Midas Civil桥梁抗震详解(终稿)
基于Midas-Civil的桥梁下部结构抗震计算分析与研究
基于Midas/Civil的桥梁下部结构抗震计算分析与研究刘渐成（中山市规划设计院，广东中山 528400）摘要：文章以中山市石岐区广丰工业大道南六涌桥为工程背景，运用有限元软件Midas/Civil建立模型，根据抗震规范要求，运用反应谱法对桥梁下部墩柱分别进行E1、E2地震力作用下的受力分析，以指导结构设计。
关键词：Midas/Civil；桥梁下部结构；抗震计算U442 ：A ：1009-2374（2014）09-0005-031 工程概况本工程位于中山市石岐区岐港片区，广丰工业大道（石岐段）上，跨越现状南六涌，河涌宽约38m。
根据水利及航道部门技术要求，南六涌无通航要求，水位受水系的水闸控制，设计洪水位取2.3m。
根据现状河道走向、地形及周边环境，拟建桥梁与主河道斜交，约成30度角。
桥跨布置为3×16m预应力砼简支空心板梁桥，共两幅，每幅桥宽20m。
下部结构采用桩柱式桥墩，直径1m的柱接1.2m的钻孔灌注桩，桥台采用薄壁式台，桩基础，台前设4m 长的M7.5浆砌片石铺砌，台后用碎石与粗砂混合料回填。
拟建桥梁两侧均有水泥路到达场地，交通较方便，原始地貌单元为珠江三角洲海陆交互沉积平原，地形开阔，无池塘、坑道、土洞等不良地质。
区域内水网密布，地表水系发育，地下水对混凝土结构无腐蚀性。
2 技术指标安全等级：二级；设计基准期：100年；环境类别：Ⅰ类环境；设计速度：50；设计荷载：公路-Ⅰ级；净空：无通航净空要求；地震动峰值加速度：0.1g。
3 结构荷载取值3.1 永久作用桥梁永久荷载考虑上部板梁自重及二期恒载，二期恒载包括桥面铺装和栏杆等，以均布荷载形式加载，合计95.4KN/m。
下部桥墩自重。
混凝土容重取26kN/m3，计算时将荷载转化为质量。
3.2 地震计算参数根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）、《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）等相关资料，本项目区域地震基本烈度Ⅶ度（加速度取0.10g）。
Midas抗震帮助共21页word资料
1写在前面的话吾尝终日坐而论道，欲达师之所命，然则回视来路，喟叹师目标之远大，飘飘乎如遗世而独立，自知生性愚钝，淼淼乎似沧海一栗，虽鞠躬尽瘁终不能达其万一。
何解？吾生也有涯，而知也无涯，试问孰能遍知古今？路漫漫其修远兮。
念至此，心中抑郁之情稍解，思及离别将之，吾虽未成大器，尚愿得著一文以慰后世来者，遂成此文。
憾白驹过隙，仓促而就，恐错误百出，贻笑大方，见谅。
或曰：而立之年而知天命，足以。
第 1 页2 Midas 接触单元2.1 Midas 粘弹性消能器模型——边界条件——一般连接特性值在civil 中的粘弹性消能器同时拥有粘性（与变形速度成比例而产生的力）和弹性（与变形成比例而产生的力）。
主要用于增大结构的消能能力，减小由地震、缝等引起的动力反应，从而提高结构的安全性和实用性。
粘弹性消能器(Viscoelastic Damper)在六个自由度上由线性弹簧和(非)线性阻尼器并联后与线性弹簧串联而成。
MIDAS/Civil 提供3种粘弹性消能器模型。
2.1.1 Maxwell 模型如下图所示，线性弹簧与阻尼器串联的模型，适用于流动粘弹性装置。
Maxwell 模型的力－变形关系式如下：d k ：粘弹性消能器的刚度d c ：粘弹性消能器的阻尼常数b k ：连接构件的刚度s ：定义粘弹性消能器的非线性特性的常数d ：单元两节点间的变形d d ：粘弹性消能器的变形b d ：连接构件的变形输入d k 并将d k 输入为0。
实际模型概念图图1.6图1.7消能器阻尼（Cd）：输入消能器的阻尼。
参考速度（VO）：一般取1.0。
注：一般厂家提供的消能器阻尼（Cd）的单位为（力/速度），使用此功能时，首先建议把程序的单位体系转换为厂家提供的消能器阻尼（Cd）的单位后，输入消能器阻尼（Cd）值，参考速度（VO）输入1.0。
阻尼指数（s）：决定粘弹性消能器的非线性特性的常数（粘弹性阻尼力作用方向与位移速度的方向相反，并为速度绝对值的s方成正比。
Midas-城市桥梁抗震分析及验算资料讲解
• 一、延性设计理念
目录
• 二、Midas 抗震分析前处理
• 三、Midas 抗震分析后处理
• 四、结论
1. 荷载工况
完成反应谱分析后，需要定义混凝土的荷载工况，一般点击自动生成。规范选择城市桥梁抗震设 计规范。
Midas 抗震分析后处理
2. 后处理验算
点击设计-RC设计
①RC设计参数
这里的规范同前，也需要选 择城市桥梁抗震设计规范。
Midas 抗震分析前处理
模型特征值分析
在进行反应谱分析之前要计算模型的振型：首先c在结构类型中将模型定义为3D的，勾选将自重 转化为质量，同时还要将外荷载转化为质量（自重不必要转化）。
Midas 抗震分析前处理
采用多重Ritz向量法进行特征值分析，水平向 各取40阶振型，保证振型参与质量达到90% 以上。
（b）结构振动引起的破坏 例如：地震强度过大，或者强度延性不足，结构的布置或者构造不合 理。
延性设计理念
3. 延性设计
桥梁结构体系中设置延性构件，桥梁在E2地震作用下，延性构件进入塑 性状态进行耗能，同时可以减小结构刚度，增大结构周期，达到减小地 震动响应的目的。
类型 Ⅰ
类型 Ⅱ
延性设计理念
规范中延性设计理念的体现
Midas 抗震分析前处理
2. 反应谱分析
A类规则桥梁 ，E1和E2地震 均选择MM法
Midas 抗震分析前处理
地震反应谱的确定
根 据 设 计 参 数 ， 选 择 E1 地 震 动反应谱参数。
Midas 抗震分析前处理
E1地震作用下反应谱设计参数
Midas 抗震分析前处理
E2地震作用下反应谱设计参数
运行后可在结果-振型中查看周期 与振型。 同时点击自振模态可以输出周期 与振型的数据表格。
Midas Civil桥梁抗震详解(终稿)
刚度
4、空间动力分析模型的建立：
----参见规范6.3 质量：
将建立的模型进行质量转换。 集中质量法：一般梁桥选择， 计算省时，不能考虑扭转振 型。一致质量法：通用，耗 时，可以考虑扭转振型。
路灯质量转换
将二期等反映铺装的荷载转换 成质量。
对于没用荷载表示的附属构件， 如路灯等，可在节点上施加相 应的质量块。
荷载
恒荷载
自重，在程序中按自重输入，由程序自动计算
桥梁抗震培训
JTG/T B02-01-2008
二、桥梁构造、材料概况
预应力
钢束(φ15.2 mm×31) 截面面积: Au = 4340 mm2 孔道直径: 130 mm 钢筋松弛系数(开),选择JTG04和0.3(低松弛) 超张拉(开) 预应力钢筋抗拉强度标准值(fpk):1860N/mm^2 预应力钢筋与管道壁的摩擦系数:0.25 管道每米局部偏差对摩擦的影响系数:1.5e-006(1/mm) 锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩值: 开始点:6mm 结束点:6mm 张拉力:抗拉强度标准值的75%，张拉控制应力1395MPa
美国采用有效加速度峰值EPA，而我国
采用的是加速度峰值PGA
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3、设计加速度时程的确定（选用实录波）
3.1、幅值的调整
设计加速度峰值PGA的求法 以设计加速度反应谱最大值Smax除以放大系数 （约2.25）得到。
PGA S max 2.25Ci Cs Cd A Ci Cs Cd A 2.25 2.25
尼器：程序专门的模拟单元。 桥梁抗震培训 JTG/T B02-01-2008
4、空间动力分析模型的建立：
----参见规范6.3
MidasCivil配套资料-抗震专题时程分析3
midas Civil
边界非线性时程分析
边界非线性时程分析
边界非线性时程分析是结构的一部分处于非线性时，适用的非线性时程分析方法。主要用于分析安装减隔震装 置的桥梁非线性特性的功能。减隔震装置防止结构构件在设计荷载下产生塑性变形，使结构处于弹性状态，非 线性主要发生在减隔震装置上。
midas Civil
边界非线性时程分析
减隔震支座模拟-摩擦摆式减隔震橡胶支座
(3) 滑动前刚度取值
midas Civil
边界非线性时程分析
时程分析工况定义
所以，需要将恒载定义为一个非线性静力类型的时程荷 载工况，由地震时程工况接续该工况进行分析！
midas Civil
边界非线性时程分析
时程分析结果
midas Civil
边界非线性座，仅输入参数发生变化。对于程序采用同样方法处理。 2.高阻尼中给出了竖向压缩刚度，便于我们输入竖向刚度。
midas Civil
边界非线性时程分析
减隔震支座模拟-摩擦摆式减隔震橡胶支座
midas Civil
边界非线性时程分析
减隔震支座模拟-摩擦摆式减隔震橡胶支座
摩擦系 数 （μ）
用户输入（一般采用默认值 0.5） 用户输入
时程分析时自动计算
根据公式1 2自动计算
midas Civil
边界非线性时程分析
减隔震支座模拟-摩擦摆式减隔震橡胶支座
厂家规格表
一般厂家会提供各规格支座实验数值 （右图为《桥梁减震、隔振支座和装置》 p180页插图） 通过实验数据可确定快时及慢时摩擦系 数，以及速度变化参数r： μ一般在0.01-0.06之间，根据产品实验 曲线比较容易确定。本例取 0.04/0.03 r一般取20sec/m这个数量级，本例取22
midas-Civil拱桥分析专题
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midas Civil 抗震专题—08公路抗震规范设计专题
抗震
拱桥成桥稳定分析
方法一：可以借鉴施工阶段的稳定分析，得到最后一个施工阶段的初始单元内力作 为成桥的几何刚度，然后定义成桥的可变荷载做问题分析。
方法二：直接以成桥模型为基础，对成桥结构进行可变荷载或者不变荷载的定义， 然后对此状态做成桥的稳定分析。
midas Civil 2010拱桥专题—拱桥分析专题
1.不同结构中索单元的使用:
• 悬索桥的主缆和吊杆：建议使用考虑大变形的悬索单元 • 大跨斜拉桥的斜拉索：对于近千米或者超过千米的斜拉桥建议使用考虑大 变形的索单元 • 中小跨斜拉桥的斜拉索：建议使用考虑恩斯特公式修正的等效桁架单元 • 拱桥的吊杆：建议使用桁架单元或只受拉桁架单元 • 系杆拱桥的系杆：建议使用桁架单元 • 体内预应力或体外预应力的钢索（钢束）：与索单元无关，使用预应力荷 载功能按荷载来模拟即可。
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midas Civil 抗震专题—08公路抗震规范设计专题
抗震
分析>施工阶段分析控制数据 斜拉桥施工时，最终阶段往往是跨中合拢的施工。跨中合拢的一刹那，
结构体系完全转换。需要说明的是，利用成桥模型计算未知荷载系数时，跨 中合拢段处于连续状态。但在施工合拢段时，合拢段并非处于连续状态，即 两端的弯矩为0。按照前面介绍的分析方法，结果会出现闭合的情况。
拱上填料在整个结构中起到竖向传递桥面系荷载的作用，因此是否正确模拟拱上填料， 是建模成败关键点。 拱上填料模拟方法一：采用弹性连接进行模拟，不考虑面外荷载效应，所以可以模拟 成Sry=0的弹性连接，轴向刚度模拟时要合理； 拱上填料模拟方法二：采用立柱单元进行传力模拟，此单元用梁单元进行模拟，不考 虑面外荷载效应，所以可以对它采用释放梁端My的约束进行等效传力模拟。 如果考虑面外荷载效应时，三维模型的等效上述方法就不可行，结构就得要另外处理 了。
midas迈达斯抗震专题PPT课件
桥梁震害
• 百花大桥-主梁移位
• 角隅损坏
桥梁震害
桥梁震害
桥梁震害
• 挡块破坏
桥梁震害
• 挡块破坏
桥梁震害
桥梁震害
• 板式橡胶支座剪切破坏
震害形式
• 按位置划分震害形式
– 下部墩柱 – 上部梁段 – 局部破坏
• 按受力划分震害形式
– 强度破坏（弯曲、剪切） – 刚度破坏（位移）
震害特点
• 只对预期塑性铰出现构件进行细致设计， 有效的、经济的提高整个结构的抗震能力
规范变化
– 单一水准（50年超越概率10%）～两水准设防（E1不坏、E2可修 or不倒）；
– 基于强度的单一阶段设计～两阶段设计，不再以强度作为唯一标 准，允许塑性，但对塑性变形能力进行校核；
– 使用烈度来描述地震作用强度～用地面运动加速度值这个地震动 参数来量化描述地震作用强度
单自由度弹性体系 周期T
假定地震输入
最大值
假定结构反应
规范反应谱
S Smax
0 0.1
Tg 水平设计加速度反应谱
10 T(s)
Sma x2.2C 5iC sC dA
式中，Ci为重要性系数，Cs为场地系数，Cd为阻尼调整系数，A 为设计基本地震动加速度峰值。
抗震计算方法
三者的优缺点？
反应谱说明
• 相同阻尼比，不同固有周期的结构（质点）的地震响应 最值连线构成了反应谱曲线
桥墩和墩梁连接部位震害较多； 不同结构类型受损程度有差异性； 有明显的方向性特点；
采用有限元软件进行抗震设计
注意事项
注意事项
注意事项
总结
总结
总结
总结
欢迎交流！ 谢谢！
迈达斯civil抗震规范学习总结
抗震规范学习总结A：能力保护设计的基本原理：对于能力保护构件的设计与地震力已经没有关系了，这与《89规范》是个显著差别，能力保护构件在地震过程中一直要处于弹性范围内工作，而与能力保护构件相连的延性构件是允许出现塑性变形，这种情况下就要把延性构件能承受的最大抗力计算出来（这与地震力没有关系的，是构件本身的特性，延性构件在地震中达到这个最大的地震力后就会维持这个力不变，从而使与其相连的能力保护构件得到保护）依次推算每个能力保护构件需要的最大抗力，使其在最不利的情况下依然保持弹性。
也就是被保护的构件与地震力已经没有关系了B：延性构件：对于延性构件在E1地震作用下需要保持弹性，而在E2作用下可以进入塑性状态，所以E1作用的时候关心结构的强度，而在E2作用的时候关心结构的变形。
注意E2计算的时候要注意如果用反应谱的时候要用截面有效刚度进行折减，用非线形时程分析的时候要用纤维单元或者弹塑性单元考虑材料非线形。
C：超强系数：超强系数=结构的实际极限承载力/结构的设计承载力（采用材料强度标准值计算的结构承载力）超强的原因很多，这里说明一点：〈〈混桥规〉〉中规定钢筋混凝土构件中结构的破坏标准是材料达到材料屈服强度，也就是的材料强度标准值，而我们实际采用的是材料强度的设计值，材料强度的设计值=材料强度标准值/分项系数。
这是出现超强的一个原因。
实际求解超强系数的时候结构的设计承载力是采用材料强度标准值的，所以需要注意。
矩形截面容易求解。
圆形截面可以通过圆形截面小程序采用逐步叠代的方法求解，只是需要修改其中的材料设计强度值。
D：8.1.5条与8.1.1.5条约束混凝土与非约束混凝土的概念。
规范条为了使延性构件有足够的延性能力，故将提高约束混凝土区域作为一个限制条件，其中圆形箍筋内部全部是约束混凝土，而矩形截面的箍筋仅仅是交点处是约束混凝土，为了提高矩形截面的约束混凝土区域所以加了很多拉筋，目的是为了增加交点数量。
保证约束混凝土区域。
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3、设计加速度时程的确定（选用实录波）
地震波的三要素
地震动三要素： 频谱特性、有效峰值和持续时间。
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3、设计加速度时程的确定（选用实录波）
调取实录 地震波
否 否
先计算EPA、EPV，据 此计算 Tg 并比较
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二、桥梁构造、材料概况
桥梁形式：三跨混凝土悬臂梁 桥梁长度：L = 30+50+30 = 110.0 m，其中中跨为挂孔结 构，挂孔梁为普通钢筋混凝土梁，梁长16m ，墩为钢筋混 凝土双柱桥墩，墩高9m 预应力布置形式：T构部分配置顶板预应力，边跨配置底 板预应力 跨中箱梁截面 墩顶箱梁截面
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4、空间动力分析模型的建立：
----参见规范6.3 边界条件：各个连接构件（支座、伸
缩缝）及地基刚度的正确模拟。 连接构件： 普通板式橡胶支座：弹性连接输入刚度。 固定盆式支座：主从约束或弹性连接。
活动盆式支座：理想弹塑性连接单元。 预应力拉索：一般连接－钩单元。 伸缩缝和橡胶挡块：一般连接－间隙 单元。 摩擦摆隔震支座、钢阻尼器、液体阻
对于本例： E1地震时程分析所用地震加速度时程曲线的最大值：
PGA1 Ci Cs Cd A 0.43 11 0.15 9.8 0.6321m / s 2
E2地震时程分析所用地震加速度时程曲线的最大值：
PGA2 Ci Cs Cd A 1.3 11 0.15 9.8 1.911m / s 2
荷载
恒荷载
自重，在程序中按自重输入，由程序自动计算
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二、桥梁构造、材料概况
预应力
钢束(φ15.2 mm×31) 截面面积: Au = 4340 mm2 孔道直径: 130 mm 钢筋松弛系数(开),选择JTG04和0.3(低松弛) 超张拉(开) 预应力钢筋抗拉强度标准值(fpk):1860N/mm^2 预应力钢筋与管道壁的摩擦系数:0.25 管道每米局部偏差对摩擦的影响系数:1.5e-006(1/mm) 锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩值: 开始点:6mm 结束点:6mm 张拉力:抗拉强度标准值的75%，张拉控制应力1395MPa
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3、E1地震反应谱的确定：
e、对阻尼比为0.05的标准反应谱进行修正
阻尼比为：0.05，计算阻 尼调整系数得 C d 1
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3、E1地震反应谱的确定：
f、生成反应谱
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二、桥梁构造、材料概况
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二、桥梁构造、材料概况
材料
混凝土
主梁采用JTG04（RC）规范的C50混凝土 桥墩采用JTG04（RC）规范的C40混凝土
钢材
采用JTG04（S）规范，在数据库中选Strand1860
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一、桥梁场地和地基
2、场地类别确定：
查得场地类别为Ⅱ类场地
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一、桥梁场地和地基
3、地基抗震验算：
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一、桥梁场地和地基
4、液化判别：
根据土质判断是否需要抗液化措施：
判别地基不液化，不需 进行抗液化措施。
尼器：程序专门的模拟单元。 桥梁抗震培训 JTG/T B02-01-2008
4、空间动力分析模型的建立：
----参见规范6.3
地基刚度的模拟： 在墩低加上弹簧支承，算出各个方向上的弹簧刚度。 真实模拟桩基础，利用土弹簧准确模拟土对桩的水平侧 向力、竖向摩阻力。一般可用表征土介质弹性的“M”法。
3、设计加速度时程的确定（选用实录波）
地震波的来源
一、选用实录地震波并进行适当调整 a.midas Civil中提供了近40种实录地震波 b.用户定义 c.导入
二、人工地震波 a、相关部门提供的人工地震波； b、clan和Sacks在1974年提出的用三角级数叠加 来模拟地震动加速度；
本例中主要选择实录地震波。
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三、基本参数确定
1、确定桥梁抗震设防类别：
二级公路大桥，故该桥为B类桥梁。
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三、基本参数确定
2、确定抗震设防等级：
在7度区，按8度构造措施设防
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抗震设计总流程
SRSS法和CQC法：
根据规范6.4.3，有SRSS法和C QC法以供选择。 当结构振型分布密集，互有耦 联时，推荐用CQC。
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c、地震作用分量组合的确定
根据规范5.1.1，该直线桥只需考虑顺桥向X和横桥向Y的 地震作用。
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一、桥梁场地和地基
2、场地类别确定：
a、确定土层平均剪切波速：
土层平均剪切波速为：209.8m/s
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一、桥梁场地和地基
2、场地类别确定：
b、确定工程场地覆盖层厚度：
按此条规范确认为：11.5m。
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Cs 1.0
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3、E1地震反应谱的确定：
c、确定设计基本地震动加速度峰值A：
在设防烈度7度区，A值为0.15g
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3、E1地震反应谱的确定：
d、调整设计加速度反应谱特征周期 Tg
T 调整后为：g
0.45 s是否来自T1 , Tg 双指标控制
是
按反应谱 面积控制
是
持时判断
否 是
峰值判断 与设计反应谱分 析结果比较
是
选用
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3、设计加速度时程的确定（选用实录波）
3.1、幅值的调整
幅值的种类 地震动幅值包括加速度、速度和位移的 峰值、最大值或者某种意义上的有效值。 加速度峰值PGA、速度峰值PGV和位移峰 值PGD是地面运动强烈程度最直观的描述 参数。加速度峰值是最早提出来的、也 是最直观的地震动幅值定义。
e、地震动水压力
一般冲刷线算起的水深为：5m。 水的容重为： kN / m3， 10 根据规范5.5.3，地震动水压力为0.92kN
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5、强度验算：
按现行的公路桥涵设计规范相应的规范验算桥墩强度。
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E2地震作用下抗震分析步骤MM
一般用加速度幅值调整
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3、设计加速度时程的确定（选用实录波）
3.1、幅值的调整
有效加速度峰值 因为峰值参数并非描述地震动的最理想参数， 由高频成分所确定的个别尖锐峰值对结构的影 响并不十分显著，所以美国ATC-30样本规范所 采用的是有效峰值加速度EPA，对有效峰值加 速度EPA的求法参见《midas/Civil 2006桥梁 抗震设计功能说明》 ，而我国《08细则》采 用峰值加速度PGA。
4、空间动力分析模型的建立：
----参见规范6.3
与静力分析模型的区别：不在精细地模拟，而重点是 要真实、准确地反映结构质量、结构及构件刚度、结 构阻尼及边界条件。
质量
p(t ) ku(t ) cu(t ) mu(t ) 模 型
阻尼 边界条件
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3、设计加速度时程的确定（选用实录波）
3.1、幅值的调整
调整加速度曲线
a(t ) a(t ) Amax / Amax
A a 式中： (t )、 max 分别是调整后的加速度曲线和峰值； A a(t )、 max 分别是原记录的加速度曲线和峰值；
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3、E1地震反应谱的确定：
a、确定重要性系数 C i ：
得该桥在E1地震作用下重要性系数为 Ci 0.43 ，在E2地震作用下重要性系数 为 Ci 1.3
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3、E1地震反应谱的确定：
b、确定场地系数 C s
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3、设计加速度时程的确定（选用实录波）
3.1、幅值的调整
本例选择程序自带实录地震波： 1940, El Centro Site, 270 Deg进行调整
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1、确定分析方法：
采用MM法或NTH法。
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2、E2反应谱的确定
步骤与E1反应谱的确定相同，但需注意 重要 性系数 C i 的取值不同，其他参数相同，得E2 地震作用下反应谱如下。