大跨度公路桥梁抗震分析研究

大跨度公路桥梁抗震 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 研究 周建春3 　刘光栋3 3 摘　要　讨论大跨度公路桥梁抗震分析研究中的若干问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 及发展动态。 关键词　大跨度公路桥梁　抗震分析研究　进展综述 分类号　U 448. 142. 55 3 讲师, 博士研究生, 410082, 湖南大学结构工程研究所3 3 教授, 410082, 湖南大学土木系 1　引　言 大跨度公路桥梁往往处于公路交通运输的枢纽和 咽喉地段, 为城市生命线工程的重要组成部分。因此, 对 大跨度公路桥梁进行正确的抗震分析对于提高其抗震 能力, 特别是抗大震的能力是至关重要的。 目前, 国内外进展迅速的桥梁建设已对大跨度公路 桥梁的抗震分析提出了更高的要求, 与之相应的结构地 震反应分析理论研究也呈现出一些新的特点。对于大跨 度公路桥梁而言, 在强震作用下结构的非线性性能、地 震波传播过程中的多点激振效应、桩—土—结构—水体 系的动力相互作用、隔震技术的动力模型及其应用研究 以及地震反应分析软件研究具有更大的现实意义。 2　大跨度公路桥梁非线性地震反应分析 大跨度桥梁结构的非线性可分为材料非线性 (又可 称为物理非线性或弹塑性) 和几何非线性两种, 一般情 况下结构的几何非线性可通过考虑所谓的 P - ∃ 效应 (即由于重力作用和水平位移相互影响而产生的结构附 加反应, 仅考虑初应力矩阵)来进行。 在结构非线性地震反应分析的计算理论研究方面, 倍受关注的是结构的弹塑性分析, 这不仅是因为相对于 几何非线性而言, 结构的弹塑性性能对于结构的抗震性 能影响较大, 而且更由于问题的复杂性。所以国内外众 多学者针对后者开展了大量的研究工作, 所以下面所讨 论的内容也主要针对弹塑性地震反应分析。 在大跨度公路桥梁弹塑性地震反应分析的力学模 型中, 根据各种构件的工作状态, 将结构简化为杆系结 构是合理的, 同时对计算而言也是非常经济的。若按构 件所处的空间位置可把力学模型分为平面模型和空间 模型两种。若按模型中所采用的单元应力水平的种类来 分, 又可分为微观模型 (采用应力空间) 和宏观模型 (采 用内力空间)两种。由于微观模型要求将结构划分为足 够小的单元, 尽管很有效但所需的计算量较大, 只适用 较小规模的结构或构件的非线性分析, 因此在实际工作 中应用的范围比较有限, 所以这里仅按前一种分类方法 来加以讨论。 在结构弹塑性地震反应分析中, 构件恢复力模型的 确定是基本的步骤。而构件的恢复力关系又集中反映在 滞回特性曲线上, 基本指标有曲线形状、骨架曲线及其 特征参数、强度、刚度及其退化规律、滞回耗能机制、延 性和等效滞回阻尼系数等。国内外在这方面已进行了大 量的试验研究并取得了相应的研究成果。 在平面模型中, 根据所采用的塑性铰类型可把它分 为集中塑性铰模型和分布塑性铰模型两大类。在集中塑 性铰模型中, 有代表性的一种是C lough 等于 1965 年提 出的双分量单元模型 (图 1) , 该单元模型采用两根平行 杆来模拟构件, 其中一根用来表示具有屈服特性的弹塑 性杆, 另一根用来表示完全弹性杆, 非弹性变形集中于 杆件两端的集中塑性铰处, 该模型的最大不足是不能考 虑构件刚度退化。另一种有代表性的是 1969 年 Giber2 son 提出的单分量模型 (图 2) , 它克服了 C lough 双分量 模型的不足, 同时只用两个杆端塑性转角来刻划杆件的 弹塑性性能, 而杆件两端的弹塑性参数又是相互独立 的, 因此应用起来较为简便。其缺点是基本假设中有地 震过程中反弯点不能移动的限制, 所以对一些与基本假 图 1　双分量单元模型 图 2　单分量单元模型 5大跨度公路桥梁抗震分析研究　周建春　刘光栋 设不甚相符的特殊情况其使用的合理性就受到了限制。 假定非弹性变形集中于杆端塑性铰上的集中塑性铰杆 单元模型与试验得出的塑性变形分布于杆端附近有限 区域的结论不符合, 并导致梁柱单元中反弯点始终保持 不变的结果, 且在构件屈服后集中塑性铰与完全弹性区 域之间刚度变化是不连续的, 这一点与实际情况也是不 符合的。 分布塑性铰区杆单元模型克服了集中塑性铰模型 的不足, 可较合理地描述钢筋混凝土构件的非线性状 态。目前已提出了几种分布塑性铰区模型, 有代表性的 是 So leim an i 等提出的分布塑性铰区杆单元 (见图 3) , 该单元采用了有限分布于杆端的塑性区域、分布于中间 区段的弹性区域来描述构件的非线性特性。基于对这种 模型的各种修正, 人们又提出了其它类似的改进模型, 如五段变刚度杆单元模型 (见图 4, 考虑混凝土开裂和 屈服特性等)。 图 3　三段变刚度杆单元模型 图 4　五段变刚度杆单元模型 随着大量的宏观震害调查和理论研究的不断深入, 人们逐渐认识到, 当结构形式接近空间体系时, 地震运 动具有的多维性使得结构的地震反应也将呈现出空间 特性, 当强震作用下结构进入弹塑性阶段时, 构件内力 之间的空间耦合效应将对结构的抗震性能产生很大的 影响, 此时需对结构进行空间弹塑性地震反应分析。 对结构进行空间弹塑性地震反应分析的关键, 就是 建立构件的多维恢复力模型。到目前为止, 这方面有价 值的研究成果有屈服面模型和多弹簧模型。 (1) 屈服面模型: 屈服面模型是最早出现的多维恢 复力模型 (图 5) , 它是由N igam 在 60 年代末提出来的, 后来许多学者又对这个模型作了改进。屈服面模型是以 弹塑性力学中的塑性势理论为基础, 利用了塑性变形与 势函数的正交性, 屈服面的移动可采用等向强化或随动 强化的假设。屈服面模型实际上是单轴双线型或三线型 平面恢复力模型在多维空间的推广, 因此其物理意义简 单明确, 便于为大家接受。但是该模型对于钢筋混凝土 构件来讲, 实际计算时仍有很多具体问题有待于进一步 研究。为了与试验取得比较一致的计算结果, 目前在模 型上仍采用了一些简化假设。 图 5　屈服面模型 图 6　多弹簧模型 (2) 多弹簧模型: 多弹簧模型是L ai 于 1984 年首先 提出的 (见图 6) , 该模型假定构件单元的非线性性态集 中于构件两端的非线性单元上, 每个非线性单元由分布 在矩形构件截面四角及中间的弹簧组成, 这些弹簧分别 代表其所在区域内的钢筋和混凝土, 具有滞回特性弹簧 的集合用来反映截面的非线性特性。后来许多学者对该 模型做了改进, 主要是提出了组合弹簧的概念, 从而减 少了模型中弹簧的数量。与其它模型相比, 多弹簧模型 的优点是简便实用, 计算结果与试验符合也较好。但如 何合理确定各个弹簧的滞回性能仍有待于进一步研究。 大跨度公路桥梁的构件截面通常采用箱型或组合 截面, 从它们的工作性态来看可将其化为开口、闭口薄 壁杆件进行非线性地震反应分析。与通常的实体杆件单 元相比, 采用薄壁杆件单元模型分析这类结构既提高了 计算精度, 又限制了计算工作量保持在相当的量级, 但 是, 开闭口薄壁杆件的弹塑性动力分析模型是一个较复 杂的理论问题, 目前仍处于研究之中。 符拉索夫和乌曼斯基针对承受弯曲和扭转的开口 和闭口薄壁杆件建立了相应的计算理论, 它考虑了沿杆 件轴线长度方向截面的翘曲和畸变效应。日本学者利用 集中塑性铰模型建立了钢结构构件的静动力计算理论, 计算结果与试验符合较好, 但模型所花费的计算量太大 并且只适用于钢结构构件, 还不能应用于实际工程。有 的研究者采用了简化的薄壁杆件单元模型, 即在非线性 计算时将翘曲扭转等视为线性响应, 因此计算过程大大 简化。进一步的分析表明, 这种简化措施的计算精度满 足工程要求, 所以这种方法不失为解决上述问题的一种 6 桥梁建设　　1998 年第 1 期 有效途径。 3　地震波传播过程中的多点激振效应 通常桥梁结构的地震反应分析是假定所有桥墩墩 底的地震运动是一致的。而实际上, 由于地震机制、地震 波的传播特征、地形地质构造的不同, 使得入射地震在 空间和时间上均是变化的。即使其它条件完全相同, 由 于地面上的各点到震源的距离不同, 它们接收到的地震 波必然存在着时间差 (相位差) , 由此导致地表的非同步 振动。这一点已被地震观测结果所证实。因此, 多点地震 输入是更合理的地震输入模式。特别是大跨度桥梁结 构, 当地震波的波长小于相邻桥墩的跨度时, 入射到各 墩的地震波的相位是不同的, 由于在桥长范围内各墩下 的基础类型和周围的场地条件可能有很大的差别, 因此 入射到各墩的地震波的波形也可能是不同的。有关实际 震害表明, 入射地震波的相位差可增大桥跨落梁的危险 性。所以就地震波传播过程中的多点激振效应进行研究 是有很大的实际意义的。 从概念上看, 仅考虑入射地震波的相位变化情况属 于行波效应分析问题。若再考虑地震波的波形变化就属 于地震波的多点输入问题。从计算方法上看, 由于多点 地震输入算法与同步激振的计算方法不同, 因此必须重 新推导结构体系的动力平衡方程。美国学者 Penzien 和 C lough 于 1975 年推导了多自由度体系考虑地震波多 点输入时的动力平衡微分方程及求解方法, 通过所谓的 影响矩阵 [R ]实现了地震波的多点输入算法。其思路 是, 首先在惯性参照系中建立结构体系整体的动力平衡 方程并表达为支承节点和可动节点分块矩阵的形式, 然 后将结构的位移、速度和加速度反应分解为相对动力项 和拟静力项, 代入原结构体系整体的动力平衡方程并整 理, 就可以得到关于结构中所有可动自由度、考虑多点 激振的动力平衡方程, 其中方程右端项出现了以影响矩 阵 [R ]表达的地震动输入, 其物理含义是支承自由度上 依次单独施加单位位移时所有可动自由度上产生的节 点位移, 它可用标准的强迫位移分析程序来求出。此时 结构体系的动力平衡方程在形式上与同步激振情况下 的结构动力平衡方程完全一致。当利用标准方法求解出 结构体系的相对动力反应后, 再利用与多点输入地震波 的位移 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 相关的拟静力反应即可求出多点输入时的 地震内力, 即结构体系的最终反应为相对动力反应项和 拟静力反应项的迭加。这种方法后来被广泛应用, 目前 所有考虑地震波多点输入的结构地震反应时程分析算 法均以此为基本出发点。 上述多点激振效应地震反应分析算法的推导具有 以下 4 个特点: (1) 将支承点也做为非支承点处理, 采 用体系外的惯性参照系来建立结构体系的动力平衡方 程, 用总位移表示各节点的运动; (2) 将结构体系的总 位移分解为相对动力项和拟静力项两部分, 在体系的支 承点上无动力分量; (3) 在非支承点的运动方程中, 令 所有动力分量等于零, 可确定拟静力位移分量, 消去这 些拟静力位移分量之后, 即可得关于非支承点动力分量 的运动方程; (4) 影响矩阵[R ]的引入使得多点激振问 题中关于可动节点相对动力项的动力平衡方程与同步 激振的动力平衡方程的形式完全一样, 这为计算机编程 提供了很大方便, 而原始形式的动力平衡方程不但形式 复杂, 而且实际计算中会有许多困难。 对于线弹性分析而言, 由于[R ]在整个时域内保持 不变, 所以上面建立的多点激振动力平衡方程的求解比 较容易; 对于非线性分析来讲, 由于 [R ]的计算方法和 所采用的结构体系非线性分析模型有关并且耗费机时 太多, 故在进行结构多点激振效应的非线性分析时, 常 需要引入 [R ]在整个时域内均保持常量而不受结构刚 度改变的影响的假定。所以从严格意义上来讲, 目前的 多点激振效应分析都仍局限于线弹性分析或准非线性 分析。但有人也从定性的角度解释了上述假定的合理 性, 即[R ]的计算中两个矩阵相乘的结果可以基本抵消 非线性性质引起的[R ]在整个时域内的变化, 并且影响 矩阵是正规化矩阵, 它的最大元素是单位值 1, 所以非 线性引起的[R ]数值改变对最终结果的影响很小。 综上所述, 大跨度公路桥梁的多点激振效应分析是 一个比较复杂的计算问题, 其复杂性一方面在于计算方 法上面, 更重要的是对于不同类型的桥梁结构体系可能 有着截然不同的计算结果。因此实际计算时只能针对具 体的桥梁结构进行具体的分析, 不能一概而论。从计算 方法上看, 目前有关研究基本上仍局限于线弹性体系的 多点激振效应分析, 而非线性多点激振效应与结构体系 非线性地震反应分析的力学模型是密切相关的。 4　桩—土—结构相互作用 在大跨度公路桥梁的地震反应分析研究中, 考虑桩 —土—结构的动力相互作用是目前为数最多的研究课 题。这是因为桩基础已被广泛应用于软土地区, 它不仅 能提高地基的承载能力, 而且还能大大降低结构物的沉 降量, 所以其抗震效果是很好的。由于地基—桩基础— 桥梁结构的振动是密切相关的, 因此在抗震分析中考虑 它们之间的动力相互作用是必要的。一般认为, 这种相 互作用主要体现在以下两个方面: (1) 地基变形改变了上部结构的动力特性, 使结构 7大跨度公路桥梁抗震分析研究　周建春　刘光栋 的基本周期延长、阻尼增大。 (2) 上部结构的反馈作用, 改变了地基运行的频谱 组成, 使得与结构自振周期相同的运动分量获得加强, 同时地基的加速度幅值也较邻近自由场地为小。 从现有的各种桩—土—结构相互作用分析方法看, 有连续介质力学方法和数值计算方法, 而最常用的数值 计算方法是有限元法。在有限元法中, 常用的有所谓质 量—弹簧—阻尼器模型 (简称质弹阻模型, 或三元件模 型, 或W ink ler 地基梁法)和一般有限元模型。后者尽管 很有效, 但由于该问题涉及很多复杂因素, 且随着问题 维数的增多出现过多的未知量, 从而导致计算机时的急 剧增加, 因此限制了它的工程应用。所以在此仅对质弹 阻模型中一些待深入研究的问题进行一些讨论: (1) 桩—土—结构相互作用体系中接触—滑移关 系的模拟及参数的合理取值。 (2) 合理的水平地震动输入模型 当桥位场地土层水平向分布均匀、地形变化较小 时, 进行结构水平向的地震反应所用的地震波输入模型 可以基岩为地震波的输入点, 通过覆盖土层的自由场地 震反应分析, 求出土层沿各高程处的位移、速度和加速 度时程, 再依次输入桩—结构体系; 当层状土水平向分 布不均匀、地形变化较大时, 需要采用二维模型, 即假定 地震波由基岩输入, 经由层状土向上传播, 通过采用合 适的力学模型, 即可得到地表和任意深度处的反应时 程, 以此再输入结构体系, 其中选取合适的二维土动力 学模型是解决问题的关键。 (3) 大跨度公路桥梁的竖向地震反应分析 地震宏观现象表明, 在高烈度地震区, 地震动竖向 加速度分量对结构物破坏程度的影响是明显的。从地震 记录看, 地震时地面运动是多分量的。大量统计结果表 明, 若取地震动两个水平加速度分量中的较大者为基 数, 则竖向峰值加速度与水平峰值加速度的比值为 1ö2 ～ 1ö3 (我国桥梁抗震 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 取 1ö2)。正因为竖向加 速度分量达到如此大的数值, 国内外许多学者对结构竖 向地震反应的研究日益重视。 到目前为止, 针对大跨度公路桥梁考虑桩—土—结 构相互作用的地震反应分析主要是针对水平方向的振 动而展开的, 桩—土—结构相互作用体系在竖向地震运 动作用下的反应性态和规律还有待于进行深入的探讨。 (4) 地基砂土液化 地基砂土液化对于结构抗震性能的影响是很大的。 目前对于地基砂土液化问题, 大都是在设计阶段采用抗 液化的构造措施来加以考虑, 随着人们对于砂土液化问 题研究的日益深入, 从地震反应分析的角度来综合考察 地基砂土液化对于桩—结构体系抗震性能的影响已部 分地成为可能, 这对于全面认识和了解桩—结构体系的 动力性态以及保证桥梁结构的抗震可靠性具有重要意 义。在日本已有学者利用质弹阻模型对抗震钢桩进行了 考虑砂土液化的线弹性或弹塑性地震反应时程分析 (基 于试验结果确定所需的计算参数) , 所得计算结果与试 验符合很好。 5　隔震支座 在大跨度公路桥梁中广泛使用了高载多向桥梁支 座, 即板式橡胶支座、盆式橡胶支座和球型支座, 它们既 可用来承受上部结构的荷载, 又可用来调节构件端部的 多向运动和转动。由于它们通过各种微幅运动来传递桥 梁中相当大的内力, 因此高载多向支座是桥梁中的关键 元件。 在强震作用下, 高载多向支座的构造特性决定了它 们都要进入非线性 (接触—滑移) 状态, 合理模拟其工作 性状对于结构地震反应结果有着直接影响。因此国内外 都提出了一些力学模型。由于大跨度桥梁结构一般均采 用杆系结构的力学模型, 故在此仅对用于杆系结构的隔 震支座力学模型进行讨论。 对于用平面杆系模型模拟的公路桥梁来讲, 采用二 维正交弹簧模型来模拟高载多向支座的工作性状是可 行的。这种正交弹簧单元作为一种连接主梁和桥墩的元 件, 用水平弹簧代表高载多向支座的剪切刚度, 用竖向 弹簧代表高载多向支座的抗压刚度, 弹簧刚度的变化规 律服从一定的滞回规则, 由此可以进行相应的非线性地 震反应分析。对于空间结构力学模型来讲, 可以采用空 间等代杆件的力学模型来模拟高载多向支座的工作性 态。但到目前为止, 如何合理确定支座材料的动力摩阻 系数以及支座在地震过程中的滞回规律仍是一个待深 入研究的问题, 仍需要进行大量的试验研究。 从高载多向支座的工作过程来看, 在受力时支座必 然发生转动。因此除了在设计时要对支座的最大容许转 角进行验算外, 并且有必要考虑因支座转动而产生的反 力矩。但目前已提出的有关高载多向支座各类正交弹簧 的力学模型均不能考虑转动反力矩的问题, 所以当采用 等价杆系力学模型来模拟支座的工作性状时, 由于没有 合理确定支座转动刚度的方法, 所以有关刚度系数的取 值应基于试验结果。 目前, 利用图形交互方式输入结构原始数据并生成 时程分析的结果也正在研究之中, 应用计算机动画技术 来动态显示地震反应时程分析的结果已经在建筑结构 抗震分析软件中实现并完成了商品化。计算机技术的飞 8 桥梁建设　　1998 年第 1 期 速发展和应用软件的更新换代, 已为大跨度公路桥梁地 震反应时程分析的应用软件研究展现了广阔的发展前 景, 其中多媒体技术在工程计算可视化方面的应用潜力 很大, 应予以高度重视。 参 考 文 献 1 　周建春, 刘光栋. 大跨度公路桥梁抗震分析的研究进展. 湖南 大学结构工程研究所. 1995 (收稿日期: 1996212217) A se ism ic Respon se Analysis and Study for Large- span H ighway Br idges Zhou j ianchun　L iu Guangdong Abstract　 In th is paper, the p rob lem s and developm en t of the seism ic respon se ana lysis and study fo r la rge2 span h ighw ay b ridges are d iscu ssed and summ arized in deta il. Key W ords　la rge2span h ighw ay b ridge, aseism ic respon se ana lysis, summ ary of headw ay 9大跨度公路桥梁抗震分析研究　周建春　刘光栋