基于MIDAS_Gen的地下结构抗震设计分析
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
钢结构抗震分析及设计
—钢结构抗震分析及设计北京市海淀区中关村南大街乙56号方圆大厦1402室Phone : 010-8802-6170 Fax : 010-8802-6171 E-mail : Beijing@M odeling, I ntegrated D esign & A nalysis S oftware目录简要 (2)设定操作环境及定义材料和截面 (3)建立轴网 (4)建立框架柱及钢支撑 (8)楼层复制及生成层数据文件 (10)定义边界条件 (11)输入楼面及梁单元荷载 (11)输入风荷载 (15)输入反映谱分析数据 (15)定义结构类型 (17)定义质量 (17)运行分析 (18)荷载组合 (18)查看反力及内力 (18)梁单元细部分析 (19)振型形状及各振型所对应的周期 (20)稳定验算 (20)周期 (21)层位移 (22)层剪重比 (22)层刚度比 (23)一般设计参数 (23)钢构件设计参数 (26)钢构件截面验算 (27)钢结构优化设计 (29)静力弹塑性（PUSHOVER）分析 (32)简要本例题介绍使用Midas/Gen 的反映谱分析功能来进行抗震设计的方法。
例题模型为六层钢框架结构。
基本数据如下：轴网尺寸：见平面图柱: HW400x400x13/21主梁： HN400x150x8/13次梁： HN300x150x6.5/9支撑： TN175x175x7/11钢材： Grdae3层高：一层：4.5m 二~六层：3.0m设防烈度：7º（0.10g）场地：Ⅱ类设定操作环境及定义材料和截面1：主菜单选择文件>新项目文件>保存:输入文件名并保存2：主菜单选择工具>单位体系: 长度 m, 力 kN定义单位体系3 : 主菜单选择模型>材料和截面特性>材料：添加材料号：1 名称：Grade3 规范：GB(S)数据库：Grade3 材料类型：各向同性定义材料4 : 主菜单选择模型>材料和截面特性>截面：添加：定义梁、柱、支撑截面尺寸定义梁、柱截面建立轴网1 : 主菜单选择模型>栅格>定义轴线：添加：定义X、Y轴网间距定义轴网12 : 主菜单选择模型>单元>建立: 建立梁单元，同时关闭栅格、轴网轴网13 : 主菜单选择模型>用户坐标系>X-Y平面: 激活UCS平面保存当前UCS，定义当前用户坐标系名称为“1”定义用户坐标系14 : 主菜单选择模型>用户坐标系>X-Y平面: 定义插入点(即原点)旋转角度30º，准备插入另一个轴网。
midas gen钢结构分析设计
根据厚度，有不 同的屈服强度。
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1.建模–材料
• 菜单：特性->材料->材料特性值
阻尼比（抗规8.2.2条） 1.多遇地震：
H≤50m: 0.04 50m<H<200m: 0.03 H≥200m: 0.02 2. 罕遇地震： 弹塑性分析：0.05
用于考虑不同材料 的阻尼比
则按照公式5.2.2计算。 如果丌勾选，则默认取值为
梁：1.0 柱：0.85
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3.设计-设计规范
• 菜单：设计->钢构件设计->设计规范
选择是否考虑抗震
如果勾选“所有梁都丌考虑横向屈曲”，将丌对梁 （或桁架）作整体稳定性计算。
设置抗震设防烈度（此处针对整体） 若想单独指定，通过菜单：设计》一般设计参数》抗 震等级
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2.建模–截面
• 菜单：特性->截面->截面特性值 工字型截面：I字形钢，H型钢；
HW：宽翼缘；HM：中翼缘；HN：窄翼缘； HT：薄壁H型钢；LH：高频焊接H型钢； 角钢：等边不丌等边；单角钢和双角钢； 槽钢：热轧槽钢和冷弯槽钢；单槽钢和双槽钢； 箱形，管形和T形
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• 分析警告-结果异常
材料和截面信息有误
分析 – 奇异
• 分析警告-结果异常
荷载值过大 重复节点
分析 – 奇异
• 分析警告-边界约束不够
底部固接，弹性连接中约束的刚度不一致 导致其他方向无抵抗能力
分析 – 奇异
• 分析警告-边界奇异
底部1F考虑刚性楼板假定，程序自动解除该层从属节点自由度（DX,DY,RZ)
地下工程抗震 -迈达斯
1、场地分析 2、反应位移法
3、反应加速度
4、时程分析 5、抗震性能验算
2-1、方法适用性原因
一般而言，地下结构的视密度（包括结构物和内净空断面的平均密度）比周 围土体小得多，如：盾构隧道的视密度约为1 200 kg/m3，周围土体密度为 1 600～1 700 kg/m3，因此地下结构的惯性力较小，换言之，其起振力较小， 自身很难起振。另外，地下结构受周围土体的约束，其能量耗散较快，衰减较大。 在相同高程处，地下结构及周围地层的加速度反应，不管从频谱特性还是最大值 来看都比较接近，而与地面结构的地震响应则差别较大。
3-2、计算案例
神户高速铁路大开站始建 于1962年，用明挖法构 建。长120m，采用侧式 站台，站厅标准断面如右
在反应位移法中，地震力的作用主要分为3个部分，即地层的相对位移、地层 剪力以及结构自身的惯性力，其中地层相对位移及地层剪力的影响是最主要的，结 构自身惯性力的影响较小。 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。
2-4、地震作用计算方法
Outcropping Motion)。
如上概念图，抗震设计对象区段的地基条件不是普通岩暴露地基 ( 点 A) 时，为了按基于有 关区域地基特性的设计地基加速度重新计算，实行地基响应分析。
1-1、一维地基响应分析
覆盖土层视为粘弹性水平层，下卧基岩视为弹性半无限空间，地表为自由面，假设剪切
波从弹性半无限基岩空间向上入射到具水平层里的粘弹性水平土层中，土层水平位移 X（ z,t）
菜单栏点击 “模型” ； 模型>应变相容特性
（见右图）；
点击“添加”，根据前 述表格添加土层特性； 点击“确认”
midasBuilding建筑抗震性能化设计[详细]
![midasBuilding建筑抗震性能化设计[详细]](https://img.taocdn.com/s3/m/fe07ab474693daef5ff73d64.png)
关键构件：其失效可能引起结构的连续破坏或危及生命安全的严重破坏的构件
• 底部加强部位的重要竖向构件(底部加强区剪力墙、框架柱) • 水平转换构件及与其相连竖向支承构件(转换梁、框支柱) • 大跨连体结构的连接体及与其相连的的竖向支承构件 • 大悬挑结构的主要悬挑构件 • 加强层伸臂和周边环带结构的竖向支承构件 • 承托上部多个楼层框架柱的腰桁架 • 长短柱在同一楼层且数量相当时该层各个长短柱 • 扭转变形很大部位的竖向（斜向）构件 • 重要的斜撑构件；
midas Building 建筑抗震性能化设计
北京迈达斯技术有限公司
技术中心
侯晓武
ontents
1 什么是性能设计 2 性能设计的发展
3 规范中的性能设计
4
midas Building中性能 设计实现方法
第一节
什么是 性能设计？
1 什么是性能设计？
Part
常规抗震设计方法 “三水准，两阶段”
普通竖向构件 弯矩
常规设计
剪力 常规设计
轴力 常规设计
耗能构件 弯矩
常规设计
3.11.3-1
3.11.3-1
3.11.3-1
3.11.3-1
3.11.3-1 常规设计
3.11.3-1 常规设计
3.11.3-2 常规设计
3.11.3-2 常规设计
3.11.3-1 3.11.3-2 常规设计 3.11.3-2 3.11.3-3(a) 常规设计 3.11.3-3(a) 3.11.3-3(a)
3 规范中的性能设计
Part
高规3.11.3条中对各种构件的各内力成分给出了计算公式(见下表)。
性能 目标 目标A 目标B 目标C 目标D
地震作用
midas Gen-组合结构分析
图 24 查看振型阻尼比
2. 主菜单选择 结果>模态>振型>周期与振型
例题 组合结构分析分析
图 25 查看周期与振型结果
例题 组合结构分析分析
3.主菜单选择 结果>结果>内力>桁架单元内力 选择内力中指定受拉或受压，则只显示受拉单元或受压单元的内力。 查看反力、位移、内力、周期等其他结果，请参考 Gen 用户培训例题 1-钢筋混凝土结 构的后处理部分。
图 27 指定构件
例题 组合结构分析分析
2.主菜单选择 设计>设计结果>钢构件设计>钢结构设计结果简图 激活网架上弦杆，按平面视图查看 验算比：轴向 显示类型：等值线、图例和数值选项
图 28 上弦杆轴向应力比结果
3.主菜单选择 设计>设计结果>混凝土设计>钢筋混凝土结构设计简图 按截面激活混凝土梁，按平面视图查看， 验算比：组合 显示类型：梁、柱 输出成份：轴压比、主筋、抗剪钢筋 柱截面尺寸系数：2
荷载工况：LL 荷载方向：整体坐标系 Z 荷载大小：FZ=-4KN
图 17 网壳部分施加节点荷载
激活网架部分，按平面视图查看，选中上下弦一侧的边缘节点作为风荷载 Wy 的加载节 点。 荷载工况：Wy 荷载方向：整体坐标系 Y 荷载大小：FY=6KN
例题 组合结构分析分析
图 18 网壳立面施加风荷载
图 19 生成设计反应谱
例题 组合结构分析分析
2.主菜单选择 荷载>地震作用>反应谱分析数据>反应谱荷载工况 特征值分析控制>频率数量（振型数）：10 反应谱分析控制： 振型组合方法：CQC 反应谱荷载工况名称：Rx，Ry，Rz 地震角度：Rx 和 Ry 分别为 0°、90°；Rz 地震作用角度 Z 向 周期折减系数：0.8 阻尼比计算方法：应变能因子，并勾选“修改阻尼比”
midas Gen减隔震
s值决定弹性与弹塑性之间区段形状 s一般小于30
3.阻尼器参数设置
调谐质量阻尼器（TMD） 组成：固体质量+弹簧减震器+粘滞阻尼器 原理：通过改变质量或刚度使子结构的基本频率与主结构接近。 结构振动时，由于惯性而施加反方向作用力 使原结构的振动反应明显减弱。 形式：支承式，悬吊式，碰击式 TMD，MTMD，ETMD 应用：抗风及小震，楼板舒适度控制 台北101大厦，上海金融中心，迪拜帆船酒店
1.时程分析
地面加速度 菜单：荷载>地震作用>时程分析数据>地面 选择各方向时程分析函数； 可单向加载或多向同时加载；三向同时加 载时，系数可取为1：0.85：0.65 到达时间： 加速度开始作用于结构上的时间 注意： 在“到达时间”之前的时间，地面加速度的数据为零， 对结构不发生作用，定义到达时间的目的是反映几个时 程荷载作用在同一个结构上，且各荷载发生作用的时间 不同时的结构反应。
本地区设防烈度 9(0.40g) 8(0.30g) 8(0.20g) 7(0.15g) 7(0.10g)
减隔震的设计方法
竖向地震 《抗规》12.2.1条 隔震层以上结构，其竖向地震作用标准值，8度（0.20g）、 8度（0.30g）、 9度 （0.40g）时分别不小于隔震层以上结构总重力荷载代表值的20%，30%，40%。 《抗规》5.3.2条 长悬臂构件和大跨结构，其竖向地震作用标准值，8度（0.20g）、 8度（0.30g）、 9 度（0.40g）时可分别取结构总重力荷载代表值的10%，15%，20%。 • 隔震层不隔离竖向地震作用，反而有所放大 • 需将竖向反应谱放大。
消能减震结构设计方法 隔震结构和消能减震结构的反应谱分析方法 － 利用有效刚度、有效阻尼 － 利用组阻尼功能，根据应变能原理计算各振型阻尼 抗规12.3.3条 － 总刚度：结构刚度+有效刚度 － 总阻尼比：结构阻尼比+有效阻尼比 － 规范方法：强行解耦的方式与midas的方式相同