梁桥抗震设计专题

抗震分析难点：1.规范关于分析计算方面的内容介绍较少。2.工程师对结构动力学分析相对陌生。3.边界非线性及材料非线性在静力分析中接触较少。4.抗震分析需要综合上述三点内容，短期学习很难掌握。,个人总结抗震设计的知识体系：一个理念、两种方法、四个工具、三项注意,目录,一、延性设计理念二、反应谱分析方法（M-phi曲线、Pushover）三、时程分析方法（选波工具、纤维/骨架模型）四、抗震分析的三点注意事项1.非线性边界的模拟。2.桩基础的模拟。3.Mander本构定义约束混凝土。,1972年12月23日首都马那瓜发生罕遇强烈地震至少0.35g，5000多人死亡，市区1万多栋楼房夷为平地，而马那瓜当时最高的建筑美洲银行虽位于震中，昂然不倒，楼立墟群。,延性抗震-成功典范,1.延性设计思路,第一道防线：将连梁中部开孔，结构遭遇地震作用时，在连梁开洞处开裂屈服，形成塑性铰，可以耗散能量；第二道防线：连梁破坏后，各分体系（L形柔性筒）作为独立抗震单元，整体结构变柔，自振周期变长，地震动力反应大大减小。,延性设计：桥梁体系中设置延性构件，桥梁在E2地震作用，延性构件进入塑性状态进行耗能，同时可以减小结构刚度，增大结构周期，达到减小地震动响应的目的。,何为延性设计？,2.规范中如何体现延性设计,规范流程图参照：抗震细则23页,桥墩-弯曲破坏,桥墩-剪切破坏,日本福岛地震,1.反应谱分析的原理-振型叠加法,总结：（1）反应谱分析实际上是一种拟动力分析方法。将结构在动力荷载下的复杂响应情况，分解为各阶振型独立的分项响应情况。（2）地震效应通过设计规范提供的综合考虑各项因素制定的设计反应谱体现。,根据上述总结反应谱分析会涉及到三方面内容：（1）结构各阶振型的含义和求法。（2）计算各振型反应谱下结构响应。（3）将各振型结果进行组合。,2.结构各振型的含义及计算方法,2.1振型参与系数,2.2振型参与质量,2.3实例分析,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、lanczos）。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。,3.Civil程序计算振型的三种方法,3.1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（一般连接一般连接特性,注意：1.静力或者反应谱计算程序采用线性特性值。2.动力时程分析，程序采用非线性特性值。,通过边界条件一般连接一般连接特性,（单位：kNm）,注意：1.弹性刚度为规范计算出的k值。2.屈服强度为规范算出的Fmax值。3.r值表示屈服后刚度与弹性刚度的比值，对于规范推荐的恢复力模型，取较小值。4.S表示弹性进入塑性的状态，按规范推荐此处输入较大值。,1.3固定支座（抗震盆式支座）及单向滑动支座的处理方式,(1)一般固定支座（单向或者双向），固定方向上对主梁的位移能够有效的约束，故考虑其刚度取较大刚度值，比如10e7。(2)对于盆式支座竖向刚度相对较大，可取较大刚度，比如10e7.(3)抗震盆式支座本身并不具备耗能效果，进起到限制地震作用下主梁位移的作用，因此处理方法同普通的固定支座，取三个方向的刚度为较大值。,减隔振支座2.1铅芯橡胶支座,K1弹性刚度K2屈服刚度KE等效刚度Qy屈服强度,实际滞回曲线,等价线性化模型,K1弹性刚度：屈服前刚度K2屈服刚度：屈服后刚度,KE等效刚度：水平等效刚度Qy屈服强度：铅心屈服力,注意：1.自重和使用质量仅体现支座本身的重力效应，及计算动力问题的质量。2.非线性直接积分法，有效阻尼无需输入，程序仅调用非线性特性值中输入的信息。,2.2高阻尼隔振橡胶支座,2.2高阻尼隔振橡胶支座,注意：1.高阻尼相对铅芯橡胶支座，仅输入参数发生变化。对于程序采用同样方法处理。2.高阻尼中给出了竖向压缩刚度，便于我们输入竖向刚度。（10e6左右的单位）,3摩擦摆减隔振支座,力学模型,恢复力模型,注意：1.右图并不是滞回曲线，表示摩擦系数与加载速度的关系。2.z值表示恢复力模型内部滞回变量。凡应力摩擦力与变形之间的关系：F=-PZ,设计人员选取参数面临问题：1.厂家规格表中提供的参数相对较少。2.理论公式中刚度k值的取法。,厂家规格表,厂家规格表,一般厂家会提供各规格支座实验数值（右图为桥梁减震、隔振支座和装置p180页插图）通过实验数据可确定快时及慢时摩擦系数，以及速度变化参数r：一般在0.01-0.06之间，根据产品实验曲线比较容易确定。本例取0.04/0.03r一般取20sec/m这个数量级，本例取22,（3）滑动前刚度取值,注意：W取计算轴力还是取支座的承载力结果会不同.取支座承载力便于操作，如支座承载力与计算反力相当，对计算结果影响不大。,的模拟,1.承台底6个自由度的弹簧刚度模拟桩基础,注意：1.静力计算与动力计算采用的m值应不同。2.各刚度计算方法参加基础规范附录，但建议采用下部计算软件计算。,的模拟,2.等代土弹簧模拟桩基础,的模拟,注意：1.m的取值应取静土的（2-3倍）2.计算宽度的取值应根据基础规范附录方法计算。3.刚度值与各层土中心到地面距离成比例。切勿忘记考虑此项。,谢谢！,Email：zhufengQQ:438043814,1.计算冲击系数基频的求法:,问题:结构的基频只有一个值。但结构的震动方向可以是六个方向。规范中提到的基频是广义理解的基频吗？,个人看法：规范中所指的基频是指竖向振动的“基频”。,振型结果中竖向“基频”的查看方法：程序计算出的模态排列顺序是根据频率从大到小的顺序排列的，结合基频的含义（频率最小的模态），不难得出如下查看方法：首先查看第一次出现竖向主导的振动（振型方向因子），然后查看对应模态的频率。,注意：1.振型方向因子是反映各振型每个方向参与振动的比例（6个方向之和为100%）。2.通过振型方向因子可以直观的查看各振型的主要振动方向。,2.瑞利阻尼的计算方法,结论：1.计算瑞利阻尼需要两个振型的周期（频率）。2.应选择结构基频的周期，以及一个高阶振型的周期。3.如已计算出振型参与质量90%的各振型，是否可以取最后一个振型的周期作为计算瑞利阻尼的第二个振型？,谢谢！,Email：zhufengQQ:438043814,截面选取：数据库用户界面。注意：1.反应谱可以用荷载组合将地震作用和恒载组合。2.时程分析是通过接续前次的方式考虑恒载作用的。3.边界和材料非线性不能用振型叠加法。4.分析步长。分析时间的十分之一。5.加载顺序：产看结果是只需产看地震工况就包含了恒载的效应了。6.阻尼的计算方法：规范推荐瑞利阻尼。振型1和振型2.取两个计算方向上的主振型。,时程分析：,开始学习时程分析塑性铰定义，可以多定义不能少定义。这个与反应谱说的不一直。结合动力平衡方程说明。,1.质量转换成质量（结构类型，质量荷载转换质量）,2。计算各阶振型求振型的目的是计算阻尼？多重ritz向量可能忽略荷载向量中没有设计的振型。所以反应谱分析中有优势。特征值向量必须设置较多的振型数量。保证质量参与质量足够。,3.动力弹塑性本构的定义（1）钢筋上双折线本构（如果延性变形比较多大，可以采用三折线本构）。（2）混凝土本构mander本构（抗震细则哪里？）mander支持圆形和矩形截面的本构。Kentparck只支持圆形。注意：选择抗震规范，钢筋的箍筋才是双向的,4.定义纤维本构,4.定义非弹性铰特性值,铰的数量最多可提供20个，一般大于5效果不明显。为何只有fx？,可多赋值不能少赋值。,5.动力弹塑性分析,非线性时程分析，同时考虑边界非线性和材料非线性，必须采用直接积分发。,分析时间：分析步长：十分之一特征周期，地震波的间隔时间。最终分析可以调小些。输出时间步骤：分析步骤细分。加载顺序：是否考虑接续前次恒载：恒载非线性静力法：时变静力荷载。非线性边界只能选择时变静力荷载工况。累加位移：采用默认值（时变）保持最终的荷载步骤：采用默认值（时变）如果不是时变静力荷载，两项不允许选择。如果不勾选，值累加效应不累加变形。,阻尼：规范建议瑞利阻尼。及刚度因子。程序提供方式：振型阻尼：每个振型的阻尼比。质量和刚度因子：瑞利阻尼。应变能阻尼：用能量方法计算阻尼。必须进行特征值分析单元质量和刚度因子：单元瑞利阻尼。得到结构的总体阻尼矩阵。计算比较耗时。如果勾选更新阻尼矩阵，则程序自动根据刚度变化更新阻尼矩阵，耗时更长。常加速度法：无条件稳定的方法。,纤维模型只能用在动力弹塑性分析，不能用在静力弹塑性分析，静力弹塑性只能用骨架。,地面加速度：定义地震，各支承位置同时采用地面加速度。节点动力荷载：做检测，体现不同节点位置荷载到达的时间点。时变静力荷载：把动力荷载转化为动力荷载。多支座激励：只能用于线性时程，将个工况叠加。考虑大跨径的行波效应，及桥梁跨越不同地震区域时。线性时程的适用范围？地面加速度一次只能施加一个地震波？多支座可以一次施加多条地震波。彭泽友例题为何横梁位置有附加干系单元？,地面加速度解释：地震效应来了之后，地震从结构底部往上传。计算结果基地加速度是0.因为程序采用的相对加速度。支座相对地面的加速度。多支座激励程序采用绝对加速度。,时程产看结果：直接查看内力应力等，为所有时间点的最大最小值及包落值。时程分析产看结果：随时间内力及应力的变化，解释加速度为相对加速度的方式。（注意选择dx等单向）查看纤维计算结果：,查看转角：Civil结果查看的是曲率不是转角。规范里的曲率查看方式：,为何选择位置2.曲率跟位置有关系吗?,如上可以得到单元的曲率范围，视频中说与规范的要求做比较，布置如何比较?,P-d分析只能进行线性的分析，所以程序会提示边界取线性部分。,骨架型动力弹塑性分析,1.转化质量（自重，荷载）,2.特征值分析,3.定义非弹性较。无需定义混凝土和钢筋的本构。,3.定义非弹性较。无需定义混凝土和钢筋的本构。,集中叫和分布较铰。分布铰比集中铰更精确。作用类型：无：下面的fxmymz都是独立的。强度PM：pm的相关性？推荐这个。状态PMM:空间的相关性。只能选择随动强化本构模型。会高估混凝土的延性耗能能力。,可以结合两部分内容：老规范钢筋混凝土设计，得到曲线。可以用m-phi曲线得到屈服曲率和极限曲率,为何选不了武田模型？,5.产看结果：纤维没有考虑混凝土的粘滞效应。与骨架模型的计算结果不同。,截面选取：数据库用户界面。7.输入地震波应同时输入三个方向。,非弹性铰特征值定义：1.骨架和纤维：纤维模型，把截面划分成n个单元。各单元定义相应的材料本构，考虑平截面假定，考虑截面的受力反应。骨架滞回模型：程序根据学者的研究理论自动考虑非弹性较的特性。区别：大损伤用骨架曲线，小损伤用纤维。纤维模型不考虑钢筋和混凝土的相对滑移。2.定义弹塑性材料：钢筋采用双折线。混凝土采用mander本构。Mander本构：双向应力状态混凝土的强度有提升。而且由于箍筋的作用，混凝土的延性得到大幅提升。3.Mander本构基于美国的act规范提出的。故应将圆柱体抗压强度调整为国内的立方体强度（0.85）,非弹性铰特征值定义：4.纤维分割：选择对象和设定区域要选择选择两次，变成红色表示选择成功。材料类型要注意选择对应的类型：约束混凝土或无约束混凝土。5.定义非弹性铰特征值的时候。纤维模型是不需要定义mymz的。在纤维分割的时候已经考虑了。程序自动计算屈服弯矩。但自动计算结果是没有轴力时候的结果。那么纤维模型中的如何考虑轴力对弯矩的影响呢？6.查看结果的时候推荐图形方法。,非弹性铰特征值定义骨架曲线：1.混凝土结构做滞回模型的：武田，克拉夫，刚度退化三折线。2.骨架曲线根据结构的钢筋很混凝土的情况自动计算。3.钢筋骨架模型的刚度折减率程序默认的0.50.1。但不同的结构是不一样的。有的算法，用纤维数据反推刚度折减率，在非弹性较特征值的结果里修正刚度折减率，最终两种结果应相当。,刚度折减是对整个桥墩的折减？，程序中如何体现的？分配特性铰吗？反应谱中通过m-phi手动调整的。桥墩变截面：程序目前不支持变截面桥墩的验算。变截面验算规范没有现成的计算长度的依据，所以程序不支持此类桥墩。铁路桥墩刚度较大,列车荷载比公路大，横桥向地震作用需要考虑50%活载引起的地震的相应。不用pushover求解屈服玩具或者屈服曲率，而是用mpih或者纤维模型球屈服弯矩和屈服曲率。桥墩E2弹性状态下的抗剪桥梁08细则及城市桥梁抗震规范没有给出标准。混凝土柱的斜截面抗剪可以参考建筑上的混凝土规范。可能是由于桥墩的柱子比较粗。这个和细则里的抗剪验算怎么理解？,1.Pushover的分析目的,2.Pushover的分析方法,3.Pushover的总体思路,为了得到双柱墩的横向允许位移需要做两项分析：（1）通过迭代计算得到墩顶地处于塑性屈服状态（考虑安全系数2）时的轴力。（2）通过pushover分析得到屈服状态墩顶的横向位移,（1）建立双柱墩和盖梁的计算模型，边界条件按实际情况考虑。（2）荷载工况,4.迭代计算的详细过程,自重和上部结构的目的是考虑实际墩的受力情况。迭代计算的目的是得到屈服状态的轴力。水平力为下一步pushover分析做准备。,（3）求恒载轴力：进行上部结构和自重的荷载组合，运行程序查看反力组合结果。,（4）通过mphi曲线查看初次迭代的理想屈服弯矩。,M-hpi曲线的定义方法见本篇相关内容。,（5）计算初次迭代盖梁之心水平力。并修改模型迭代水平力。,（6）建立新的荷载组合（包含自重、上部荷载、迭代水平力），运行程序，查看组合结果。,（7）查看M-phi对应理想屈服弯矩,(8)计算下次迭代水平力。修改模型中的迭代水平力。以此类推，反复迭代直至满足要求。,（1）主控数据,4.pushover的详细过程,Pushover分析的大体思路：“Pushover”程序考虑初始荷载的情况下，根据设定的推倒方式（本例为横向水平力），逐级加载，最终达到预期的位移或者内力状态的全过程。程序可以输出每次加载的结果。,（2）定义pushover荷载工况,计算步骤数：决定了0.05m等分步长。位移控制：pushover的分析目的主控点：pushover的关注位置。方向：直至62节点X方向位移达到0.05m为止。荷载模式：按指定荷载工况加载（推倒）。,（3）定义铰特征值（由于左右墩的轴力不同应分别定义）,定义：塑性铰的类型，交互状态：轴力及两个方向上的弯矩之间是否相关。本模型认为设定三折线的特性，故选择无。组成成分：根据上面设定的内容，设定塑性铰的力学模型。,（4）定义塑性铰特性的三折线参数,（5）根据M-phi结果换算极限曲率,0.014/2=0.007,（6）查看表结果变形，寻找最先屈服步骤,表格查看可以快捷的找到墩顶底对应位置屈服（考虑安全系数）时对应的pushover步骤。,（7）查看pushover的位移结果，选择相应步骤查看允许位移,四、对比08细则与11城市抗规,1、关于桥梁抗震设防分类1）08细则规定桥梁抗震设防类别A、B、C、D；2）11城市抗规规定桥梁抗震设防类别甲、乙、丙、丁；2、对于特殊桥梁的划分1）08细则规定特殊桥梁主要是斜拉桥、悬索