摘 要

正交T型梁桥是一种比较特殊的常用桥型，这种桥型一般适用于跨越交叉路线或者互通式立体交叉。一般来说，在地震发生时，正交梁桥的受破坏程度远低于斜交梁桥，表现出较低水平的易损性，虽然如此，但是当地震发生时，对一切桥梁来说都等同，所造成的损失往往都是不可逆的，因此在地震的威胁下，为了确保国家人民生命线的安全，必须进一步加强对正交梁桥抗震能力提升的认识，本文的主要工作有以下几点：

首先阐述的是有关国内外桥梁抗震的研究现状，总结桥梁抗震理论与技术的现状和成果，探究桥梁抗震设计理论的未来发展方向，简要回顾了桥梁抗震设计理论的发展过程，包括桥梁抗震各种方法和理论的发展，论证了该项研究的重要研究意义，交代该论文的主要工作。

给支座模型3条地震波，得到碰撞分析结果。随后通过调整初始间隙和碰撞刚度，得到不同的实验结果，得出相应规律，为实际过程中桥台与梁体的碰撞情况作出指导。

关键词：支座模型；动力响应；时程分析；地震波。

Abstract

Orthogonal t - beam bridge is a kind of relatively special common bridge type, which is generally suitable for crossing crossing routes or interchange stereo crossing. Generally speaking, when an earthquake occurs, the damage degree of orthogonal girder bridges is far lower than that of skew girder bridges, which shows a lower level of vulnerability. nevertheless, when the earthquake occurs, it is equivalent to all bridges, and the losses caused are often irreversible. therefore, in order to ensure the safety of national lifeline under the threat of earthquake, we must further strengthen our understanding of improving the seismic capacity of orthogonal girder bridges. the main work of this paper is as follows:

First of all, it elaborates the research status of bridge seismic at home and abroad, summarizes the current situation and achievements of bridge seismic theory and technology, explores the future development direction of bridge seismic design theory, briefly reviews the development process of bridge seismic design theory, including the development of various methods and theories of bridge seismic, demonstrates the important research significance of this research, and explains the main work of this paper.

Three seismic waves are given to the support model, and the result of collision analysis is obtained. Then, by adjusting the initial gap and collision stiffness, different experimental results are obtained, and corresponding laws are obtained to guide the collision between the bridge platform and the beam body in the actual process.

Key words: Support model; Dynamic response; Time-history analysis；Seismic waves.

目录

第一章绪论 1

1.1地震及抗震理论简介 1

1.2研究背景及研究现状分析 2

1.2.1研究背景 2

1.2.2研究现状分析 2

1. 3研究目的及意义 3

1.3.1研究目的 3

1.3.2课题研究的意义与价值 3

第二章模型建立方法与计算模型 5

2.1碰撞分析方法 5

2.2模型建立前的准备工作 5

2.2.1截面尺寸的拟定 5

2.2.2截面的生成 6

2.3模型的建立 7

2.3.1碰撞单元的添加 7

2.3.2模型结构示意图 8

2.3.3模型相关参数 8

第三章地震作用下碰撞分析 11

3.1地震波1下支座模型时程分析结果 11

3.1.1地震波1位移时程分析结果 11

3.1.2地震波1速度时程分析结果 11

3.1.3地震波1加速度时程分析结果 12

3.1.4地震波1一般连接时程分析结果 12

3.2地震波2下支座模型时程分析结果 12

3.2.1地震波2位移时程分析结果 13

3.2.2地震波2速度时程分析结果 13

3.2.3地震波2加速度时程分析结果 13

3.2.4地震波2一般连接时程分析结果 13

3.3地震波3下支座模型时程分析结果 14

3.3.1地震波3位移时程分析结果 14

3.3.2地震波3速度时程分析结果 14

3.3.3地震波3加速度时程分析结果 15

3.3.4地震波3一般连接时程分析结果 15

第四章 参数分析 16

4.1参数的拟定 16

4.2碰撞刚度对模型时程分析的影响 16

4.2.1模型一时程分析结果 16

4.2.2模型二时程分析结果 17

4.2.3模型三时程分析结果 18

4.2.4模型四时程分析结果 19

4.2.5碰撞刚度的影响 20

4.3初始间隙对模型时程分析的影响 21

4.3.1模型三时程分析结果 22

4.3.2模型五时程分析结果 23

4.3.3模型六时程分析结果 24

4.3.4模型七时程分析结果 25

4.3.5初始间隙的影响 26

第五章 结论与展望 28

5.1结论 28

5.1.1碰撞刚度对模型时程分析的影响 28

5.1.2碰撞刚度对模型时程分析的影响 28

5.2需要改进之处和进一步研究的建议 29

参考文献 30

致谢 32

第一章绪论

1.1地震及抗震理论简介

地震是地壳快速释放能量过程中造成的振动，期间会产生地震波的一种自然现象。地球上板块与板块之间相互挤压碰撞，造成板块边沿及板块内部产生错动和破裂，是引起地震的主要原因。当前的科技水平尚无法预测地震的到来，未来相当长的一段时间内，地震也是无法预测的。所谓成功预测地震的例子，基本都是巧合。对于地震，我们更应该做的是提高建筑抗震等级、做好防御，而不是预测地震。

桥梁抗震设计理论的发展主要来源于地球上发生的几次震级较大的地震，如1989年美国的洛马·普里埃塔( Loma Prieta)地震，1994年美国的北岭(Northridge)地震，1995年的日本阪神(Kobe)地震，2008年中国坟川大地震以及2011年日本“3 ·11”大地震。这几次地震震害的一个共同特征是震区的桥梁工程遭到了严重的破坏，切断了震区的对外交通，造成孤岛现象，给震后的救灾工作造成巨大困难，导致次生灾害经济损失特别巨大。因此，各国政府越来越关注桥梁的抗震性能。

较早的结构抗震分析采用静力理论，将地震作用按静力荷载施加到结构上进行内力分析和验算。随着结构动力学研究的深入，静力理论由于忽略了地面运动特性与结构动力特性的相互作用，其先天不足逐渐显现。20世纪40年代，反应谱理论被提出用以考虑地震动与结构动力特性的影响，此后这一理论陆续被各国的抗震规范所应用。尽管反应谱理论在形式上也是一种静力计算过程，但其考虑了地面运动和结构的动力特性，比静力理论有很大的进步。

结构在强震作用下往往会产生较大的塑性变形。1971年的美国圣弗尔南多地震中，大量结构被发现经历了较大的塑性变形但并未倒塌。为了考虑这一因素，20世纪70年代，以Park和Pausay为首的新西兰学者提出了利用结构延性并结合能力保护设计的抗震设计理论。在利用结构延性进行抗震设计时，反应谱理论计算的弹性地震力引入地震折减系数(综合影响系数)，来考虑延性变形的影响。在延性抗震设计中，一个很重要的保证措施即是能力

保护的设计方法，这种方法通过建立预期的延性破坏构件和其他期望受到保护的构件之间的强度差异，可以最大限度地保证结构的破坏发生在预期的延性构件上，而与具体的地震作用不敏感。采用这种方法，结构的破坏形态和破坏部位均可预期，对预期的破坏部分进行专门的构造设计则可以最大限度提高结构整体的延性能力，进而大幅度提高结构在地震中的安全性。这种设计方法的基本计算流程为:首先，根据结构自振周期T和弹性加速度反应谱计算结构弹性地震力，然后采用一个强度折减系数R对弹性地震力进行折减，得到结构的设计地震力F。因此，这种方法也被称之为基于强度的抗震设计方法，目前己被大多数主要地震国家的结构抗震设计规范所采纳。

1.2研究背景及研究现状分析

1.2.1研究背景

地震又称地动、地振动，是地壳快速释放能量过程中造成振动，期间会产生地震波的一种自然现象。地震常常造成严重人员伤亡，能引起火灾、水灾、有毒气体泄漏、细菌及放射性物质扩散，还可能造成海啸、滑坡、崩塌、地裂缝等次生灾害。

破坏性地震经常造成大量的人员伤亡和巨额的经济损失，严重制约了社会的可持续发展。为了减轻地震灾害损失，开展地震损失评估方法的研究，不仅有助于震前找出抗震弱点，合理规划建设，增加抗震措施，提高区域的抗震能力。同时也有助于震后应急和恢复重建工作的科学有效开展。据调查,2008年汉川大地震就造成大量交通生命线工程破坏，其中仅桥梁就损毁6140座，由此可见,科学地进行桥梁抗震设计究竟有多么重要。

伴着我国一带一路建设宏图伟略的发展，越来越多的桥梁项目开始实施，桥梁建设中也遇到越来越多的高难度工程，在这种条件下，对桥梁抗震提出了许多新的要求，我国在本国交通工程建设以及在国外工程建设中必须考虑抗震这一问题。

地震过程本身是一个随机的过程，它发生的时间、地点和大小都具有明显的不确定性，所以提高桥梁的抗震性能是减轻地震损失是加强区域安全的基本措施之一，这也是是我国不管对内还是对外基础设施建设中所面临的重大课题，我们应该通过对地震的研究及分析，对其进行深入的了解之后，作为一个重要的课题进行论证，对它的合理可行性进行论证分析，进一步保护桥梁遭受地震破坏。正是出于这个原因，我的这次课题是对地震作用下正交梁桥动力计算模型与碰撞效应进行分析，希望能够探索出这类桥梁在应对地震和碰撞时能有更好的对策。

1.2.2研究现状分析

桥梁抗震研究早期结构抗震计算采用的是静力理论，随后在它的基础上发展成为震度法；后来又出现了弹性反应谱法和时程分析法，前者以计算地震力的最大值为主；后者进行有线弹性材料行为、非线性材料滞回特征、几何非线性效应的模型分析；还有push—over法，它是将地震荷载等效成侧向荷载，通过对结构施加单调递增水平荷载来进行分析的一种非线性静力分析方法，它研究结构在地震作用下进入塑性状态时的非线性性能，是一种非常了不起的抗震作用分析方法；本文所用的支座模型法是从单梁模型演变而来，这是为了模拟桥台与梁体的碰撞，将正交T梁桥5片梁作为一个整体，过渡到Midas模型中，这种方法相较于更为精准的梁格法显得较为直接、简单；梁格法是通过将分散的梁板或者箱梁某段内的弯曲以及抗扭刚度假定集中于最邻近的等效梁格内，实际结构纵向刚度集中于纵向梁格内，横向刚度集中于横向梁格。可以看到这两种方法，支座模型方法易于理解和使用，利用计算机很方便，因此此次毕业设计以支座模型为例探究地震作用下的碰撞分析。

1. 3研究目的及意义

1.3.1研究目的

分析和探讨碰撞模型的建模方法与影响参数，即如何给两个梁体添加碰撞单元。本次的毕业设计，针对正交梁桥选择了标准跨径为25m正交T梁，并为了有效的模拟碰撞过程，将另一梁体标准跨径变为18m，高度也在25mT梁的基础上下降了0.4m。以这两个梁体中间添加碰撞单元，实现对地震作用下正交梁桥结构受力特征分析，并从中通过调整碰撞单元的两个影响因素：碰撞刚度和初始间隙，进而探讨这些参数对结构地震响应的影响，以此总结地震响应规律。

这次的毕业设计不仅仅是Midas中有限元模拟，它在实际的生产生活中也是极其关键的，通过总结地震作用下结构的动力响应，找到能够提高该类桥梁抗震能力的可靠的、有效的方法，使得地震中桥台与梁体的碰撞时，不至于破坏，真正起到生命之桥，繁荣之桥和友谊之桥；使得国家在基础工程建设技术上更上一层楼，为国家基础设施建设以及世界基础设施建设作出积极的贡献。

1.3.2课题研究的意义与价值

1. 对个人的意义

通过推进该课题，我在本校电子图书馆查阅了许多中文文献和外文文献，不断筛选自己所需要的资料，这大大加强了我独立思考，对信息的提取能力以及亲自动手实际操作的能力、在做这些工作的同时，我也在不停地反思，不停的创造出一些新的想法，通过观点之间的组合产生新的观点，大大提高我的创新意识，最重要的是，这让我对我自己的本科专业有了更深层次的了解，让我了解到自己目前所学的知识只不过是世界相关领域的冰山一角，让我了解到国内外抗震研究已经发展到很先进的层次，想要赶上行业的先进水平还需要付出许许多多的努力；我在大学学习的很多知识比如理论力学，结构力学也得到了巩固，，对midas软件的建模操作也更加熟悉。另外，通过midas建模，我掌握梁格理论分析的基本步骤、基本理论与基本原则，学会对计算出的图形数据和数字数据进行分析，找出其中的主要影响因素，并得出相应的结论，这对于我们今后在日常学习生活中发现问题解决问题至关重要。

1. 实践意义

首先利用midas软件进行建模，此次运用Midas/civil对正交T型桥进行碰撞模拟分析，是通过在两个桥的拼接处添加碰撞单元，随后给整体添加时程函数以及地震荷载工况。为了达到这一目的，我前后花费了半个多月的时间来从头到尾慢慢跟进操作，而且，在对模型施加荷载的时候，遇到了一定的困难，最终是在老师和师兄的帮助下得以成功解决问题，这个过程对我能力提升的重要性是不言而喻的，通过这样的探究过程，我对于科研有了更浓厚的兴趣，由此，我对我今后研究生的学习研究生活有了更大的自信心。.

第二章模型建立方法与计算模型

2.1碰撞分析方法

此次运用Midas/civil对正交T型桥进行碰撞模拟分析，是通过在两个桥的拼接处添加碰撞单元，随后给整体添加时程函数以及地震荷载工况。其中，地震作用是通过反应谱的形式输入给全桥体系，Midas/civil中非常方便的自带了不同的地震波形和不同的地震峰值，通过对峰值、放大倍数的调整，给整个桥梁分别施加3条不同的地震波，得到毕业设计要用的结果。此次毕业设计为了方便起见，两跨桥均为等截面梁桥，为了使两桥有视觉上的区别，左边桥梁高为2m，标准跨径25m，而右边桥高1.6m，标准跨径为18m。将两个桥的间隙处用Midas/civil中的一般连接特性值赋予模型碰撞单元，实现碰撞单元的添加。另外，在对模型施加荷载的时候，由于地震碰撞效应为此次设计的主体，为此，仅在静力荷载下添加自重荷载工况。最后时程分析结束后，提取模型的时程分析结果，此处重点仅放在一般连接处，模型的一般连接的左右节点为29、32。此次毕业设计结果提取的节点均选29，结果包括29节点的位移/速度/加速度时程，以及一般连接的变形和内力结果，并汇总。

2.2模型建立前的准备工作

2.2.1截面尺寸的拟定

在建立正交T梁桥的碰撞模型之前，需要对正交T梁桥的截面尺寸进行细部的拟定，包括主梁片数与主梁尺寸。

在这里，单幅桥面宽为12m，横截面上T形梁片数为5片，并在连接的过程中适当选用湿接缝，具体的工程实例截面图见图2.1。而支座模型的建立与示意图稍有差别，为了便于在Midas/civil中对整个支座截面有更为直接的体现，将主梁的横断面布置如下。

图2.1 5片T梁截面示意图

而支座模型的建立与示意图稍有差别，为了便于在Midas/civil中对整个支座截面有更为直接的体现，将主梁的横断面布置如下。下图是碰撞单元连接的两个跨径不同的T梁桥横截面示意图。从图中可以看到，两桥桥型均为正交T梁桥，差别在于两者的梁截面高度，上面的高度为2m，下面的高度为1.6m。在5片梁的相邻梁间，由于梁宽较大，为了保证梁能够整体稳定受力，需要采用现浇的刚性接头将5片梁变为一个整体。而工程实例中需要的湿接缝在建模过程中，便不予显示了。

图2.2 支座模型横截面示意图

2.2.2截面的生成

由于支座截面涵盖的信息量较大，而单梁模型的梁端截面和跨中截面相比较小，且截面生成的方式较为接近。为此本文仅以2m梁高支座模型横截面的Midas/civil截面图的生成过程进行概述。前面讲支座截面通过AutoCAD绘制出来后，将绘好的截面图保存为dxf文件，随后将dxf文件导入到截面特性编辑器中，通过Plane命令生成截面，并将截面的网格划分调整为更细的状态，最后导出sec截面文件。在建模过程中，将生成好的sec截面文件用设计用截面的形式导入到Midas中，完成对截面的编辑。

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