【基于Midas的桥梁抗震探析4900字（论文）】

基于Midas的桥梁抗震分析目录TOC\o"1-2"\h\u11087摘要 1294801引言 1325461.2桥梁抗震研究的必要性和意义 2306113研究内容 392932桥梁抗震模型和理论基础 3231452.1建模条件 3184092.2桥梁抗震分析主要理论基础 6168632.3有限元模型的建立和简化 6304153反应谱结果分析 7289223.1反应谱振型分析 7294943.2反应谱内力分析 8100413.3荷载组合的内力分析 9297624结论与展望 1018015参考文献 11摘要地震会导致地表破坏和桥梁受震从而引起对桥梁的破坏。虽然有些桥梁在强度上能够承受地震的振动力，但是在桥梁上部和下部之间的结构连接不牢固，整体结构安全性较差，经常容易造成桥梁上部和下部结构间产生相对内力变化，从而致使桥梁破坏。本文选取三跨连续型桥进行Midas分析，Midas具备强大的桥梁抗震分析，结合Midas的振型分析和反应谱理论的内力计算，来分析该三跨桥梁结构的可靠性。关键词：Midas、桥梁抗震、反应谱理论、振型分析1引言1.1国内外的桥梁抗震研究现状

中国有很多桥梁抗震的相关规范，比如在二十世纪九十年代发布的的《公路工程抗震设计规范》，和2008年发布的《公路桥梁抗震设计规范》等，该规范更是在2020进行了最新的更新。而在早期国内减震耗能技术在桥梁上的应用实例较少，江阴大桥是我国第一座采用抗震加固的桥梁，其主要目的是降低桥梁的纵向地震反应。而且，耗能装置的设计和制造的快速发展，根据我国进行一些桥梁技术的开发和应用。致使桥梁抗震技术有了很大发展，但由于桥梁结构的复杂性，无法直接使用一些先进技术。桥梁抗震研究也需要让长时间从事这一领域的学者和工程师进行大量的长时间的研究，终于，在他们在不懈的努力下，这些学者和工程师为我国桥梁抗震研究打开了一个新的局面，在06年时在重庆，建立了长江大桥复线桥是一座跨径长达330m的桥梁，建立到现在依旧是世界纪录保持者。至今还在加紧步伐，希望能够继续进一步细化桥梁抗震问题，认为一个合格的抗震技术应该具备实用性，经济性和快速修复性，即当被地震损坏的时候应该能快速修复，尽可能的不影响人民群众的出行方便等。我国在此基础上已经拥有采用耗能装置的桥梁超过两百座，拥有采用减隔震支座装置的桥梁超四百座[3-5]。在国外也有许多桥梁设计规范，例如美国发布的AASHTO指导性规范抗震设计，还有欧洲的桥梁抗震设计规范Eurocodes，在这些基础上，各个国家的专家提出的建议也是通过采用新技术的方式，在桥梁上安装阻尼器，比如粘滞阻尼器是一种与刚度、速度相关型的阻尼器，在美国洛杉矶的5号和91号高速公路连接桥、美国旧金山-奥克兰海湾大桥和英国设计的Millennium千禧桥等都安装上了[6]。身处地震带的东亚国家日本，由于地震频发，所以会更加注重桥梁抗震方面的效果，一般使用的减震装置是以高阻尼橡胶支座和铅芯橡胶支座为主，而高阻尼橡胶支座在美国有超过一千座桥梁上安装，而使用减震装置桥梁建筑在意大利也是不少于一百座，隔震耗能系统在俄罗斯目前已经超过了三百座桥梁安装了。在加拿大有一位名为C.E.Venture的教授就有一篇报告从多个角度阐述了桥梁结构地震检测和损坏情况检测的发展，在全球，到2016年采用了隔震与耗能系统，形状记忆合金装置等材料超过四十个国家三千座建筑。1.2桥梁抗震研究的必要性和意义桥梁在经济发展中起着越来越重要的作用，使难以越过的天堑变得通坦，但是桥梁作为我国的基础设施，投资巨大，却又容易管理不当，一旦遭受外力损毁，将会给国家和人民带来巨大的经济损失[7]。所以在桥梁的设计时，需要设计师将桥梁的抗震能力所考虑其中，在桥梁设计中考虑到防震设计使得桥梁在地震时保护桥梁的基础部位，降低地震对桥梁的毁坏程度，也防止局部地方发生巨大变形，良好的桥梁抗震性能可以减少桥梁在地震中的损失。我们要做好桥梁工程乃至整个建筑工程的抗震安全设计，以确保国家和人民的损失降到最低[8]。3研究内容本文通过Midas建立一个三跨刚构桥空间有限元模型，能够模拟桥梁刚度、质量、阻尼、边界对该模型在Midas中进行地震模拟，建立的桥梁模型作为依托桥梁。通过Midas里面的特征值分析方法中的Ritz向量法分析控制，再给入到反应谱中，反应谱是在一定的地震作用下，某个单自由度弹性体系最大反应量与体系自振周期的关系曲线。本文为了探索桥梁在地震时期的安全性，通过（30+50+30）m三跨连续刚构桥大桥为例，在桥梁工程应用实例精解和桥梁基本抗震理论的基础上，对该桥在地震作用下的整体动力性能进行了内力分析。利用反应谱模型对桥梁结构的抗震性能进行了分析，得到桥梁结构的全部动力特性，由此分析该桥在特定的条件下内力变化所展现的抗震能力。2桥梁抗震模型和理论基础2.1建模条件本文以Midas空间为基础建立桥梁模型，桥梁总体布置是（30+50+30）m的三跨连续钢构桥，主梁截面如图2-1所示，支座截面如图2-2所示，桥墩截面如图2-3所示，桥宽9.3m，墩高10m。该桥位于某7度区二级公路上水平向基本地震加速度值0.15g，且由于在二级公路上该桥为B类桥梁按照8度设防的规则桥梁。图2-1主梁截面图2-2支座截面图2-3桥墩截面梁单元扩展可以用来模拟主梁和桥墩，想要通过模拟有效桩土间的相互作用力可以选择使用节点的弹性约束，将梁墩之间用刚性连接。二期荷载作用于桥梁上部结构的将其更改为质量形式[9]。通过定义以下地震荷载所需各项参数：重要性修正系数：1.3、综合影响系数：0.43、基本烈度：8、最大周期：6秒、场地类别：Ⅱ。通过使用振型分解反应谱法进行桥梁结构设计抗震分析的计算，地震作用是在E1的条件下，即是在多遇地震类型中，前提是将以上的地震参数输入到反应谱中。输入以上的参数会得到在规范条件下，所得到的表2-1在的地型影响图。表2-1地震作用下影响系数曲线2.2桥梁抗震分析主要理论基础反应谱分析振型组合方法，是用来计算多自由度体系地震作用的一种方法。通过利用加速度设计反应谱和振型分解的原理分析单自由度体系的，来达到多自由度体系的地震作用效应，解出各阶振型对应的等效地震作用，然后通过一定的计算和组合原则来对各阶振型的地震作用效应组合，从而得到的[10]。其中有三种方法CQC法、SRSS法和线性法。其中线性法，也是反应谱法是一种拟静力法，不能体现持续时间这一要素，但是能同时考虑每个频段振动的振幅最大值和频谱两个主要要素，在众多的地震震害调查中，也有一些按照反应谱理论设计规则的桥梁，但是也在地震中遭受比较严重的破坏，这就说明了持续时间要素在设计中应该被考虑其中，也忽略了地震的随机性无法考虑结构在进入塑性时特性的改变，从而导致内力重新分布，且反应谱方法所设结构所有支座的震动完全相同[11-13]。2.3有限元模型的建立和简化将在MidasCivil中建立有限元模型进行分析，根据刚度、质量与边界条件存在近似原则对模型进行些许简化。在建立桥梁的三维空间结构中，其结构的动力特性表现出X、Y、Z三个方向的强烈的相互关系，基于MidasCivil建立的模型，节点总数为179，单元总数为178。桥梁模型如图2-4所示。图2-4三跨连续刚构桥模型3反应谱结果分析3.1反应谱振型分析在Midas中所得到桥梁反应谱分析结果可以得出桥梁许多的动力特性值，而取决结构动力特性的重要因素是结构自身的刚度质量和本构特性，其余的结构动力特性，振型形状、特征向量值、参与质量、周期和特定频率也是桥梁动力特性值的重要因素。对于结构不同的桥梁来说，是需要重新分析桥梁自身动力特性。桥梁的振幅有大有小，如果在是大振幅的结构中，是没有固定的频率和模态，原因是在大振幅结构在自振过程中，所有的结构体系的刚度都是每时每刻在变化，倘若想使结构所受到的地震更加明显，就将地震周期与结构周期的频率调整的更加相近，但是，这对于桥梁的抗震受力是更加不利。所以在桥梁抗震设计中，都会尽可能将结构的自振周期和地震波频率变得远一些，由此来提高桥梁的安全性。振型-1振型-2振型-3振型-4图3-1结构振型图从上的结构振型图可以看出结论此钢结构分别在X方向的平动、在Y方向的平动以及桥空间的扭转，也从表3-1中得出运用Ritz向量法所求出的是与三个平动地震输入直接相关的前15阶振型中的部分数值，其中X平动、Y平动、Z平动三个方向的振型参与质量分别为99.39%、95.41%、96.00%满足规范中振型参与质量达到90%以上的要求。可以参与后面的内力分析。表3-1结构自振特性（部分）振型编号振型频率周期振型参与质量频率周期X方向Y方向Z方向(rad/sec)(cycle/sec)(sec)质量总计质量总计质量总计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反应谱内力分析桥梁对地震的反应可以在反应谱的计算中得到分析结果，在考虑到横在作用和地震效应作用的情况下，分析地震参数的方法有以下两种：一、横向和竖向，二、纵向与竖向。恒载中包括结构自重、预应力、混凝土的收缩徐变、二期恒载。选用了结构中的墩底、梁端、和跨中的控制截面内力分析表。从表3-2和表3-3中可以看出恒载中所贡献的占比较大的为轴向力N、剪力Qz、弯矩My，而剪力Qy、扭矩Mx和弯矩Mz在恒载中基本不尝试，而其中的弯矩My顺桥也有一些贡献，横桥向的地震动主要产生的是剪力Qy、扭矩Mx、弯矩Mz。可以通过计算标准得出，该桥梁在E1地震作用下桥梁整体受力变化是处于正常工作状态内。因此该桥梁在此地震强度下是安全的。表3-2恒载作用下桥梁变化荷载位置轴向N/kN剪力Qy/kN剪力Qz/kN扭矩Mx/kN•m弯矩My/kN•m弯矩Mz/kN•m恒载墩底2号单元-7668.80-181.940748.570梁端77号单元-30003.005654.50-9190.40跨中70号单元-36829.00926.97012731.00表3-3E1地震作用下桥梁内力变化荷载位置轴向N/kN剪力Qy/kN剪力Qz/kN扭矩Mx/kN•m弯矩My/kN•m弯矩Mz/kN•m顺桥向JTJ(RS)墩底2号单元1535.50843.2103860.60梁端77号单元1045.70102.7502394.20跨中70号单元584.76040.7201818.10横桥向JTJ(RS)墩底2号单元0901.040133.4106944.9梁端77号单元0430.4603753.402347.8跨中70号单元0675.502664.105620.63.3荷载组合的内力分析荷载组合是通过基本可变荷载、永久荷载、其他可变荷载这三种之间相组合，考虑荷载组合是为了考虑到各种何在可能出现的情况，由图3-2和图3-3中得到在该地震作用下桥梁应力变化，桥梁在E1地震作用下，桥墩的内力响应值远大于主梁的内力响应值，而各个控制截面的内力响应值在动力反应谱中都是合理范围，由此可以得出整座桥梁的桥墩在地震中是处于最不利的位置，所以加强对桥墩的抗震能力是需要特别关注的由于在桥墩交界面和主梁内力和位移中的响应都比较复杂且受力较大，我们在地震作用时要特别重视主梁交界和主梁的跨中桥墩截面位置。图3-2顺桥向地震作用下My图图3-3顺桥向地震作用下Mz图4结论与展望桥梁安全的重要性不可否认，在桥梁的使用过程中，遭遇到地震我们需要提前预防，在地震前后要保证桥梁的功能安全性和完整性。；论文通过该三跨刚构桥的抗震分析后：1、在分析桥梁结构的特征值时，桥梁结构存在三种模态振型，即有两个方向的平动变形是X和Y方向的以及整个桥梁机构的扭转变形。2、对桥梁结构的响应谱和振型参与质量进行了模态振型分析，得到X、Y、Z这三个方向的桥梁结构振型参与质量均满足规范规定的90%的极限值。模拟地震条件下桥墩截面的最大内力变化在规范规定的范围内。3、在荷载组合中，桥梁结构模型中存在较大的侧弯概率是在主梁和桥墩的受力部分，变形明显未产生较大变形，但仍满足规范的要求。该桥梁在经过E1地震后，研究结果表明，该连续钢构桥（30+50+30）m符合我国桥梁工程结构的抗震标准，具有一定程度上的安全性。而桥墩本身首次屈服弯矩大于地震状态下桥墩所承受的弯矩，但是在地震过后所表现的状态依旧良好。随着我国的发展桥梁抗震技术越来越重视，桥梁所能承受抗震等级也是也来越高桥梁可以根据性能设计。强度虽然是抗震能力衡量的一个重要指标，但是不能作为唯一的指标,希望以后能从多方面剖析桥梁抗震分析,可以对发生破坏的情况进行判断。相信我们国家在桥梁抗震能力上有更高的提升。参考文献[1]王建森.浅析桥梁抗震设计.