桥梁结构稳定与振动40页PPT

如何显化它的作用呢？欧拉用13年的功夫，悟 出了一个捕捉它、显化它的巧妙方法 ——
用干扰力产生的初始变形代替它
干扰力使受压杆产生横向变形后，就从柱上撤 走了，但它产生的变形还在，若这种变形：
1、还能保留，即 随遇平衡 或 不稳定平衡 2、不能保留，即 稳定平衡
y
y
P
x
y P
x
x
M
P
P
P
y
x M P
到原有直线状态，图 c 压力P大类似凸面作用
二、压杆失稳与临界压力 1.理想压杆：材料绝对纯，轴线绝对直,压力绝对沿轴线
2.压杆的稳定平衡与不稳定平衡
稳
P
定
平
衡
横向扰动
100P 横向扰动
不 稳 定 平 衡
哪个杆会有 失稳现象？
—— 斜撑杆
3.压杆失稳
4.压杆的临界压力
干扰力是随机出现的，大小也不确定 —— 抓不住的、来去无踪
C— 挠曲 C、D— 挠
线拐点 曲线拐点
C— 挠曲线拐点
临界力Pcr 欧拉公式
Hale Waihona Puke 长度系数μ =1 0.7
=0.5
=2
=1
虽然梁弯曲与柱稳定都用了 但是含义不同，对于梁弯曲：
力学上 —— 载荷直接引起了弯矩 数学上 —— 求解是一个积分运算问题
对于柱屈曲（压杆稳定）：
力学上 ——载荷在横向干扰力产生的变形上引起 了弯矩
同长度、截面性质、支撑条件有关
二、欧拉公式的适用范围 着眼点 —— 临界应力在线弹性内（小于比例极限）
三、经验公式、临界应力总图 1.直线型经验公式
①P < <S 时：
②S< 时：

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我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物
(三) 翼缘板的局部稳定
取K＝0.425, cr=0.95fy, =0.4, =0.3, E=206103
代入(4-108),得到 b1/t=15
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我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物
（2）不考虑剪力对临界力的影响作用
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我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物
二、实际构件的整体稳定
几何缺陷：初始弯曲＋初始偏心 力学缺陷：残余应力
1、初始弯曲的影响
（1）当N 趋于NE时，挠度无穷大； （2）不管初弯曲多小，承载力总是小于Ncr
式中：
（9-112）
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我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物
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我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物
第一节 概述 第二节 轴心受压构件整体稳定 第三节 薄板翘曲稳定 第四节 钢桥构件稳定实用计算方法 第五节 小结
2
我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物
第一节 概述
在钢桥的发展史上有很多因失稳而造成桥梁倒塌的 例子。如加拿大的魁北克桥于1907年在架设过程中由 于悬臂端下弦杆压杆失稳导致的桥梁倒塌，此类破坏 现象为构件整体失稳。1970年澳大利亚墨尔本附近的 西门桥在架设拼拢整孔左右两半截面钢箱梁时，上翼 缘板在跨中失稳，导致112m的整垮倒塌，此类破坏原 因是组成构件的板件翘曲失稳。

3. 计算等效单自由度{系Fe统rr}的等c c效orr 刚度和等效粘滞阻尼比；
4. 利用反应谱方法计算结构特征力效应和特征位移效应－需求分析；
5. 进行需求/能力比计算，评估结构的抗震性能。
精品课件
32
单振型反应谱法
反应谱的概念
根据D’Alembert原理，单自由度振子的振动方程可以表示为：
上述振动方程的m 解(可g 以y 用) 杜cy 哈美k（ y0 Duhay m e2 l）积y 分公2y式 来g 表示：
抗震设防标准制定原则
桥梁工程的抗震设防标准，即为如何确定“地震荷载”的 标准。荷载定得越大，即抗震设防标准要求越高，桥梁在 使用寿命期间为抗震设防需要投入的费用也越大。然而， 桥梁在使用寿命期间遭遇抗震设防标准所期望的地震总是 少数。这就是决策的矛盾点：一方面要求保证桥梁抗震安 全，另一方面又要适度投入抗震设防的费用，使投入费用 取得最好的效益 。
精品课件
33
单振型反应谱法
反应谱的概念
由于地震加速度是不规则的函数，上述积分公式难以直接求积， 一般要通过数值积分的办法来求得反应的时程曲线。对不同周期和阻 尼比的单自由度体系，在选定的地震加速度输入下，可以获得一系列
的相对位移y、相对速度 y 和绝对加速度 y 的反应时程曲线，并可从
中找到它们的最大值。以不同单自由度体系的周期Ti为横坐标，以不 同阻尼比C为参数．就能绘出最大相对位移、最大相对速度和最大绝对 加速度的谱曲线，分别称为相对位移反应谱、拟相对速度反应谱和拟 加速度反应谱(分别可简称为位移反应谱、速度反应谐和加速度反应谱)， 并用符号记为SD、PSV和PSA，这三条反应谱曲线合起来简称为反应谱。
称为动力放大系数，其值可以直接由标准化反应谱曲线确定。上

结构的强度与稳定性 试验分解课件
目录
CONTENTS
• 结构强度与稳定性试验概述 • 结构强度试验 • 结构稳定性试验 • 试验方法与流程 • 试验案例分析 • 结论与展望
01 结构强度与稳定性试验概 述
结构强度与稳定性基本概念
结构强度
指结构在一定条件下抵抗外力破坏的 能力。
结构稳定性
指结构在各种外力作用下维持其原有 平衡状态的能力。
报告编写
根据试验结果和分析结果，编写详细 的试验报告，包括试验目的、方法、 结果和结论等。
05 试验案例分析
桥梁结构强度与稳定性试验
桥梁结构强度与稳定性试验的目的
验证桥梁结构的承载能力和稳定性，确保桥梁在使用过程中安全可靠 。
试验方法
通过施加荷载，观察桥梁的变形、位移和裂缝等情况，分析结构的强 度和稳定性。
04 试验方法与流程
试验准备阶段
确定试验目的
明确试验的目标，是为了评估结构的 强度、刚度、稳定性还是其他性能指 标。
选择合适的试验方法
根据试验目的，选择合适的试验方法 ，如静态加载、动态加载、振动台试 验等。
准备试验设备
根据试验方法，准备相应的试验设备 ，如加载设备、传感器、数据采集系 统等。
制作试样
动载强度试验
总结词
动载强度试验是通过施加动态载荷来测 试结构承受动态载荷能力的试验。
VS
ห้องสมุดไป่ตู้
详细描述
动载强度试验是在结构上施加动态载荷， 如振动、冲击或碰撞等，以测试结构的动 态特性和稳定性。这种试验通常在振动台 、冲击试验机或碰撞试验机上进行，通过 模拟实际环境中的动态载荷来评估结构的 性能和安全性。动载强度试验对于评估结 构的抗震、抗风和抗爆性能等具有重要意 义。

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振型特点 纵漂 L-S-1 V-S-1 V-A-1 V-S-2 L-A-1 V-A-2
主塔横摆 主塔横摆
T-S-1 V-S-3 V-A-3 V-S-4 L-S-2 边跨竖向 T-A-1
1 ln x0
n xn
阻尼比与对数衰减率的关系
2 ， 2 1 2
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结构的频率和振型可以通过结构动力特性分析获得，结构阻尼与材 料、结构形式等多种因素有关，无法通过计算取得。桥梁抗风设计中结构 的阻尼比可以取以下经验值：
桥梁种类 钢桥
结合梁桥 混凝土桥
阻尼比 阻尼比的统计范围
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a
二、扭转发散
a V
Ka 弹性轴
扭转发散问题的几何位置与参数
令扭转弹簧刚度为Ka ，其含义为梁段发生单位转角所需的气动 力矩。扭转角为a，平均风速为V，桥面宽为B，则单位长度的气
动力矩为 ：
Ma
1 2
V
2 B 2C M
a
式中：CM a 为绕扭转轴转动的气动力参数。
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桥梁的风毁事故最早可以追溯到1818年，苏格兰的Dryburgh Abbey桥首 先因风的作用而遭到毁坏。之后，英国的Tay桥因未考虑风的静力作用垮掉， 造成75人死亡的惨剧。一系列桥梁的风毁事故，使人们开始重视风的作用， 最初人们只认识到考虑静风载的必要性，直到1940年美国Tacoma悬索桥的 风毁事故（图8－1），才使工程界注意到桥梁风致振动的重要性。
0.005
0.5%~1.0%
0.01
1.0%~1.5%
0.02
2.0%~3.0%
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二、采用有限元方法计算桥梁结构动力特性

1999年999年土尔其、台湾地震
■西部地区特殊地形和地质条件下的桥梁抗震问题 ■中小地震引起的结构损伤积累
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
本讲座的内容提要
■典型桥梁震害 ■桥梁设计方法与规范 ■弹塑性动力反应分析 ■最新实验设备与技术 ■桥梁加固技术 ■新西兰模式 ■亚太地区其他国家的地震研究
• DEM应用于钢筋混凝土的问题是必须反 映材料的连续性，并建立合理的材料本 构关系。
• EDEM通过在离散单元之间引入弹簧反 映材料的连续性。弹簧的物理性质必须 符合钢筋混凝土材料的并建立合理的材 料本构关系。
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
研究思路
目黑的EDEM刚体模型
本研究的EDEM质点模型
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
桥梁上部结构破坏机理分析
研究目的与意义 震害 •上部结构的倒塌 •地基液化引起的基础沉陷和侧方流动引起的基础破坏 •伸缩缝之间梁构件的碰撞，梁与挡块之间的撞击
要求理论分析解决的问题： 不连续、大变形大位移、碰撞
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
扩展离散单元法（EDEM）
0.1
1
5
周期 （秒）
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
弹塑性动力反应分析
背 景： 规范的变更、性能设计、市场竞争
政府导向： 今后，不掌握弹塑性动力反应计算 技术的咨询公司将面临生存危机
涉及范围： 钢筋混凝土结构 混凝土充填钢结构 土的液化、侧方流动 土与基础（包括地下结构）的相互作用
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
支座破坏后主梁端部浮起
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民
明石海峡大桥桥墩桥台震后位移情况
制作人：同济大学桥梁工程系 孙利民

控制施工过程中的温度变化
温度变化会对桥梁的横向稳定性产生影响，施工过程中需要严格控 制温度变化，避免温度变化过大导致桥梁横向失稳。
施工中的监测与调整
实时监测桥梁横向变形
在施工过程中，需要实时监测桥梁的横向变形，一旦发现 异常情况，需要及时采取措施进行调整。
定期调整施工参数
施工过程中需要定期根据监测结果调整施工参数，如调整 施工荷载、优化施工方法等，以确保桥梁的横向稳定性。
加强桥梁设计审核，提高 施工质量监管，严格执行 桥梁荷载标准，加大对桥 梁运营的监管力度等。
案例二：成功实施横向稳定策略的桥梁案例
1 2 3
案例概述
某桥梁在设计和施工过程中，成功实施了横向稳 定策略，确保了桥梁的安全性和稳定性。
实施措施
采用合理的桥梁结构和截面形式，设置横向支撑 和斜拉索等横向稳定构件，严格控制施工质量， 实施有效的养护和维修等。
经验总结
施工过程中实现横向稳定控制是确保桥梁质量和安全的关键环节，需要采取综合性的控制措施，确保施 工过程的顺利进行和桥梁的安全运营。
06
前沿技术与展望
当前的前沿技术
有限元分析技术
有限元分析技术是当前桥梁工程领域的主流技术，它能够高精度地模拟桥梁的 受力行为和横向稳定性，为桥梁设计与施工提供准确的数据支持。
桥梁横向失稳的后果
交通事故风险增加：桥梁横向失稳可 能导致车辆行驶不稳，进而引发交通 事故。
经济损失：桥梁横向失稳引发的交通 事故和桥梁结构损坏，都将造成巨大 的经济损失。
桥梁结构损坏：长时间的横向失稳会 对桥梁结构造成损坏，缩短桥梁使用 寿命。
因此，保障桥梁的横向稳定性至关重 要，对于确保交通安全、保护建筑结 构、降低维护成本等方面都具有十分 重要的意义。

自行车在骑起来时，只有两个支撑点，为什么 不会倒下呢？
• 陀螺效应：旋转的物体有保持其旋转 方向（旋转轴的方向）的惯性。
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自行车在骑起来时，只有两个支撑点，为什么 不会倒下呢？
• 自行车的平衡首先来自于骑车人腰部 的肌肉。熟练的骑车人，其身体形成 自动的条件反射，当自行车稍微倾斜 倒下时，人的身体会感受到，腰部肌 肉会自动动作，把身体拉向另一侧， 形成的反向力矩促使车身抬起。
稳定：当扰动消失后，能重新返 回到原平衡状态。
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稳定性概念
不稳定：当扰动消失后，不能 重新返回原平衡状态。
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观看视频，想办法使自己在风雨 中屹立不倒？
视频：台风“莫拉克”侵袭台湾
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影响结构稳定性的主要因素：
结
重
构
心
的
位
形
置
状
的
高
低
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2、结构的形状
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影响结构强度的主要因素
3、结构的连接方式P28 从实现连接的形态来看：
一体式 挤压式 接插式 从被连接件间的状态关系来看：
可相对运动式（活动） 不可相对运动式（刚性） 从接触来看： 点连接 线连接 面连接
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焊接、铆接示意图
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连接方式
山东“楼垮垮”
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地震废墟
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物体结构抵
??? 抗破坏的能力
弱。
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结构的强度
物体结构抵 抗破坏的能力
强。
08地震中最牛学校 刘汉希望小学
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桥梁抗震分析可采用的计算方法
地震作用
桥梁分类
E1 E2
B类
规则
非规则
SM/MM SM/MM
MM/TH THC类规则非则SM/MM SM/MM
MM/TH TH
D类
规则 非规则
SM/MM
MM
－
－
注：TH为线性或非线性时程计算方法；SM为单振型反应谱或功率谱方法；MM 为多振型反应谱或功率谱方法。
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4.桥梁基础震害 桥梁基础震害原因主要：地基失效(如地基滑移和地基液化)。 桩基础的震害除了地基失效外，也有上部结构传下来的惯性力而引起的桩基剪切 和弯曲破坏，更有由于桩基设计存在缺陷而导致的，如桩基深入稳定土层的长度不 能满足要求，或桩基顶与承台连接强度不够等。 桩基能越过可液化土层，比无桩基础的抗震能力要强。桩基础的震害具有一定的 隐蔽性，不容易被发现，当发现上部结构被破坏时，可能桩基础的破坏已相当严重 了。
桥梁抗震 设防类别
A类 B类
C类 D类
各设防类别桥梁的抗震设防目标
设防目标
E1地震作用
E2地震作用
可发生局部轻微损伤，不需修复或经简单修复可继续使用
一般不受损 坏或不需修 复可继续使
用
应保证不致倒塌或产生严重结构损伤，经临时加固后可供维持应急 交通使用
应保证不致倒塌或产生严重结构损伤，经临时加固后可供维持应急 交通使用
图8-3 7度及7度以上地区常规桥梁结构构件抗震设计流程
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结点配筋构造
二、抗震概念设计
根据震害和工程的抗震经验等，总结出来的基本抗震设计思想和原则，并能 够正确适用地解决结构的整体设计方案、细部构造和材料使用，以达到合理的 抗震设计。

反应谱法基本原理
2.25
Ⅰ：β=2.25(0.2/T) Ⅱ：β=2.25(0.3/T)0.9 Ⅲ：β=2.25(0.45/T)0.95 Ⅳ：β=2.25(0.7/T) 0.9
0.3
1 2 3 4 5T
图1 场地类别与动力放大系数关系曲线
反应谱法基本原理
2、多质点反应谱
➢（1）振型分解法简介 ➢以无阻尼受迫振动为例，简要介绍振型分解法思想。
反应谱法基本原理
反应谱法基本原理
➢（2）多质点体系的地震力计算公式
➢ 用振型分解法求解，即利用振型分的正交特性，将联立微 分方程组一个个地分解为相互独立的振动方程，将多质点的复杂 振动，分解为按各个振型的独立振动的叠加，在求解过程中，引 入第i振型的振型参与系数：
反应谱法基本原理
➢ 由振型分解法可将多自由度现行震动体系分解为多个独立的广义 单自由度振子。广义单自由度振子的最大反应可由谱曲线查出。但一般 情况下，广义单自由度振子的最大反应不同时发生，因此需要以适当的 方式将它们组合起来。
反应谱法基本原理
➢ 不同的地震输入，得 到不同的反应谱曲线 。
➢ 在大量的地震加速度 记录输入后绘制的众多 反应谱曲线的基础上， 经过平均光滑化后，最 终得到得到平均地震反 应谱。
反应谱法基本原理
➢ 不同的体系阻尼比得到相应的反应谱曲线。
反应谱法基本原理
➢★单质点反应谱的地震力计算
➢应根据结构抗震设防的 烈度水准选用。根据我国 铁路工程抗震规范规定： 设计烈度Ⅶ度以上才进行 抗震设防，相应于Ⅶ，Ⅷ 和Ⅸ度，k分别为0.1、0.2 和0.4。
桥梁震害
2、桥台沦陷
桥梁震害
2、桥台沦陷产生的原因
➢当地震加速度作用时，桥梁与桥台之间的冲撞会产生相当 大的被动土压力，造成桥台有向桥跨方向移动的趋势。由 于桥面的支撑作用,桥台将发生以桥台顶端为支点的竖向旋 转，导致基础破坏。如果桥台基础在液化土上，又将引起 桥台垂直沉陷,最终导致桥梁破坏。

构的振动周期之后，其最大地震惯性力就可以利用 规范反应谱曲线求出。
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回顾：弹性体系的地震反应分析
（引出地震反应谱概念）
一、地震作用下单自由度体系的运动方程
质点位移 质点加速度 惯性力 弹性恢复力 阻尼力 运动方程
X (t) x(t) xg (t) X(t) x(t) xg (t) I (t) (mx mxg )
t
y(t)
P( ) sin (t )d
0 m
---杜哈美积分
P(t) m
P(t)
y(t) P( )
计阻尼时
y(t)
t 0
P( ) m D
e (t )sin D
(t
)d
t
t
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三、单自由度体系地震作用分析
运动方程 mx cx kx mxg
或 x 2x 2x Fe (t) / m
地震反应谱
最大相对位移
Sd
x(t) max
1
t 0
xg ( )e (t )
sin
(t
)d
max
最大相对速度
Sv
x(t) max
t 0
xg ( )e (t )
sin
(t
)d
max
最大加速度
Sa
x(t) xg max
t 0
xg ( )e (t )
sin
(t
)d
max
最大反应之间的关系 Sa Sv 2Sd
sin
(t
)d
max
t (s)
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yg (t )
(ms2 )