桥梁工程多尺度抗震时程分析方法技术

本发明专利技术涉及一种桥梁工程多尺度抗震时程分析方法，该方法包括如下步骤：根据桥梁结构设计图纸，建立桥梁工程的整体有限元模型；根据用户的具体需求，建立桥梁工程关键部位的局部精细有限元模型；根据场地土的具体类别进行地震波选取，并将其作为地震动输入；在整体有限元计算模型上施加所述地震波，进行地震响应非线性时程分析；维持局部精细有限元原有的荷载和边界条件不变，将整体有限元模型和局部精细有限元模型之间衔接起来。本发明专利技术解决现有的桥梁抗震时程分析方法无法获得结构的精细地震响应时程的问题，实现用户对地震作用下结构关键部位受力状态的精确把握。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一套完整的桥梁工程多尺度抗震分析方法，尤其适用于对地震作用下 桥梁结构时程响应的精细化分析。
技术介绍
地震历来是严重危害人类的一大自然灾害，在世界范围内造成了非常惨重的生命 财产损失。尤其是近40年来，全球发生了许多次大地震，包括美国San i^ernand0(圣费尔 南多)地震、Loma Prieta(洛马-普雷塔)地震、中国唐山大地震、汶川大地震、日本阪神 大地震以及海地地震等，给人类造成了非常惨重的生命财产损失。这几次地震灾害的共同 特点是由于桥梁工程遭到严重破坏，切断了震区交通生命线，造成救灾工作的巨大困难， 使次生灾害加重，导致了巨大的经济损失。因此，全世界的桥梁抗震工作者纷纷对现行的抗 震设计规范和常用抗震措施进行反思和改进，桥梁抗震技术也因此成为桥梁工程领域的研J Li ^^ ； ^^ ο另一方面，我国当前正处于土木工程建设的蓬勃发展阶段，从20世纪90年代中期 开始先后建成的大跨度桥梁包括主跨900米的西陵长江大桥、主跨888米的虎门大桥、主跨 1377米的香港青马大桥、主跨1385米的江阴长江大桥以及主跨1490米的润扬长江大桥悬 索桥。同时国内很多特大规模的跨江跨海桥梁工程正处于建设阶段。这些大跨度桥梁投资 多，规模巨大，而且通常地处交通要道，其强度或疲劳损伤破坏将造成交通系统的大面积瘫 痪，影响不容忽视。因此，保证这些重要桥梁工程的抗震安全性具有重要性和紧迫性。由于在传统的桥梁地震反应时程分析中通常采用“脊骨梁”模型，分析结果也主 要体现在关键截面的位移或加速度响应这一层面，无法获得主梁关键部位准确应力响应时 程。同时由于“脊骨梁”模型没有模拟出主梁的细部构造如焊缝等，使得采用目前的常规方 法尚不能够准确把握桥梁工程的精细受力状态。对大型桥梁整体结构进行精细微观建模及 分析目前是不现实的，取出局部模型精细模拟，又存在边界条件难确定的问题。多尺度计算是解决以上问题的有效途径，该方法对用户关心的结构关键部位进行 精细模拟，通过结构宏观与细观模型之间的有效衔接来获取精细分析结果，目前已在土木 工程等领域内得到广泛应用。因此，迫切需要基于已有的多尺度理论专利技术一套适用于桥梁 工程抗震的精细化分析方法。在桥梁抗震分析过程中进行多尺度模型建模分为以下四步。第一步是根据用户 对桥梁抗震功能的需求，建立局部精细模型，对该精细模型内部进行局部小尺度网格划分； 第二步是建立桥梁结构整体有限元模型，对其进行较大尺度的网格划分；第三步，将第一步 中建立的局部精细模型通过其和整体有限元模型的界面连接条件嵌入到整体结构中；第四 步，将计算结果返回到物理坐标。多尺度模型建模过程中，必须根据圣维南原理来考察多尺 度有限元模型局部应力有效范围。值得一提的是，20世纪70年代以来，随着计算机软硬件技术的飞速发展，结构有 限元分析技术有了很大的突破，ANSYS(土木领域常用软件名称)、ABAQUS(土木领域常用软4件名称)、ADINA (土木领域常用软件名称)和MSC/NASTRAN(土木领域常用软件名称)等具 有强大的求解和前后处理功能的大型通用有限元软件的应用日渐广泛，这些大型通用有限 元软件大都自带子结构和子模型分析模块，并具有强大的二次开发功能，为进行结构多尺 度有限元模拟提供了软件平台。这也为桥梁工程多尺度分析方法的推广应用奠定了软件基 石出。
技术实现思路
技术问题本专利技术的目的是对现有的桥梁抗震分析方法进行了精细化改进，同时 引入了多尺度有限元模拟技术，在此基础上发展了一种桥梁工程多尺度抗震时程分析方 法，便于获得桥梁结构关键部位、细部构造等的细部响应特征。技术方案为解决上述技术问题，本专利技术提供的一种桥梁工程多尺度抗震时程分 析方法包括以下步骤根据桥梁结构设计图纸，建立桥梁工程的整体有限元模型；根据用户的具体需求，建立桥梁工程关键部位的局部精细有限元模型；根据场地土的具体类别进行地震波选取，并将其作为地震动输入；在整体有限元计算模型上施加所述地震波，进行地震响应非线性时程分析；维持局部精细有限元原有的荷载和边界条件不变，将整体有限元模型和局部精细 有限元模型之间衔接起来；利用所述地震响应非线性时程分析所得分析结果对局部精细有限元模型的切割 边界进行插值，进行局部精细有限元模型的地震响应时程分析。优选的，所述对整体有限元模型进行地震响应时程分析的结果包括整体有限元模 型第一绝对加速度I和第二绝对加速度 ο、第一速度t和第二速度、第一位移yb和第二位 移ys，具体方法如下桥梁工程在各支承处受到地面运动的作用，其运动方程为权利要求1.一种，其特征在于该方法包括以下步骤 根据桥梁结构设计图纸，建立桥梁工程的整体有限元模型；根据用户的具体需求，建立桥梁工程关键部位的局部精细有限元模型； 根据场地土的具体类别进行地震波选取，并将其作为地震动输入； 在整体有限元计算模型上施加所述地震波，进行地震响应非线性时程分析； 维持局部精细有限元原有的荷载和边界条件不变，将整体有限元模型和局部精细有限 元模型之间衔接起来；利用所述地震响应非线性时程分析所得分析结果对局部精细有限元模型的切割边界 进行插值，进行局部精细有限元模型的地震响应时程分析。2.根据权利要求1所述的，其特征在于对整体有限 元模型进行地震响应时程分析，其结果包括整体有限元模型第一绝对加速度和第二绝对 加速度、第一速度和第二速度 、第一位移yb和第二位移ys，具体方法如下桥梁工程 在各支承处受到地面运动的作用，其运动方程为!3=1；)…式(1)中，t，〗s，ys分别是非支承处自由度的第一绝对加速度、第一速度和第一位移 向量;MS，CS，KS是相应的质量、阻尼和刚度矩阵；Csb为结构支承部位引起的非支承处自由度 的阻尼；Ksb为结构支承部位引起的非支承处自由度的刚度Jb，yb-yb分别为支承处自由 度的第二绝对加速度、第二速度和第二位移向量；Mb，Cb，Kb为相应的质量、阻尼和刚度矩阵； Fb为支承反力；基于拟静力位移的概念，结构反应位移可分离为动力反应位移和拟静力位移，可表示为0""CsCsb-Xκ/0M4.W.el,WKLKi.(2)ybJ式(2)中，y为结构反应位移，^是非支承处自由度的第一位移向量、yb为支承处自由度 第二位移向量，<为非支承处自由度的动力反应位移，y丨为非支承处自由度的拟静力位移；对于给定地面运动位移yb，y丨可由下式求得 yss=-K;1Ksbyb=Ryb(3)y!为非支承处自由度的拟静力位移，Ks是非支承处自由度相应刚度矩阵、Ksb为结构支 承部位引起的非支承处自由度的刚度、yb为支承处自由度第二位移向量，R称为影响矩阵， 其物理意义是结构与基础接触的某一自由度发生一个单位变位引起的其他结构自由度上 的变位；以上即为桥梁结构在地震作用下的运动方程，采用逐步积分法可求出整体有限元模型 中各节点的动力位移及加速度增量，节点的总位移。3.根据权利要求1所述的，其特征在于根据场地 土的具体类别进行地震波选取时，至少选取3条以上的不同地震波，并从中选取最不利地 震波进行抗震分析。4.根据权利要求1所述的，其特征在于在整体有 2限元模型上施加所述地震波时，在横桥向、纵桥向和竖向同时施加地震波。全文摘要本专利技术涉及一种，该方本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种桥梁工程多尺度抗震时程分析方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：根据桥梁结构设计图纸，建立桥梁工程的整体有限元模型；根据用户的具体需求，建立桥梁工程关键部位的局部精细有限元模型；根据场地土的具体类别进行地震波选取，并将其作为地震动输入；在整体有限元计算模型上施加所述地震波，进行地震响应非线性时程分析；维持局部精细有限元原有的荷载和边界条件不变，将整体有限元模型和局部精细有限元模型之间衔接起来；利用所述地震响应非线性时程分析所得分析结果对局部精细有限元模型的切割边界进行插值，进行局部精细有限元模型的地震响应时程分析。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩，宗周红，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：84