论桥梁抗震模型建立分析的目的

高建平

（山西省公路局忻州公路分局，山西忻州034000）

论桥梁抗震模型建立分析的目的

高建平

（山西省公路局忻州公路分局，山西忻州034000）

文章论述了桥梁抗震评估的建立模型和分析手段，其目的是用结构位移、构件受力及变形对桥梁地震反应进行定量化分析。

桥梁；抗震；模型；建立；分析

1 概述

在数学模型和分析技术的帮助下，可进行桥梁整体结构位移、单元力和局部变形反应量的计算，从可用性和适用范围角度出发讨论桥梁定量地震反应分析常用的模型和分析手段，并尽量为行业研究工作提供适当的模型开发和分析用的一般性准则。

近几十年来与数值计算飞速发展的直接相关的桥梁结构模型化和地震反应分析技术取得了很大进展，20世纪50年代中期有限元技术的发展和20世纪70年代第一本关于结构力学和地震工程方面的权威著作的问世，桥梁体系的静力和动力分析都经历了很大的突破，尤其是计算机的发展，通过不断改进硬件、软件工具克服了手工计算和迭代求解方程的局限性，桥梁体系可以进行整体多框架模型的分析，并且考虑了材料非线性和几何非线性的影响效应，沿着桥梁长考虑多点地面运动输入整个桥梁的动力时程分析。

但是，这些计算能力方面的进展并没有在新桥抗震设计或现有桥梁的易损性评估和抗震加固中得到充分反映。相反更多新型的桥梁体系设计和建造技术的开发并没有用到计算机，现有可用的先进的桥梁模型和分析手段似乎有碍于加快新桥抗震设计和现有桥梁加固的进程。原因是由于模型的复杂性和专门化。确切地说，整体模型和复杂的分析都是有助于桥梁整体的抗震评估和设计。

2 抗震评估及设计手段

在理想的情况下，基于确定性的地震力的输入以及已知边界条件、材料的性能、刚度和阻尼特性，这样详细描述的模型的分析设计似乎是可行的。但在实际情况下，地震事件发生的未知性、材料性能的不确定性和未知边界条件加上其他一些无法估计的条件，不持这样一个理想的设计方法，而是建议这样一个设计过程，既要反复处理这些不确定性因素，又要确定数学模型。因此，类似于方案选择与细部设计情况，只要将其作为抗震要求和抗震能力定量化的手段，则桥梁模型的建立和分析必须是桥梁抗震评估和设计过程整体的一部分。对特殊的桥梁设计问题，选择最合适的模型和分析类型，其本身就是一项艺术性工作，它要求对下列问题有深入的了解：①整个桥梁设计的过程；②桥梁结构在地震荷载下的动力反应；③不精确的模型假设带来的后果；④现有建立模型和分析技术，以及所有这些技术的适用范围和容易出现的问题。因此类似于概念设计和细部，选择合适的模型和分析手段需要有一定的实践经验。本文仅提供这些分析手段的大致情况以及它们的使用规则。

尽管有了先进的模型和分析手段，但是由于不容易得到基本的输入参数，许多桥梁地震反应分析仍然存在对实际地震反应机制物理特性的理解有限的问题，这样使得这些复杂的数学模型不能应用。桥梁地震反应模型建立和分析需要进一步发展和完善的问题在于：①桥台和桥墩位置土——结构相互作用；②伸缩缝特性的表达；③循环荷载——变性特征和阻尼；④随延性增加的剪力和弯矩的相互作用；⑤接缝和连接区域的变形；⑥具有不同反应特性的桥梁不同部分间的相互作用和非一致性的桥梁不同部分间的相互作用和非一致地震输入。

3 桥梁模型建立分析的目的

桥梁模型建立分析的目的主要是用于结构位移、构件受力及变形对桥梁地震反应进行定量化分析。图1系统地描述了这两种桥梁地震反应分析情况的大致过程。

图1 桥梁抗震分析的模型化水平

将抗震要求定量化的设计模型通常建立在桥梁初步设计的构件尺寸基础上，利用估计的有效截面性能或设计使用的材料特性。为了要达到抗震设计要求，需要开发代表整个或整体桥梁结构体系的模型，在众多的分析技术中，大多数是线弹性的，对于等效静力或动力地震荷载输入，可以提供定量的构件力。基于这些构件力，可以通过反复迭代修改桥梁尺寸和细部设计，在能力设计思路和原理的支持下，这个分析方法可以用来初步确定：①临界塑性区的抗弯拉强度特征；②在承载力设计要求下，保证其他构件和截面的强度要求。

现有桥梁的地震易损性评估的目标一般集中在对有效承载力的定量化分析上，它基于已知的尺寸和细部设计情况、等效的断面性质和可能量测得到当前的材料性质，评估方法中包含了桥梁各个组成构件最有可能的力——变形特性关系。随后将每个构件组合到框架倾覆或完全非线性有限元分析中，进行桥梁结构各个分离子系统的抗震变形评估。

最后一步是根据桥梁评估和设计模型得到的等效位移弹性力对抗震要求和抗震能力结果进行对比。

在桥梁抗震分析过程中，桥梁原型结构几何性能特征容易通过模型手段进行数学表达，这种描述的过程称为离散化过程。原型结构的性能可以用离散的数学单元加上单元之间的连接方式和相互作用的形式来描述。可以建立不同离散程度的数学模型，从集中参数现象模型和结构构件模型到详细的有限元模型。

在集中参数模型（LPM）中，桥梁的质量、刚度和阻尼被聚集或集中到离散点位置，该模型数学表达简单，但为了反映桥梁原型的行为特征需要有理论和经验来形成理想的等效力——变性关系。结构构件模型（SCM）基于理想化的结构子系统，可以组装成类似桥梁原型结构的总体几何形状，以每个结构构件或子系统的结构端部力——变性关系形式给出反应特性现象。有限单元模型（FEM）是用于许多小单元将实际桥梁结构几何尺寸进行离散化处理，各个小单元性能特性直接根据组成结构的材料情况。从集中参数模型到结构构建模型再到有限元模型，几何离散化程度显著地逐渐增加，这可以从大量的反应未知量中定量看出。由于大多数桥梁模型是根据位移进行的，这些未知的反应量典型的是用模型接头或节点的独立变形来表达并称为自由度，另一方面，在有限元模型中，每个结构的特性是自动生成到整体模型中，但在集中参数模型（LPM）和结构构件模型（SCM）中需要有明显的定义和工程判断能力。当需要用非线性单调或非线性循环反应分析模型代替线性分析模型时，模型建立工作量随之增加。由于离散化和计算工作量问题，所以经常对较简单的分析过程采用较为复杂的模型或离散化方法，而对较复杂的分析过程用简单的离散化分析方法来分析。

正确的模型建立和分析手段选择取决于：①进行桥梁分析所需要的反应量及要求的精度；②桥梁设计或评估模型分析采用的极限状态；③桥梁结构的重要性程度以及基于更为复杂的手段能够得到那些更好的结果；④设计人员的资质和经验，以及通过抗震设计或易损性评估要达到何种详细程度的分析结果。

需要再次强调的是，在桥梁抗震设计过程中，桥梁结构反应分析模型建立和分析工作的手段，可以有选择性地进行。

By Bridge EarthquakeResistanceM odelBuilding AnalysisGoal

Gao Jianping

The article elaborated the bridge earthquake resistance to appraise thismodel building and the analysismethod，its goalwaswith the structure displacement，the componentstressand the distortion to thebridgeearthquake responded thatcarried on thequantitativeanalysis.

bridge；earthquake resistance；model；establishment；analysis

U441+.3

A< class="emphasis_bold"> 文章编号：1

1000-8136(2011)05-0039-02

高建平，男，1959年1月出生，山西五台人，2005年7月毕业于北京交通大学公路工程与管理专业，高级工程师。