MidasCivil配套资料-抗震专题时程分析3
基于Midas-Civil的桥梁下部结构抗震计算分析与研究
基于Midas/Civil的桥梁下部结构抗震计算分析与研究刘渐成（中山市规划设计院，广东中山 528400）摘要：文章以中山市石岐区广丰工业大道南六涌桥为工程背景，运用有限元软件Midas/Civil建立模型，根据抗震规范要求，运用反应谱法对桥梁下部墩柱分别进行E1、E2地震力作用下的受力分析，以指导结构设计。
关键词：Midas/Civil；桥梁下部结构；抗震计算U442 ：A ：1009-2374（2014）09-0005-031 工程概况本工程位于中山市石岐区岐港片区，广丰工业大道（石岐段）上，跨越现状南六涌，河涌宽约38m。
根据水利及航道部门技术要求，南六涌无通航要求，水位受水系的水闸控制，设计洪水位取2.3m。
根据现状河道走向、地形及周边环境，拟建桥梁与主河道斜交，约成30度角。
桥跨布置为3×16m预应力砼简支空心板梁桥，共两幅，每幅桥宽20m。
下部结构采用桩柱式桥墩，直径1m的柱接1.2m的钻孔灌注桩，桥台采用薄壁式台，桩基础，台前设4m 长的M7.5浆砌片石铺砌，台后用碎石与粗砂混合料回填。
拟建桥梁两侧均有水泥路到达场地，交通较方便，原始地貌单元为珠江三角洲海陆交互沉积平原，地形开阔，无池塘、坑道、土洞等不良地质。
区域内水网密布，地表水系发育，地下水对混凝土结构无腐蚀性。
2 技术指标安全等级：二级；设计基准期：100年；环境类别：Ⅰ类环境；设计速度：50；设计荷载：公路-Ⅰ级；净空：无通航净空要求；地震动峰值加速度：0.1g。
3 结构荷载取值3.1 永久作用桥梁永久荷载考虑上部板梁自重及二期恒载，二期恒载包括桥面铺装和栏杆等，以均布荷载形式加载，合计95.4KN/m。
下部桥墩自重。
混凝土容重取26kN/m3，计算时将荷载转化为质量。
3.2 地震计算参数根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）、《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）等相关资料，本项目区域地震基本烈度Ⅶ度（加速度取0.10g）。
Midas-城市桥梁抗震分析及验算资料讲解
• 四、结论
反应谱抗震验算主要桥墩强度验算，能力保护构件的验算参照规 范根据设计要求进行设置验算。 在验算分析参数设置过程中，需要注意很多方面，防止程序无法 进行验算。 验算内容和注意事项见附件。
结论
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• 一、延性设计理念
目录
• 二、Midas 抗震分析前处理
• 三、Midas 抗震分析后处理
• 四、结论
1. 荷载工况
完成反应谱分析后，需要定义混凝土的荷载工况，一般点击自动生成。规范选择城市桥梁抗震设 计规范。
Midas 抗震分析后处理
2. 后处理验算
点击设计-RC设计
①RC设计参数
这里的规范同前，也需要选 择城市桥梁抗震设计规范。
Midas 抗震分析后处理
E2弹塑性验算
根据规范要进行刚度进行调整
在E2地震作用下桥墩的强度不能满足要求，桥墩 进入了塑性阶段，所以接下来要进行弹塑性验算。
Midas 抗震分析后处理
第一个表格中的数值可以在特性的材料 和截面中查询，第二个表格是第一个表 格计算得到的，第三个表格是根据弯矩 曲率中理想化屈服的弯矩曲率得到（y和 z分别是0和90度）。
（b）结构振动引起的破坏 例如：地震强度过大，或者强度延性不足，结构的布置或者构造不合 理。
延性设计理念
3. 延性设计
桥梁结构体系中设置延性构件，桥梁在E2地震作用下，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。
类型 Ⅰ
类型 Ⅱ
延性设计理念
规范中延性设计理念的体现
Midas 抗震分析前处理
2. 反应谱分析
Midas Civil桥梁抗震详解(终稿)
刚度
4、空间动力分析模型的建立：
----参见规范6.3 质量：
将建立的模型进行质量转换。 集中质量法：一般梁桥选择， 计算省时，不能考虑扭转振 型。一致质量法：通用，耗 时，可以考虑扭转振型。
路灯质量转换
将二期等反映铺装的荷载转换 成质量。
对于没用荷载表示的附属构件， 如路灯等，可在节点上施加相 应的质量块。
荷载
恒荷载
自重，在程序中按自重输入，由程序自动计算
桥梁抗震培训
JTG/T B02-01-2008
二、桥梁构造、材料概况
预应力
钢束(φ15.2 mm×31) 截面面积: Au = 4340 mm2 孔道直径: 130 mm 钢筋松弛系数(开),选择JTG04和0.3(低松弛) 超张拉(开) 预应力钢筋抗拉强度标准值(fpk):1860N/mm^2 预应力钢筋与管道壁的摩擦系数:0.25 管道每米局部偏差对摩擦的影响系数:1.5e-006(1/mm) 锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩值: 开始点:6mm 结束点:6mm 张拉力:抗拉强度标准值的75%，张拉控制应力1395MPa
美国采用有效加速度峰值EPA，而我国
采用的是加速度峰值PGA
桥梁抗震培训 JTG/T B02-01-2008
3、设计加速度时程的确定（选用实录波）
3.1、幅值的调整
设计加速度峰值PGA的求法 以设计加速度反应谱最大值Smax除以放大系数 （约2.25）得到。
PGA S max 2.25Ci Cs Cd A Ci Cs Cd A 2.25 2.25
尼器：程序专门的模拟单元。 桥梁抗震培训 JTG/T B02-01-2008
4、空间动力分析模型的建立：
----参见规范6.3
迈达斯civil抗震规范学习总结
抗震规范学习总结A：能力保护设计的基本原理：对于能力保护构件的设计与地震力已经没有关系了，这与《89规范》是个显著差别，能力保护构件在地震过程中一直要处于弹性范围内工作，而与能力保护构件相连的延性构件是允许出现塑性变形，这种情况下就要把延性构件能承受的最大抗力计算出来（这与地震力没有关系的，是构件本身的特性，延性构件在地震中达到这个最大的地震力后就会维持这个力不变，从而使与其相连的能力保护构件得到保护）依次推算每个能力保护构件需要的最大抗力，使其在最不利的情况下依然保持弹性。
也就是被保护的构件与地震力已经没有关系了B：延性构件：对于延性构件在E1地震作用下需要保持弹性，而在E2作用下可以进入塑性状态，所以E1作用的时候关心结构的强度，而在E2作用的时候关心结构的变形。
注意E2计算的时候要注意如果用反应谱的时候要用截面有效刚度进行折减，用非线形时程分析的时候要用纤维单元或者弹塑性单元考虑材料非线形。
C：超强系数：超强系数=结构的实际极限承载力/结构的设计承载力（采用材料强度标准值计算的结构承载力）超强的原因很多，这里说明一点：〈〈混桥规〉〉中规定钢筋混凝土构件中结构的破坏标准是材料达到材料屈服强度，也就是的材料强度标准值，而我们实际采用的是材料强度的设计值，材料强度的设计值=材料强度标准值/分项系数。
这是出现超强的一个原因。
实际求解超强系数的时候结构的设计承载力是采用材料强度标准值的，所以需要注意。
矩形截面容易求解。
圆形截面可以通过圆形截面小程序采用逐步叠代的方法求解，只是需要修改其中的材料设计强度值。
D：8.1.5条与8.1.1.5条约束混凝土与非约束混凝土的概念。
规范条为了使延性构件有足够的延性能力，故将提高约束混凝土区域作为一个限制条件，其中圆形箍筋内部全部是约束混凝土，而矩形截面的箍筋仅仅是交点处是约束混凝土，为了提高矩形截面的约束混凝土区域所以加了很多拉筋，目的是为了增加交点数量。
保证约束混凝土区域。
MIDASCivil桥梁抗震分析与设计
动力平衡方程的解法
3、数值方法
可适用于线性和非线性领域 中心差分法 、常加速度法、线性加速度法
Newmark- 法 、Wilson- 法
不同参数对应的逐步积分法
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
特征值问题 : 固有圆频率
模态向量
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:
表3.1.2-1 各类公路桥梁抗震措施等级
地震基
6
7
8
9
本烈度
桥梁分类
0.05 0.1 0.15 0.2 0.3 0.4
A
8
9
9
更高，专门研究
B
7
8
8
9
9 >=9
C
6
7
7
8
8
9
D
6
7
7
8
8
9
桥梁抗震设防标准
多遇地震烈度（地震影响E1）：50年内超越概率为63%的地震烈度(=I-1.55) 设计地震烈度（地震影响E2） ：50年内超越概率为10%的地震烈度(=I) 罕遇地震烈度：50年内超越概率为2~3%的地震烈度(=I+1)
u 2 nu n2u 0
临界阻尼？
惯性力
惯性力
mu(t) cu(t) ku(t) mug (t)
达朗贝尔原理 (D’ Alembert’s Principle)
p(t)-fS -fD = mu
牛顿第二定律
静止/匀速运动
加速度运动
动力平衡方程的解法
mu cu ku mug
1、经典解法
总则1.0.5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。
midas-gts抗震数值分析方法
七-3、抗震分析
3、时程法分析 3）计算过程。 A、特征值分析。网格划分完成后，边界施加曲面弹簧（基床系数），
直接进行特征值分析，得到第1，2振型的周期，用于时程分析。 B、时程分析。网格划分完成后，边界施加曲面弹簧（阻尼），定义
1、山岭隧道
二、midas-gts应用领域
二、midas-gts应用领域
2、地下厂房（断层带）
3、水利大坝
二、midas-gts应用领域
二、中暑的原因 分析 1.人的散热的方式
人体适宜的外界温度是20-25˚c,相对湿度为40%-60%，通过以 下方式散热：
A. 辐射是散热最好途径。气温15-25˚c时，辐射散热约占60% ，散热最多部位是头部（约50%），其次为手及足部。温度 33˚c时，辐射散热降至零。
大或在横向有结构连接； B、地质条件沿地下结构纵向
变化较大，软硬不均； C、隧道线路存在急曲线。
七-3、抗震分析
2、反应位移法分析
1）计算荷载及其组合： A、地震作用（土层相对位移、结构惯性力和结构周围剪力作用），
可由一维土层地震反应分析得到；对于进行了工程场地地震安全 性评价工作的，应采用其得到的位移随深度的变化关系；对未进 行工程场地地震安全性评价工作的，可通过计算公式推算。 B、 非地震作用(土压、水压、自重等)取值、分类应按 《地铁设计规范》执行； C、抗震设计荷载组合应按《建筑抗震设计规范》规定执行。
提供的分析功能如下：
各种分析类型可参考程序自带例题，或yantubbs论坛、仿真论坛等。 D:\Program Files\MIDAS\GTS
MidasCivil配套资料-抗震专题时程分析3
边界非线性时程分析
减隔震设计必要性 边界非线性分析必要性 边界非线性时程分析 减隔震支座模拟 时程分析工况定义 时程分析结果
midas Civil
边界非线性时程分析
减隔震设计必要性
midas Civil
边界非线性时程分析
减隔震设计必要性
midas Civil
边界非线性时程分析
边界非线性时程分析必要性
对于非规则的减隔震桥梁应进行非线性时程分析，即边界非 线性时程分析！
midas Civil
边界非线性时程分析
边界非线性时程分析
边界非线性时程分析是结构的一部分处于非线性时，适用的非线性时程分析方法。主要用于分析安装减隔震装 置的桥梁非线性特性的功能。减隔震装置防止结构构件在设计荷载下产生塑性变形，使结构处于弹性状态，非 线性主要发生在减隔震装置上。
设计参数
慢（快）时摩擦系数 （us）
程序处理方式 用户输入
时程分析时自动计算
摩擦系数变化参数r 用户输入
滞回变 量
（Z）
滑动前初始刚度k 摩擦摆轴力P 摩擦系数μ
用户输入 时程分析自动计算 根据公式3自动计算 时程分析自动计算
恢复力 （f）
滞回循环参数αβ
滑动面半径R 剪切位移d及摩擦摆轴力 P μ、 Z
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。
midas Civil
边界非线性时程分析
减隔震支座模拟-摩擦摆式减隔震橡胶支座
midas Civil
边界非线性时程分析
减隔震支座模拟-摩擦摆式减隔震橡胶支座
摩擦系 数 （μ）
Midas 城市桥梁抗震分析及验算
SRSS（平方和平方根法）适用： 平动的振型分解反应谱法 CQC （完全二次项平方根法）适 用：扭转耦联的振型分解反应谱 法。
模型特征值分析
在进行反应谱分析之前要计算模型的振型：首先c在结构类型中将模型定义为3D的，勾选将自重 转化为质量，同时还要将外荷载转化为质量（自重不必要转化）。
采用多重Ritz向量法进行特征值分析，水平向 各取40阶振型，保证振型参与质量达到90% 以上。
类型 Ⅰ
类型 Ⅱ
规范流程图参照：11抗震设 计规范81-83页
规范中延性设计理念的体现
目 录
• 一、延性设计理念
• 二、Midas 抗震分析前处理 • 三、Midas 抗震分析后处理 • 四、结论
1. 工程案例
城市主干路上的混凝土空心板结构，桥梁上部结构为2孔20米的简支梁， 下部结构为柱式墩台，墩柱一体。顶部设有盖梁，柱高30米。
Midas 城市桥梁抗震分析及验算
目 录
• 一、延性设计理念
• 二、Midas 抗震分析前处理 • 三、Midas 抗震分析后处理 • 四、结论
目 录
• 一、延性设计理念
• 二、Midas 抗震分析前处理 • 三、Midas 抗震分析后处理 • 四、结论
1. 抗震设计规范
《公路桥梁抗震细则》 2008年
2. 反应谱分析
A 类规则桥梁 ， E1 பைடு நூலகம் E2 地震 均选择MM法
地震反应谱的确定
根据设计参数，选择 E1 地震 动反应谱参数。
E1地震作用下反应谱设计参数
E2地震作用下反应谱设计参数
反应谱荷载工况定义
一般情况下，城市桥梁可只考虑水平向地震作用，直线桥可分别考虑顺桥向X和横桥向Y的地震 作用，横桥向在输入的时候，地震角度填写90度。
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midas Civil
边界非线性时程分析
边界非线性时程分析
边界非线性时程分析是结构的一部分处于非线性时，适用的非线性时程分析方法。主要用于分析安装减隔震装 置的桥梁非线性特性的功能。减隔震装置防止结构构件在设计荷载下产生塑性变形，使结构处于弹性状态，非 线性主要发生在减隔震装置上。
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边界非线性时程分析
减隔震支座模拟-摩擦摆式减隔震橡胶支座
(3) 滑动前刚度取值
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边界非线性时程分析
时程分析工况定义
所以，需要将恒载定义为一个非线性静力类型的时程荷 载工况，由地震时程工况接续该工况进行分析！
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边界非线性时程分析
时程分析结果
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边界非线性座，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。
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边界非线性时程分析
减隔震支座模拟-摩擦摆式减隔震橡胶支座
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边界非线性时程分析
减隔震支座模拟-摩擦摆式减隔震橡胶支座
摩擦系 数 （μ）
用户输入（一般采用默认值 0.5） 用户输入
时程分析时自动计算
根据公式1 2自动计算
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边界非线性时程分析
减隔震支座模拟-摩擦摆式减隔震橡胶支座
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： μ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 0.04/0.03 r一般取20sec/m这个数量级，本例取22
边界非线性时程分析
减隔震支座模拟-一般连接特性值
总重量：输入一般连接的重量， 即减隔震支座的重量。输入的重 量用于计算结构的总自重及动力 分析转换的质量。
※当撤除一般连接时结
构线性构特性造值 上线不性静稳力分定析及时线性，动力即分析
非线性
便特做性值动
力
非
线非线性性动分力分析析
也
需要输入有效刚度。有
效刚度值一般输入大于0
在实际项目中，会有需要同时考虑结构构件发挥非线性性能的情况。此时，可以通过“直接积分法”非线性时程分析功能，同时 完成非弹性铰构件的时程分析及减隔振支座的边界非线性分析。构件的非线性特性根据滞回曲线计算。
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边界非线性时程分析
减隔震支座模拟
减隔震支座可以通过“一般连接” 模拟！
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设计参数
慢（快）时摩擦系数 （us）
程序处理方式 用户输入
时程分析时自动计算
摩擦系数变化参数r 用户输入
滞回变 量
（Z）
滑动前初始刚度k 摩擦摆轴力P 摩擦系数μ
用户输入 时程分析自动计算 根据公式3自动计算 时程分析自动计算
恢复力 （f）
滞回循环参数αβ
滑动面半径R 剪切位移d及摩擦摆轴力 P μ、 Z
小于或等于非线性特性
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边界非线性时程分析
减隔震支座模拟-铅芯隔震橡胶支座
实际滞回曲线
等价线性化模型
K1—弹性刚度 K2—屈服刚度 KE—等效刚度 Qy—屈服强度
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边界非线性时程分析
减隔震支座模拟-铅芯隔震橡胶支座
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
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边界非线性时程分析
减隔震支座模拟-铅芯隔震橡胶支座
支座规格中的“有效刚度”及“有效阻尼”是 用线性时程分析模拟非线性时程时用到的数据！ “有效刚度”取“弹性刚度”即可。
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边界非线性时程分析
减隔震支座模拟-高阻尼隔震橡胶支座
内容
边界非线性时程分析
减隔震设计必要性 边界非线性分析必要性 边界非线性时程分析 减隔震支座模拟 时程分析工况定义 时程分析结果
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边界非线性时程分析
减隔震设计必要性
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边界非线性时程分析
减隔震设计必要性
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边界非线性时程分析
边界非线性时程分析必要性