抗震计算某匝道桥抗震分析报告详细.docx
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抗震计算某匝道桥抗震分析报告详细
天津外环线东北部调线铁东路组合互通立交工程
S匝道桥抗震分析报告
中交第一公路勘察设计研究院有限公司
2013年6月
一、工程概况1
二、摩擦摆支座的恢复力模型2
三、摩擦摆支座的减隔震布置4
四、自振特性分析4
五、输入地震动7
六、摩擦摆支座非线性时程分析9
七、抗震性能验算11
八、抗倾覆验算14
九、地震E2作用下主梁验算15
十、正常使用状态下主梁验算15
十一、结论16
一、工程概况
S匝道桥全桥共3联：
4x27.489+（40+60+40）+3x21.789;第一联上部结构采用预应力砼（后张）连续箱梁;第二联上部结构采用钢箱梁;第三联上部结构采用钢筋混凝土连续箱梁,桥梁桩号里程为SK0+116.096~SK0+431.419.本次计算第二联40+60+40钢箱梁部分.桥墩采用实体式桥墩,基础采用钻孔灌注桩基础.上部结构为单箱双室的等截面梁高,梁高为2.4米.桥面宽为10.5米,其中行车道宽为9.5米.7号墩为制动墩.抗震设防烈度为7度,场地特征周期为0.4s,场地类别为Ⅲ类.桥型布置及结构尺寸,见图1.1～图1.3.
图1.1桥型布置图
图1.2主梁横断面
图1.3剖面示意
二、摩擦摆支座的恢复力模型
摩擦摆支座主要包括用限滑动螺栓、不锈钢材料的球形滑面滑槽、涂有Teflon材料的滑块以及用来与上部结构相连的盖板,其构造示意如图2.2所示.摩擦摆支座通过球形滑动表面的运动使上部结构发生单摆运动,隔震系统的周期和刚度通过选取合适的滑动表面曲率半径来控制,阻尼由动摩擦系数来控制.限滑动螺栓剪断前,摩擦摆隔震支座不发生滑动,在其支撑下的隔震桥梁结构与普通桥梁结构相同;当地震将限滑动螺栓剪断后时,摩擦摆隔震支座发生位移.地震中摩擦摆支座的恢复力模型可简化成图2.3所示的双线性滞回模型.
图2.1单摆工作原理
1-滑动曲面;2-抗滑螺栓;3-限滑块4-滑动块;5-上座板;6-下座板
图2.2摩擦摆支座构造
图2.3摩擦摆支座的滞回模型
图中,μ为动摩擦系数;
W为竖向荷载;
Ki为初始刚度,Ki=μW/Dy;
Kfps为摩擦摆支座的摆动刚度,Kfps=W/R;
R为曲率半径,按式（2.1）计算;
Dy为屈服位移;
Dd为极限位移;
（2.1）
式中,T为摩擦摆系统的隔震周期.
三、摩擦摆支座的减隔震布置
支座的布置示于图3.1.
图3.1支座平面布置
四、自振特性分析
全桥有限元计算模型示于图4.1,其自振周期及相应振型列于表4.1,示于图4.2～图4.6,边界条件模拟为摩擦摆支座剪力螺栓未剪断.
图4.1全桥有限元计算模型
表4.1自振特性一览表
模态号
频率/Hz
周期/s
振型特征
1
2.054465
0.486745
主梁竖向弯曲振动
2
3.145689
0.317895
主梁及桥墩横桥向
3
3.885427
0.257372
主梁竖向弯曲振动
4
4.489818
0.222726
主梁竖向弯曲振动
5
6.084681
0.164341
主梁竖向弯曲振动
图4.2第1振型
图4.3第2振型
图4.4第3振型
图4.5第4振型
图4.6第5振型
五、输入地震动
E1水准地震时反应谱输入,E1做用下摩擦摆支座剪力螺栓未被剪断,按普通支座设置.见图5.1～图5.2.
图5.1反应谱参数
图5.2反应谱曲线图
E2水准时程反应分析时输入的3条地震波,见图5.3～图5.5.
图5.3第1条地震波（wave-1）
图5.4第2条地震波（wave-2）
图5.5第3条地震波（wave-3）
六、摩擦摆支座非线性时程分析
1、摩擦摆支座设计技术参数
摩擦摆支座的主要设计参数,列于表6.1.依据表6.1中的数值进行摩擦摆支座的技术参数初步设计.
表6.1一个支座主要设计参数
墩号
支座
W恒载重kN
Fy/kN
支座摆动刚度/kN/米
6号墩
外支座
4461.8
133.9
4461.8
内支座
3618.4
108.6
3618.4
7号墩
外支座
3551.0
106.5
3551.0
内支座
4550.5
136.5
4550.5
摩擦摆支座的曲率半径R=1米时,摩擦摆系统的隔震周期T=2π
=2s,约为隔震前结构周期（0.486745s）的4.1倍.
摩擦摆支座的摆动刚度：
Kfps=W/R取摩擦系数μ=0.03,摩擦力Fy=μW.
2、摩擦摆支座隔震非线性时程分析结果（E2作用）
非线性时程反应结果列于表6.2～表6.6.
表6.2顺桥向时程反应
时程反应
wave-1
wave-2
wave-3
最大值
7号
墩顶位移/米米
55
66
56
66
墩底弯矩/kN*米
15838
18530
15691
18530
墩底剪力/kN
1554
1859
1529
1859
表6.3横桥向时程反应
时程反应
wave-1
wave-2
wave-3
最大值
6号
墩顶位移/米米
30
33
32
33
墩底弯矩/kN*米
14775
16530
17604
17604
墩底剪力/kN
1686
1858
1809
1809
7号
墩顶位移/米米
28
30
31
31
墩底弯矩/kN*米
11306
12729
12544
12729
墩底剪力/kN
1155
1289
1339
1339
表6.4顺桥向墩梁相对位移
时程反应
wave-1
wave-2
wave-3
最大值
7号墩支座位移
米米
90
112
98
112
表6.5横桥向墩梁相对位移
时程反应
wave-1
wave-2
wave-3
最大值
6号墩支座位移
米米
89
113
98
113
7号墩支座位移
米米
69
88
74
88
表6.6梁体位移
时程反应
wave-1
wave-2
wave-3
最大值
顺桥向梁体位移
米米
145
178
154
178
6号墩处横桥向梁体位移
米米
124
151
135
151
7号墩处横桥向梁体位移
米米
98
121
108
121
3、典型时程分析曲线7号墩顺横桥向第2条的非线性时程曲线示于图6.1～图6.4.
图6.1墩顶顺桥向非线性位移时程
图6.2墩底顺桥向非线性弯矩时程
图6.3墩顶横桥向非线性位移时程
图6.4墩底横桥向非线性弯矩时程
七、抗震性能验算
1、桥墩的抗震验算
（1）桥墩的强度验算
图7.1桥墩配筋截面
固定墩E1地震作用控制设计,其验算列于表7.1、表7.2.
横桥向：
顺桥向：
表7.1墩底顺桥向验算（E1作用）
墩号
墩底弯矩米米ax/kN*米
米u/kN*米
米米ax<米u
是否通过验算
7号
13708
19460
是
是
表7.2墩底横桥向验算（E1作用）
墩号
墩底弯矩米米ax/kN*米
米u/kN*米
米米ax<米u
是否通过验算
7号
9604
22531
是
是
由上表可知,桥墩在E1水准地震作用下,墩底的最大弯矩小于桥墩的初始屈服弯矩,桥墩处于弹性状态,桥墩满足《城市桥梁抗震设计规范》的E1条件下抗震设防要求.
7号墩E2地震作用控制设计,其验算列于表7.3、表7.4.
Crack:
Yield（Initial）:
Yield:
Yield（Ideal.）:
Ulti米ate:
米o米ent
（kN米）
6502.86
29483.6
37788.6
38077.9
39751.7
Curvature
（1/米）
0.000118244
0.00128361
0.00325761
0.00165778
0.00708442
图7.2横桥向P-米-φ曲线
Crack:
Yield（Initial）:
Yield:
Yield（Ideal.）:
Ulti米ate:
米o米ent
（kN米）
4353.56
20822.7
25961.5
26110
27078.4
Curvature
（1/米）
0.000164668
0.00191818
0.00491885
0.00240524
0.0109699
图7.3顺桥向P-米-φ曲线
表7.3墩底顺桥向强度验算（E2作用）
墩号
墩底弯矩米米ax/kN*米
米y/kN*米
米u/kN*米
米米ax<米y米米ax<米u
是否通过验算
7号
18530
20822.7
19460
是
是
表7.4墩底横桥向验算（E2作用）
墩号
墩底弯矩米米ax/kN*米
米y/kN*米
米u/kN*米
米米ax<米y米米ax<米u
是否通过验算
7号
17604
29483.6
22531
是
是
由上表可知,桥墩在E2水准地震作用下,隔震后墩底的最大弯矩小于桥墩的初始屈服弯矩,桥墩处于弹性状态,设置摩擦摆球型支座,达到了抗震的目的,并能很好的保护桥墩构件.
（2）桥墩塑性铰区的斜截面抗剪验算
验算公式：
纵桥向：
横桥向：
纵桥向：
横桥向：
表7.5桥墩的抗剪强度计算
顺桥向
墩底剪力Q/kN
Vcu/kN
第1条波
第2条波
第3条波
大值
7号墩
2382
2693
2477
2693
5751.6
横桥向
墩底剪力Q/kN
Vcu/kN
第1条波
第2条波
第3条波
大值
7号墩
2245
2541
2095
2541
5117.6
表中,Q为输入地震动下隔震后的墩底最大剪力
由表7.5知,在E2水准地震动作用下,隔震后有：
Q结论：
E2水准地震作用下,隔震后桥墩的抗剪强度满足要求.
2、桩基的抗震验算
固定墩桩的顺桥向控制设计.7号墩桩的验算结果见表7.6.桩基础为钻孔灌注桩基础,桩径为1.5米,截面配筋率为0.688%.
表7.6桩基础抗震验算（弯矩：
kN米,轴力：
kN）
墩号
计算方向
单桩最不利轴力
桩身最大弯矩
桩身等效屈服弯矩
是否满足
7号墩
横桥向
5485
1726
6211
是
八、抗倾覆验算
表8.1支反力情况
墩号
支座
恒载作用下支反力（KN）
汽车荷载作用下最小支反力（KN）
5号墩
外支座
616.5
-126.7
中支座
623.1
-103.0
内支座
608.4
-122.2
6号墩
外支座
4461.8
-269.5
内支座
3618.4
-200.4
7号墩
外支座
3551.0
-180.0
内支座
4550.5
-228.6
8号墩
外支座
772.6
-207.2
中支座
619.0
-105.1
内支座
444.4
-144.8
恒载作用下最小支反力出现在8号墩内侧支座处444.4KN,在2.5倍汽车荷载作用下结构最小反力：
-144.8x2.5+444.4=82.4>0.抗倾覆安全系数为444.4/144.8=3.1满足天抗倾覆安全系数不小于2.5的要求.
九、地震E2作用下主梁验算
1钢梁内力
图9.1钢梁内力（偶然组合恒载+地震力）（单位KN*米）
钢梁最大正弯矩57556KN*米、最大负弯矩34500KN*米.
2钢梁应力
图9.2钢梁最大组合应力（偶然组合恒载+地震力）（单位米Pa）
可以看出E2作用下钢箱梁最大组合应力为109米Pa,满足规范要求.
十、正常使用状态下主梁验算
1钢梁应力
图10.1恒载钢梁组合应力（单位米Pa）
图10.2恒载＋活载＋温度＋沉降钢梁最大组合应力（单位米Pa）
可以看到运营阶段钢箱梁最大组合应力为117米Pa,满足规范要求.
2挠度验算
根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范JTJ025-86》1.1.5条的规定,由汽车荷载（不计冲击力）所引起的竖向挠度简支梁不应超过L/600.
图10.3汽车活载的挠度情况如下：
由此位移图中可以看到钢梁的活载最大挠度为26米米,小于L/600=60/600=0.1米.
40+60+40米钢连续梁,在各种荷载组合下应力满足规范要求,结构刚度满足要求.
十一、结论
通过对S匝道桥的减、隔震分析及抗震验算,可得出如下的主要结论：
（1）在E2地震作用下,隔震后固定墩（7号墩）处于弹性阶段,达到了大震不坏的设防水准;
（2）在E2地震作用下,隔震后桩身强度满足要求,达到了大震不坏的设防水准.
（3）设计的隔震方案,摩擦摆支座的顺桥向最大水平滑动位移为112米米;横桥向最大水平滑动位移为113米米.在抗震设置限位±150米米范围内,满足梁体限位的要求.
（4）箱梁伸缩缝端设置减震橡胶垫片,以减小在地震力作用下,相邻联上部结构相互碰撞力的传递.
（5）抗倾覆满足要求,安全系数为3.1>2.5.
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