕遇地震构筑物构筑物桥梁桥梁桥台、上下部连接桥台、上下部连接采用采用RC桥墩的桥梁桥墩的桥梁抗震设防目标抗震设防目标达到抗震性能要求达到抗震性能要求达到抗震性能要求达到抗震性能要求达到抗震性能要求达到抗震性能要求分析方法分析方法一般桥梁：采用反应谱法一般桥梁：采用反应谱法重要桥梁及新结构桥梁：重要桥梁及新结构桥梁：采用反应谱法及时程采用反应谱法及时程分析法分析法静力弹塑性分析静力弹塑性分析钢筋混凝土桥墩采用延钢筋混凝土桥墩采用延性设计简化方法；性设计简化方法；重要桥梁及新结构桥梁：重要桥梁及新结构桥梁：采用非线性时程分采用非线性时程分析方法析方法表表3.0.3 铁路工程构筑物抗震设防目标及分析方法铁路工程构筑物抗震设防目标及分析方法 铁路新规范强条地震动水准多遇地震设计地震罕遇地震构筑物桥梁Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.公路新规范（公路新规范（征求意见稿征求意见稿）A类桥梁是指主跨径超过类桥梁是指主跨径超过150m的特大桥（不含引桥）；的特大桥（不含引桥）；B类桥梁是指高速公路和一级公路上的除类桥梁是指高速公路和一级公路上的除A类以外的桥梁及二级公路上的大桥、类以外的桥梁及二级公路上的大桥、特大桥等；特大桥等；C类桥梁是指除类桥梁是指除A、B、D类以外的公路桥梁；类以外的公路桥梁；D类桥梁是指位于三、四级公路上的中桥、小桥。类桥梁是指位于三、四级公路上的中桥、小桥。地震基本烈度地震基本烈度桥梁分类桥梁分类67890.050.10.150.20.30.4A899更高，专门研究更高，专门研究B78899=9C677889D677889表表3.1.2-1 各类公路桥梁抗震措施等级各类公路桥梁抗震措施等级公路新规范（征求意见稿）A类桥梁是指主跨径超过150m的特大Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.桥梁抗震设防标准桥梁抗震设防标准抗震设防烈度为抗震设防烈度为6度及以上地区的公路桥梁，须进行抗震设计：度及以上地区的公路桥梁，须进行抗震设计：n A类桥梁只须进行地震影响类桥梁只须进行地震影响E2作用下的抗震设计；作用下的抗震设计；n D类桥梁只须进行地震影响类桥梁只须进行地震影响E1作用下的抗震设计；作用下的抗震设计；n B、C类桥梁须进行地震影响类桥梁须进行地震影响E1和和E2作用下的抗震设计；作用下的抗震设计；n 多遇地震烈度（地震影响多遇地震烈度（地震影响E1）：）：50年内超越概率为年内超越概率为63%的地震烈度的地震烈度(=I-1.55)n 设计地震烈度（地震影响设计地震烈度（地震影响E2）：50年内超越概率为年内超越概率为10%的地震烈度的地震烈度(=I)n 罕遇地震烈度：罕遇地震烈度：50年内超越概率为年内超越概率为23%的地震烈度的地震烈度(=I+1)桥梁抗震设防标准抗震设防烈度为6度及以上地区的公路桥梁，须进Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.地震作用地震作用n 直线桥可分别考虑顺桥向和横桥向的地震作用。直线桥可分别考虑顺桥向和横桥向的地震作用。n 曲线桥应分别沿相邻桥墩连线方向和垂直于连线水平方向进行多方曲线桥应分别沿相邻桥墩连线方向和垂直于连线水平方向进行多方向地震输入，以确定最不利地震水平输入方向。向地震输入，以确定最不利地震水平输入方向。n 设防烈度为设防烈度为8度和度和9度时的拱式结构、长悬臂桥梁结构和大跨度结构度时的拱式结构、长悬臂桥梁结构和大跨度结构，应同时考虑竖向地震作用。，应同时考虑竖向地震作用。n 地震作用分量组合。地震作用分量组合。n 地震作用可以用设计加速度反应谱、设计地震动时程和设计地震动地震作用可以用设计加速度反应谱、设计地震动时程和设计地震动功率谱表达。功率谱表达。地震作用 直线桥可分别考虑顺桥向和横桥向的地震作用。Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.常规桥梁抗震计算常规桥梁抗震计算n 规则性桥梁，单振型反应谱法和多振型反应谱法规则性桥梁，单振型反应谱法和多振型反应谱法常规桥梁抗震计算 规则性桥梁，单振型反应谱法和多振型反应谱Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.桥梁动力分析模型桥梁动力分析模型公路桥梁抗震设计规范（公路桥梁抗震设计规范（征求意见稿征求意见稿）7.37.3节：节：n 反映质量、阻尼、刚度的分布与性质反映质量、阻尼、刚度的分布与性质 梁、墩柱（空间杆系单元）、支座（连接单元）梁、墩柱（空间杆系单元）、支座（连接单元）一致质量矩阵和集中质量矩阵一致质量矩阵和集中质量矩阵 桥梁动力分析模型公路桥梁抗震设计规范（征求意见稿）7.3节：Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.桥梁动力分析模型桥梁动力分析模型 瑞利阻尼、应变能比例阻尼（组阻尼比）瑞利阻尼、应变能比例阻尼（组阻尼比）后继结构和边界条件的影响后继结构和边界条件的影响桥梁动力分析模型 瑞利阻尼、应变能比例阻尼（组阻尼Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.桥梁动力分析模型桥梁动力分析模型公路桥梁抗震设计规范（公路桥梁抗震设计规范（征求意见稿征求意见稿）7.37.3节：节：n小震与中震下采用的模型小震与中震下采用的模型 小震应采用总体空间模型，包括所有桥梁结构及其连接方小震应采用总体空间模型，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，确定结构的空间耦联地震反式，通过对总体空间模型的分析，确定结构的空间耦联地震反应特性和最不利输入方向应特性和最不利输入方向 中震可采用局部空间模型，应根据总体模型的计算结果，中震可采用局部空间模型，应根据总体模型的计算结果，取出部分桥梁结构进行计算，局部模型应考虑后继结构和边界取出部分桥梁结构进行计算，局部模型应考虑后继结构和边界条件的影响条件的影响桥梁动力分析模型公路桥梁抗震设计规范（征求意见稿）7.3节：Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.桥梁动力分析模型桥梁动力分析模型n地震作用方向地震作用方向 直桥，曲线桥，设计地直桥，曲线桥，设计地震烈度震烈度8 8度及以上的拱桥度及以上的拱桥、大跨度结构、大跨度结构n非线性时程分析时采非线性时程分析时采用的单元特性（支座连用的单元特性（支座连接、墩柱）接、墩柱）桥梁动力分析模型地震作用方向Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.桥梁支座的非线性模拟桥梁支座的非线性模拟 桥梁支座的非线性模拟 Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.桥墩塑性的模拟桥墩塑性的模拟桥墩塑性的模拟Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.桥梁抗震设计桥梁抗震设计为了实现两级抗震设防原则，桥梁抗震设计流程：为了实现两级抗震设防原则，桥梁抗震设计流程：n 确定地震中预期的延性构件和能力保护构件，选择地震中延性构件确定地震中预期的延性构件和能力保护构件，选择地震中延性构件潜在的塑性铰位置；潜在的塑性铰位置；n 进行多遇地震、设计烈度地震作用下结构地震反应分析。多遇地震进行多遇地震、设计烈度地震作用下结构地震反应分析。多遇地震作用下的地震反应分析可采用反应谱方法，而设计烈度地震作用下作用下的地震反应分析可采用反应谱方法，而设计烈度地震作用下的地震反应分析可采用时程分析方法；的地震反应分析可采用时程分析方法；n 进行多遇地震作用下墩柱强度检算；设计烈度地震作用下桥梁上部进行多遇地震作用下墩柱强度检算；设计烈度地震作用下桥梁上部结构和下部结构的连接构件检算；结构和下部结构的连接构件检算；n 根据能力保护原则进行能力保护构件设计，以确保在地震作用下能根据能力保护原则进行能力保护构件设计，以确保在地震作用下能力保护构件处于弹性范围内；力保护构件处于弹性范围内；n 抗震构造细部设计。抗震构造细部设计。桥梁抗震设计为了实现两级抗震设防原则，桥梁抗震设计流程：Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.动力动力平衡方程平衡方程惯性力惯性力阻尼力阻尼力 弹性力弹性力 动力平衡方程惯性力阻尼力 弹性力 Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.弹性力弹性力非线性结构系统非线性结构系统 非线性非线性线性线性加载加载 卸载卸载 再加载再加载弹性力弹性力 弹性力非线性结构系统 非线性线性加载 卸载 再加载Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.阻尼力阻尼力 Aluminum Plexiglass阻尼是随着时间将振动减弱或停止的能量扩散阻尼是随着时间将振动减弱或停止的能量扩散 阻尼力阻尼力粘滞阻尼粘滞阻尼阻尼力 Aluminum Plexiglass阻尼是随着时间Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.非衰减自由振动非衰减自由振动 非衰减自由振动Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.减幅自由振动减幅自由振动临界阻尼？减幅自由振动临界阻尼？Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.牛顿第二定律牛顿第二定律惯性力惯性力 惯性力惯性力静止静止/匀速运动匀速运动加速度运动加速度运动达朗贝尔原理达朗贝尔原理 (D Alemberts Principle)牛顿第二定律惯性力 惯性力静止/匀速运动加速度运动达朗贝尔原Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.动力平衡方程的解法动力平衡方程的解法1 1、经典解法、经典解法 二阶线性微分方程二阶线性微分方程2 2、杜哈梅积分、杜哈梅积分 将外荷载视为由时间间隔非常短的冲击荷载组成的将外荷载视为由时间间隔非常短的冲击荷载组成的结构反应为对各冲击荷载反应之和结构反应为对各冲击荷载反应之和Response to impulse 1Response to impulse 2Response to impulse Total Response动力平衡方程的解法1、经典解法 二阶线性微分Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.3 3、数值方法、数值方法 动力平衡方程的解法动力平衡方程的解法可适用于线性和非线性领域可适用于线性和非线性领域中心差分法中心差分法、常加速度法、线性加速度法、常加速度法、线性加速度法 Newmark-法法、Wilson-法法 不同参数对应的逐步积分法不同参数对应的逐步积分法 3、数值方法 动力平Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.特征值问题特征值问题当没有外荷载和阻尼时，当没有外荷载和阻尼时，n个自由度体系的运动方程个自由度体系的运动方程 特征值问题特征值问题 :固有圆频率固有圆频率模态向量模态向量特征值问题当没有外荷载和阻尼时，n个自由度体系的运动方程 Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.振型分析的原理振型分析的原理n个自由度体系的个自由度体系的n个自振频率和模态向量个自振频率和模态向量:各特征向量之间满足正交条件各特征向量之间满足正交条件 利用模态向量的正交性，可生成对角质量矩阵和刚度矩阵利用模态向量的正交性，可生成对角质量矩阵和刚度矩阵 将结构体系的动力方程分解为独立的将结构体系的动力方程分解为独立的n个单自由度体系个单自由度体系振型分析的原理n个自由度体系的n个自振频率和模态向量:Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.振型分析振型分析振型分析Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.结构的阻尼结构的阻尼n 振型阻尼振型阻尼 直接输入各振型阻尼的方法直接输入各振型阻尼的方法 n RayleighRayleigh 阻尼阻尼阻尼阻尼 质量和刚度因子法质量和刚度因子法 n 应变能因子法应变能因子法 非典型的阻尼，无法分离各模态。为了反映各单元不同的阻非典型的阻尼，无法分离各模态。为了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。尼特性，使用变形能量的概念来计算各模态的阻尼比。结构的阻尼 振型阻尼Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.反应谱反应谱反应谱是单自由度弹性体系在给定的地震作反应谱是单自由度弹性体系在给定的地震作用下，某个最大反应量（位移、速度、加速用下，某个最大反应量（位移、速度、加速度）与体系自振周期的关系曲线。度）与体系自振周期的关系曲线。位移谱位移谱拟速度谱拟速度谱拟加速度谱拟加速度谱反应谱反应谱是单自由度弹性体系在给定的地震作用下，某个最大反Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.反应谱反应谱 由同一场地上所得到的地面运动加速度记录分别计算出它由同一场地上所得到的地面运动加速度记录分别计算出它们的反应谱曲线，进行统计分析，求出的谱曲线为抗震设们的反应谱曲线，进行统计分析，求出的谱曲线为抗震设计反应谱。计反应谱。公路工程抗震设计规范（公路工程抗震设计规范（JTJ 004-JTJ 004-8989）中给出动力放大系数）中给出动力放大系数 谱谱 建筑抗震设计规范（建筑抗震设计规范（GB 50011-2001）中给出水平地震影响系数）中给出水平地震影响系数 谱谱 公路桥梁抗震设计规范（征求意见稿）中给出的设计加速公路桥梁抗震设计规范（征求意见稿）中给出的设计加速度反应谱度反应谱反应谱 由同一场地上所得到的地面运动加速度记录分别计算出它们Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.振型分解反应谱法分析流程振型分解反应谱法分析流程 n 进行特征值分析，计算结构的固有周期，分析的固有周期数量要够进行特征值分析，计算结构的固有周期，分析的固有周期数量要够，才能保证叠加后的分析结果有足够的精度，才能保证叠加后的分析结果有足够的精度n 计算各振型的阻尼计算各振型的阻尼n 由计算得到的振型的周期、阻尼在规范设计反应谱中查找对应的地由计算得到的振型的周期、阻尼在规范设计反应谱中查找对应的地震影响系数震影响系数(各振型的地震影响系数各振型的地震影响系数)n 利用振型地震影响系数、节点等效质量计算各振型在各质点的引起利用振型地震影响系数、节点等效质量计算各振型在各质点的引起的惯性力的惯性力n 利用公式利用公式K*u=F(惯性力惯性力)，计算各质点在各振型惯性力作用下的，计算各质点在各振型惯性力作用下的位移，以及其它响应位移，以及其它响应(内力、应力等内力、应力等)n 选择振型组合方法选择振型组合方法(SRSS、CQC、ABS)，获得最后的结果，获得最后的结果振型分解反应谱法分析流程 Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.振型分解反应谱法振型分解反应谱法振型分解反应谱法Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.振型组合方法振型组合方法n 完整二次项组合法（完整二次项组合法（CQC法）法）CQC法用于振型密集型结构，如考虑平移法用于振型密集型结构，如考虑平移扭转耦连振动的线性结构系统。扭转耦连振动的线性结构系统。n 平方和开方法（平方和开方法（SRSS法）法）在在CQC法中，自振频率相隔越远，值越小，当近似为零时法中，自振频率相隔越远，值越小，当近似为零时SRSS法用于主要振型的周期均不相近的场合，如串联多自由度体系。法用于主要振型的周期均不相近的场合，如串联多自由度体系。n ABS法法将各振型所产生的作用效应的绝对值求和，由于结构的各振型最大地震反应并将各振型所产生的作用效应的绝对值求和，由于结构的各振型最大地震反应并不发生在同一时刻，因此该计算结果过于保守。不发生在同一时刻，因此该计算结果过于保守。振型组合方法 完整二次项组合法（CQC法）Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.选取地震波选取地震波n 频谱特性频谱特性由特征周期反映，依据所处的场地类型和特征周期分区确定。由特征周期反映，依据所处的场地类型和特征周期分区确定。n 有效峰值有效峰值建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范时程分析所用地震加速度时程曲线的最大值时程分析所用地震加速度时程曲线的最大值(cm/s2)n 持续时间持续时间 一类指地震地面加速度值大于某值的时间总和。一类指地震地面加速度值大于某值的时间总和。一类以相对值定义相对持时，即最先与最后一个之间的时段长度。一类以相对值定义相对持时，即最先与最后一个之间的时段长度。地震影响地震影响6度度7度度8度度9度度多遇地震多遇地震1835(55)70(110)140罕遇地震罕遇地震-220(310)400(510)620选取地震波 频谱特性地震影响6度7度8度9度多遇地震183Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.选取地震波选取地震波选取地震波Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.时程分析时程分析 时程分析 Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.时程分析时程分析 时程分析 Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.静力弹塑性分析静力弹塑性分析 静力弹塑性分析Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.动力弹塑性分析动力弹塑性分析动力弹塑性分析Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.动力弹塑性分析动力弹塑性分析动力弹塑性分析Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co.,Ltd.桥梁抗震分析结果桥梁抗震分析结果谢谢 谢谢 光光 临临！谢 谢 光 临！