桥梁结构抗震分析与地震保护

前言

第1章 地震动特性及输入问题 1

1.1 地震动随机过程 1

1.1.1 地震动随机过程描述 1

1.1.2 地震动随机过程模型 3

1.2 地震动的工程特性 5

1.2.1 地震动幅值 5

1.2.2 地震动频谱 7

1.2.3 地震动持时 9

1.3 地震动的空间变化性 9

1.3.1 不相干效应 9

1.3.2 行波效应 10

1.3.3 衰减效应 11

1.3.4 局部场地效应 11

1.4 地震动的近断层效应 11

1.4.1 上盘效应 12

1.4.2 速度大脉冲 12

1.4.3 竖向效应 13

1.5 地震动的合成 14

1.5.1 人工合成地震动的一般方法 14

1.5.2 空间变化地震动的合成方法 17

1.5.3 近断层脉冲型地震动合成 22

1.6 地震动输人问题 28

1.6.1 天然地震动记录的选择 28

1.6.2 地震动的输入方式 31

1.6.3 最不利输入角度 31

参考文献 32

第2章 桥梁结构弹性地震反应分析方法 36

2.1 单自由度弹性体系地震反应分析 36

2.1.1 运动方程 36

2.1.2 自由振动 37

2.1.3 强迫振动 37

2.2 单自由度弹性体系反应谱分析 39

2.2.1 地震作用基本表达式 39

2.2.2 地震反应谱 39

2.2.3 标准反应谱 40

2.2.4 设计反应谱 40

2.3 多自由度体系运动方程 42

2.3.1 一致激励运动方程 42

2.3.2 多点激励运动方程 43

2.4 多自由度体系反应谱法 44

2.4.1 自振频率和振型 44

2.4.2 振型分解法 45

2.4.3 振型分解反应谱法 46

2.5 多点激励下斜拉桥弹性地震反应算例 48

参考文献 53

第3章 桥梁主要构件非线性分析模型 54

3.1 上部结构 54

3.1.1 桥面系类型、截面布置和属性 56

3.1.2 斜交及曲线桥 56

3.1.3 预应力的影响 58

3.2 桥梁支座 58

3.2.1 板式橡胶支座 58

3.2.2 盆式橡胶支座 60

3.2.3 钢支座 61

3.2.4 支座模型的重要性及对桥梁抗震评价的作用 62

3.3 桥梁挡块 62

3.3.1 试验研究 64

3.3.2 桥梁内挡块性能和分析模型 67

3.3.3 桥梁外挡块性能和分析模型 75

3.3.4 挡块模型的重要性及对桥梁抗震评价的作用 85

3.4 桥梁碰撞模型 86

3.4.1 刚体力学法 86

3.4.2 接触单元法 87

3.5 桥台-回填土体系 91

3.5.1 失效机理 91

3.5.2 非线性力位移能力 92

3.5.3 简化公式在抗震分析中的应用 95

参考文献 99

第4章 RC桥墩非线性分析模型 101

4.1 常见桥墩非线性分析模型 101

4.1.1 构件恢复力模型 101

4.1.2 等效塑性铰模型 106

4.1.3 纤维梁柱单元模型 111

4.1.4 精细有限元模型 112

4.2 复杂受力下桥墩分析模型 114

4.2.1 弯剪耦合分析模型 114

4.2.2 桥墩压弯扭模型 122

4.2.3 双轴压弯下RC空心墩分析模型 132

4.2.4 FRP约束RC桥墩 139

4.2.5 节段拼装桥墩 149

4.2.6 RC桥墩统一滞回模型 156

参考文献 162

第5章 土-基础-桥梁结构相互作用 168

5.1 自由场地反应分析 168

5.1.1 维波动和地面反应分析 169

5.1.2 时域二维或三维动力反应分析 171

5.2 土-结构动力相互作用 172

5.2.1 边界问题和实际问题简化方法 173

5.2.2 直接方法 175

5.2.3 子结构分析方法 176

5.2.4 等效弹簧-阻尼分析方法 179

5.3 Winkler地基梁法 181

5.3.1 Matlock模型 181

5.3.2 Penzien模型 183

5.3.3 动力p-y（q-z和t-z）曲线法 184

5.4 规范方法 189

5.4.1 m法 189

5.4.2 p-y曲线法 189

5.5 地基阻抗力的时域计算方法 190

5.5.1 稳定条件 190

5.5.2 虚拟力问题 193

5.5.3 实例分析 194

5.6 考虑SSI的桥梁非线性地震反应分析算例 196

5.6.1 采用静力p-y法的斜交桥地震反应 196

5.6.2 采用动力p-y法的斜拉桥地震反应 199

参考文献 204

第6章 桥梁地震反应非线性分析方法 206

6.1 弹塑性静力分析方法 206

6.1.1 基本原理 206

6.1.2 建立能力曲线 207

6.1.3 能力谱方法 210

6.1.4 N2方法 214

6.1.5 多跨曲线桥推覆分析算例 215

6.2 非线性时程分析法 217

6.2.1 基本原理 217

6.2.2 双柱式桥墩连续梁桥时程分析算例 219

6.2.3 增量动力分析法 223

6.2.4 增量动力分析算例 224

参考文献 228

第7章 直接基于位移的桥梁抗震设计方法 230

7.1 基于力的抗震设计方法存在的问题 230

7.2 直接基于位移的设计基本理论和方法 231

7.2.1 直接基于位移设计方法的基本理论 231

7.2.2 设计性能目标 232

7.2.3 目标位移及位移模式 234

7.2.4 P-△效应 236

7.2.5 直接基于位移方法的基本流程 237

7.3 直接基于位移方法的桥梁设计算例 238

7.3.1 四跨连续梁桥 238

7.3.2 RC拱桥 242

7.3.3 基础隔震斜拉桥 248

参考文献 251

第8章 空间地震动作用下桥梁随机反应 253

8.1 三维平稳激励下结构地震反应的虚拟激励法 253

8.2 虚拟激励法在通用有限元程序中的实现 254

8.2.1 大质量法求解结构动力方程 254

8.2.2 响应峰值的计算 255

8.2.3 虚拟激励的构造 256

8.3 算例分析 258

8.3.1 单自由度体系 258

8.3.2 多自由度体系 260

参考文献 263

第9章 基于多尺度有限元建模的桥梁地震倒塌分析 265

9. 1 多尺度单元界面耦合方法与实现 265

9.2 界面连接方法单柱式桥墩验证 267

9.2.1 拟静力分析 267

9.2.2 泊松比分析 269

9.2.3 模态分析 270

9.2.4 正弦时程分析 270

9.3 两跨简支梁桥地震反应数值试验验证 271

9.3.1 沙漏能 272

9.3.2 模态分析 272

9.3.3 支座反力对比 273

9.3.4 碰撞力对比 274

9.3.5 墩底反力对比 276

9.4 简支梁桥倒塌分析 277

9.4.1 桥梁与震害概况 277

9.4.2 地震动选取 278

9.4.3 计算结果分析 279

9.5 高墩大跨连续刚构梁桥倒塌分析 284

9.5.1 桥梁概现及有限元模型 284

9.5.2 桥梁地震倒塌分析 285

参考文献 287

第10章 桥梁地震保护装置 288

10.1 铅芯橡胶隔震支座 288

10.1.1 铅芯橡胶隔震支座的力学性能 289

10.1.2 铅芯橡胶隔震支座恢复力模型 294

10.2 高阻尼橡胶隔震支座 297

10.2.1 高阻尼橡胶隔震支座的性能 298

10.2.2 高阻尼橡胶隔震支座的力学模型 300

10.3 滑动摩擦隔震支座 301

10.3.1 聚四氟乙烯-不锈钢界面摩擦特性 301

10.3.2 平面摩擦型隔震支座 304

10.3.3 摩擦摆支座 305

10.3.4 双凹面摩擦摆支座 306

10.3.5 多重摩擦摆支座 307

10.3.6 抗拉拔桥梁摩擦隔震支座 309

10.3.7 界面热效应预测 310

10.4 三维隔震支座 314

10.4.1 三维隔震支座工作机理 314

10.4.2 三维隔震支座力学性能 315

10.5 隔震支座新进展 316

10.5.1 变曲率摩擦摆支座 316

10.5.2 Roll-N-Cage支座 317

10.6 金属阻尼器 319

10.6.1 菱形钢板阻尼器 320

10.6.2 宫格式阻尼器 321

10.6.3 铅芯钢管阻尼器 322

10.6.4 大行程板式铅阻尼器 323

10.7 防屈曲支撑 325

10.7.1 防屈曲支撑构造及工作机理 325

10.7.2 自复位防屈曲支撑 326

10.8 锁死销及防落梁装置 328

10.8.1 锁死销构造及力学性能 328

10.8.2 防落梁装置及工作机理 330

参考文献 331

第11章 减隔震桥梁地震反应分析方法 334

11.1 单自由度和多自由度分析方法 334

11.1.1 阻尼在减隔震桥梁结构中的作用 334

11.1.2 单自由度分析方法 336

11.1.3 多自由度分析方法 337

11.2 非线性时程分析方法 337

11.3 减隔震桥梁地震反应分析实例 338

11.3.1 铅芯橡胶支座连续梁桥 338

11.3.2 滑动摩擦支座隔震桥梁 341

11.4 附加阻尼装置的高架桥梁地震碰撞分析 349

11.4.1 高架桥梁的碰撞 349

11.4.2 附加阻尼器的减撞控制 351

参考文献 354

第12章 摇摆桥梁结构分析与抗震设计 356

12.1 摇摆桥梁体系概述 356

12.1.1 摇摆桥梁体系构造 356

12.1.2 摇摆桥墩力学机理 357

12.1.3 摇摆桥墩一般损伤过程和极限状态 358

12.2 摇摆桥墩分析方法 359

12.2.1 摇摆结构力学行为分析 359

12.2.2 摇摆桥墩分析计算方法 363

12.2.3 摇摆桥墩数值分析 367

12.3 摇摆桥墩抗震设计方法 373

12.4 摇摆桥墩抗震性能试验研究 374

12.4.1 单墩拟静力试验研究 374

12.4.2 双柱桥墩拟静力试验研究 376

12.4.3 单跨摇摆桥梁振动台试验研究 380

12.4.4 四跨摇摆桥梁振动台试验研究 386

12.5 摇摆桥梁工程应用 390

12.5.1 工程概况 390

12.5.2 设计标准和设计目标 391

12.5.3 设计与分析 392

12.5.4 施工与监测 394

参考文献 395

第13章 桥墩地震动水压力分析方法 397

13.1 桥墩动水压力的计算方法 397

13.1.1 圆形截面桥墩动水压力的解析解 398

13.1.2 椭圆形截面桥墩动水压力的解析解 400

13.1.3 任意截面桥墩动水压力的数值计算方法 404

13.2 桥墩-水相互作用的时域子结构模型 407

13.2.1 圆形截面桥墩可压缩水体动水压力的高精度时域模型 407

13.2.2 方形截面桥墩可压缩水体动水压力的高精度时域模型 414

13.2.3 桥墩不可压缩水体动水压力的附加质量模型 415

13.3 桥墩动水压力的附加质量简化公式 416

13.3.1 圆形截面桥墩 417

13.3.2 矩形截面桥墩 418

13.3.3 椭圆形截面桥墩 420

参考文献 422

第14章 桥梁结构模型动力试验 424

14.1 结构模型设计与相似理论 425

14.1.1 结构模型设计的相似条件 425

14.1.2 模型设计 429

14.2 结构拟动力试验 432

14.2.1 拟动力试验的流程 433

14.2.2 拟动力试验理论问题 434

14.2.3 拟动力方法应用 434

14.3 结构振动台试验 437

14.3.1 地震模拟振动台的分类 437

14.3.2 地震模拟振动台试验的作用 439

14.3.3 地震模拟振动台试验的加载过程和试验方法 440

14.3.4 地震模拟振动台试验结构反应的测量 441

14.4 典型桥梁结构振动台试验实例 441

14.4.1 典型梁桥结构地震模拟振动台试验介绍 441

14.4.2 典型梁桥结构地震模拟振动台试验结果 444

14.4.3 考虑SSI桥梁结构动力子结构试验技术 455

参考文献 463

本书系统介绍了作者十五年来在桥梁结构抗震减震领域的相关研究工作。全书共14章，主要内容包括：地震动特性及输入问题，桥梁结构弹性地震反应分析方法，桥梁主要构件非线性分析模型，RC桥墩非线性分析模型，土-基础-桥梁结构相互作用，桥梁地震反应非线性分析方法，直接基于位移的桥梁抗震设计方法，空间地震动作用下桥梁随机反应，基于多尺度有限元建模的桥梁地震倒塌分析，桥梁地震保护装置，减隔震桥梁地震反应分析方法，摇摆桥梁结构分析与抗震设计，桥墩地震动水压力分析方法，以及桥梁结构模型动力试验等。

本书以公路网络中最为常用的标准跨径桥梁为研究对象，以基于性能的抗震设计思想为理论基础，对普通桥梁及隔震桥梁的地震易损性开展全过程的分析实践。全书共6章，内容包括国内外地震易损性分析和桥梁结构失效模式分析的现状、地震动输入选择方法及实例、基于性能的桥梁结构地震易损性分析方法、基于性能的隔震桥梁结构地震易损性分析、基于性能目标的桥梁结构抗震设计方法、桥梁结构失效模式的识别方法与计算理论。

第1章 桥梁结构抗震概述

1.1 引言

1.2 桥梁结构的构造及特点

1.3 桥梁结构类型

1.4 桥梁结构震害

1.5 桥梁结构抗震设计方法

1.6 桥梁结构的抗震设计特点

1.7 桥梁结构的抗震设计原则

第2章 场地地震危险性评价

2.1 引言

2.2 地震及地震波

2.3 地震动的确定方法

2.4 设定地震

2.5 场地地震动参数的确定

第3章 单自由度系统的振动

3.1 引言

3.2 运动方程

3.3 自由振动

3.4 强迫振动

3.5 阻尼比测取原理

第4章 多自由度系统的振动

4.1 运动方程的建立

4.2 自由振动

4.3 强迫振动

第5章 运动微分方程的基本解法

5.1 引言

5.2 傅式变换法

5.3 振型叠加法

5.4 逐步积分法

5.5 桥梁结构有限元分析的基本单元

5.6 桥梁结构的振动频率与振型

5.7 桥梁结构的振动阻尼

第6章 地震反应谱理论

6.1 地震反应谱

6.2 振型参与系数

6.3 振型组合

6.4 反应谱求法

6.5 设计反应谱

6.6 拟反应谱、三联反应谱和标准反应谱

6.7 基于反应谱理论的地震力计算

6.8 基于我国规范桥梁抗震设计方法

第7章 梁桥结构地震可靠性分析

7.1 引言

7.2 结构可靠性分析方法

7.3 桥墩构件可靠性分析

7.4 算例分析

7.5 桥梁上部结构可靠性分析

7.6 梁桥结构系统可靠性分析

7.7 算例分析

7.8 已建桥梁结构系统加固优化方法研究

第8章 遗传算法在桥梁结构可靠性分析中的应用

8.1 遗传算法简介

8.2 遗传算法的基本原理

8.3 遗传算法步骤

8.4 遗传算法执行策略

8.5 遗传算法的收敛性

8.6 遗传算法在结构可靠性分析中的应用

8.7 算例分析

第9章 桥梁结构抗震可靠性的反应谱分析

9.1 一致地震激励结构的反应谱分析

9.2 非一致地震激励时结构抗震可靠性的反应谱分析

9.3 基于反应谱理论的结构抗震可靠度分析方法

9.4 算例分析

第10章 结构抗震性能评价方法

10.1 引言

10.2 基于性能的抗震设计的理论框架

10.3 Pushover方法的分析原理

10.4 能力谱方法

10.5 位移影响系数法

10.6 地震需求谱的建立

第11章 桥梁结构的非线性地震响应及抗震性能分析

11.1 引言

11.2 桥梁结构非线性有限元模型

11.3 桥梁结构的非线性分析模型的建立

11.4 钢筋混凝土结构非线性地震响应的时程分析

11.5 桥梁结构的Pushover分析

第12章 基于改进的适应谱Pushover方法的桥梁抗震性能评价

12.1 引言

12.2 改进的适应谱Pushover方法

12.3 算例分析

12.4 高阶振型对桥梁抗震性能的影响

第13章 基于位移的适应谱Pushover方法的梁桥抗震性能评价

13.1 引言

13.2 基于位移的适应谱Pushover方法

13.3 梁桥算例分析

第14章 斜拉桥非线性地震响应分析与性能评价

14.1 引言

14.2 斜拉桥的工程概况和计算模型

14.3 斜拉桥的静力弹塑性分析

14.4 基于屈服后位移模式修正的I)ASPA法

第15章 基于日本抗震规范的桥梁结构抗震性能设计方法

15.1 中、日抗震设计规范的比较分析

15.2 算例1 基于日本抗震规范单墩柱的Pushover抗震分析

15.3 算例2 基于日本抗震规范桥梁全体系Pushover抗震分析

参考文献

• 序

• 前言

• 第1章绪论

• 第2章地震动输入选择方法及实例

• 第3章基于性能的桥梁结构地震易损性分析方法

• 第4章基于性能的隔震桥梁结构地震易损性分析

• 第5章基于性能目标的桥梁结构抗震设计方法

• 第6章桥梁结构失效模式的识别方法与计算理论