專利名稱：橋梁工程多尺度抗震時程分析方法
技術領域：
本發明涉及一套完整的橋梁工程多尺度抗震分析方法，尤其適用于對地震作用下 橋梁結構時程響應的精細化分析。
背景技術：
地震歷來是嚴重危害人類的一大自然災害，在世界范圍內造成了非常慘重的生命 財產損失。尤其是近40年來，全球發生了許多次大地震，包括美國San i^ernand0(圣費爾 南多)地震、Loma Prieta(洛馬-普雷塔)地震、中國唐山大地震、汶川大地震、日本阪神 大地震以及海地地震等，給人類造成了非常慘重的生命財產損失。這幾次地震災害的共同 特點是由于橋梁工程遭到嚴重破壞，切斷了震區交通生命線，造成救災工作的巨大困難， 使次生災害加重，導致了巨大的經濟損失。因此，全世界的橋梁抗震工作者紛紛對現行的抗 震設計規范和常用抗震措施進行反思和改進，橋梁抗震技術也因此成為橋梁工程領域的研
J Li ^^ ； ^^ ο另一方面，我國當前正處于土木工程建設的蓬勃發展階段，從20世紀90年代中期 開始先后建成的大跨度橋梁包括主跨900米的西陵長江大橋、主跨888米的虎門大橋、主跨 1377米的香港青馬大橋、主跨1385米的江陰長江大橋以及主跨1490米的潤揚長江大橋懸 索橋。同時國內很多特大規模的跨江跨海橋梁工程正處于建設階段。這些大跨度橋梁投資 多，規模巨大，而且通常地處交通要道，其強度或疲勞損傷破壞將造成交通系統的大面積癱 瘓，影響不容忽視。因此，保證這些重要橋梁工程的抗震安全性具有重要性和緊迫性。由于在傳統的橋梁地震反應時程分析中通常采用“脊骨梁”模型，分析結果也主 要體現在關鍵截面的位移或加速度響應這一層面，無法獲得主梁關鍵部位準確應力響應時 程。同時由于“脊骨梁”模型沒有模擬出主梁的細部構造如焊縫等，使得采用目前的常規方 法尚不能夠準確把握橋梁工程的精細受力狀態。對大型橋梁整體結構進行精細微觀建模及 分析目前是不現實的，取出局部模型精細模擬，又存在邊界條件難確定的問題。多尺度計算是解決以上問題的有效途徑，該方法對用戶關心的結構關鍵部位進行 精細模擬，通過結構宏觀與細觀模型之間的有效銜接來獲取精細分析結果，目前已在土木 工程等領域內得到廣泛應用。因此，迫切需要基于已有的多尺度理論發明一套適用于橋梁 工程抗震的精細化分析方法。在橋梁抗震分析過程中進行多尺度模型建模分為以下四步。第一步是根據用戶 對橋梁抗震功能的需求，建立局部精細模型，對該精細模型內部進行局部小尺度網格劃分； 第二步是建立橋梁結構整體有限元模型，對其進行較大尺度的網格劃分；第三步，將第一步 中建立的局部精細模型通過其和整體有限元模型的界面連接條件嵌入到整體結構中；第四 步，將計算結果返回到物理坐標。多尺度模型建模過程中，必須根據圣維南原理來考察多尺 度有限元模型局部應力有效范圍。值得一提的是，20世紀70年代以來，隨著計算機軟硬件技術的飛速發展，結構有 限元分析技術有了很大的突破，ANSYS(土木領域常用軟件名稱)、ABAQUS(土木領域常用軟
4件名稱)、ADINA (土木領域常用軟件名稱)和MSC/NASTRAN(土木領域常用軟件名稱)等具 有強大的求解和前后處理功能的大型通用有限元軟件的應用日漸廣泛，這些大型通用有限 元軟件大都自帶子結構和子模型分析模塊，并具有強大的二次開發功能，為進行結構多尺 度有限元模擬提供了軟件平臺。這也為橋梁工程多尺度分析方法的推廣應用奠定了軟件基 石出。
發明內容
技術問題本發明的目的是對現有的橋梁抗震分析方法進行了精細化改進，同時 引入了多尺度有限元模擬技術，在此基礎上發展了一種橋梁工程多尺度抗震時程分析方 法，便于獲得橋梁結構關鍵部位、細部構造等的細部響應特征。技術方案為解決上述技術問題，本發明提供的一種橋梁工程多尺度抗震時程分 析方法包括以下步驟根據橋梁結構設計圖紙，建立橋梁工程的整體有限元模型；根據用戶的具體需求，建立橋梁工程關鍵部位的局部精細有限元模型；根據場地土的具體類別進行地震波選取，并將其作為地震動輸入；在整體有限元計算模型上施加所述地震波，進行地震響應非線性時程分析；維持局部精細有限元原有的荷載和邊界條件不變，將整體有限元模型和局部精細 有限元模型之間銜接起來；利用所述地震響應非線性時程分析所得分析結果對局部精細有限元模型的切割 邊界進行插值，進行局部精細有限元模型的地震響應時程分析。優選的，所述對整體有限元模型進行地震響應時程分析的結果包括整體有限元模 型第一絕對加速度I和第二絕對加速度 ο、第一速度t和第二速度、第一位移yb和第二位 移ys，具體方法如下橋梁工程在各支承處受到地面運動的作用，其運動方程為
權利要求
1.一種橋梁工程多尺度抗震時程分析方法，其特征在于該方法包括以下步驟 根據橋梁結構設計圖紙，建立橋梁工程的整體有限元模型；根據用戶的具體需求，建立橋梁工程關鍵部位的局部精細有限元模型； 根據場地土的具體類別進行地震波選取，并將其作為地震動輸入； 在整體有限元計算模型上施加所述地震波，進行地震響應非線性時程分析； 維持局部精細有限元原有的荷載和邊界條件不變，將整體有限元模型和局部精細有限 元模型之間銜接起來；利用所述地震響應非線性時程分析所得分析結果對局部精細有限元模型的切割邊界 進行插值，進行局部精細有限元模型的地震響應時程分析。
2.根據權利要求1所述的橋梁工程多尺度抗震時程分析方法，其特征在于對整體有限 元模型進行地震響應時程分析，其結果包括整體有限元模型第一絕對加速度和第二絕對 加速度、第一速度和第二速度 、第一位移yb和第二位移ys，具體方法如下橋梁工程 在各支承處受到地面運動的作用，其運動方程為!3=1；)…式(1)中，t，〗s，ys分別是非支承處自由度的第一絕對加速度、第一速度和第一位移 向量;MS，CS，KS是相應的質量、阻尼和剛度矩陣；Csb為結構支承部位引起的非支承處自由度 的阻尼；Ksb為結構支承部位引起的非支承處自由度的剛度Jb，yb-yb分別為支承處自由 度的第二絕對加速度、第二速度和第二位移向量；Mb，Cb，Kb為相應的質量、阻尼和剛度矩陣； Fb為支承反力；基于擬靜力位移的概念，結構反應位移可分離為動力反應位移和擬靜力位移，可表示為0""CsCsb-Xκ/0M4.W.el,WKLKi.(2)ybJ式(2)中，y為結構反應位移，^是非支承處自由度的第一位移向量、yb為支承處自由度 第二位移向量，<為非支承處自由度的動力反應位移，y丨為非支承處自由度的擬靜力位移；對于給定地面運動位移yb，y丨可由下式求得 yss=-K;1Ksbyb=Ryb(3)y!為非支承處自由度的擬靜力位移，Ks是非支承處自由度相應剛度矩陣、Ksb為結構支 承部位引起的非支承處自由度的剛度、yb為支承處自由度第二位移向量，R稱為影響矩陣， 其物理意義是結構與基礎接觸的某一自由度發生一個單位變位引起的其他結構自由度上 的變位；以上即為橋梁結構在地震作用下的運動方程，采用逐步積分法可求出整體有限元模型 中各節點的動力位移及加速度增量，節點的總位移。
3.根據權利要求1所述的橋梁工程多尺度抗震時程分析方法，其特征在于根據場地 土的具體類別進行地震波選取時，至少選取3條以上的不同地震波，并從中選取最不利地 震波進行抗震分析。
4.根據權利要求1所述的橋梁工程多尺度抗震時程分析方法，其特征在于在整體有 2限元模型上施加所述地震波時，在橫橋向、縱橋向和豎向同時施加地震波。
全文摘要
本發明涉及一種橋梁工程多尺度抗震時程分析方法，該方法包括如下步驟根據橋梁結構設計圖紙，建立橋梁工程的整體有限元模型；根據用戶的具體需求，建立橋梁工程關鍵部位的局部精細有限元模型；根據場地土的具體類別進行地震波選取，并將其作為地震動輸入；在整體有限元計算模型上施加所述地震波，進行地震響應非線性時程分析；維持局部精細有限元原有的荷載和邊界條件不變，將整體有限元模型和局部精細有限元模型之間銜接起來。本發明解決現有的橋梁抗震時程分析方法無法獲得結構的精細地震響應時程的問題，實現用戶對地震作用下結構關鍵部位受力狀態的精確把握。
文檔編號G06F17/50GK102147827SQ201110067870
公開日2011年8月10日 申請日期2011年3月21日 優先權日2011年3月21日
發明者宗周紅, 王浩 申請人:東南大學