70+130+70连续刚构抗震计算报告.docx

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70+130+70连续刚构抗震计算报告

九寨沟（川甘界）至绵阳高速公路（双河至平武段）

结构抗震性能计算分析报告

×××××××

二零一六年六月

九寨沟（川甘界）至绵阳高速公路双河至平武段

结构抗震性能计算分析报告

工程名称：

九寨沟（川甘界）至绵阳高速公路

设计阶段：

设计编号：

编制：

年月日

审核：

年月日

审定：

年月日

××××××××××××××

年月日

1工程概述

K线厄里村夺补河大桥位于绵阳市平武县白马寨，横跨夺补河及S205线，分左右两线，桥梁型式为三跨预应力混凝土变截面连续刚构桥，孔跨布置为（70+130+70）m，主桥长270m，主墩为矩形空心独柱墩，两主墩高度分别为89m和81m，主梁采用预应力砼箱梁，桥宽12.5m，采用单箱单室截面。

箱梁在端支座处及中墩处均设置了横隔板，并在横隔板中部设置进人孔，其它部位均未设置横隔板。

箱梁为变高直腹板，中墩支点梁高8.2m，端支点梁高3m，单幅顶板宽12.5m，底板宽6.5m，悬臂板端部厚18cm，根部厚65cm，箱内顶板厚30cm，直线段底板厚30cm，逐渐增厚至中墩处厚为100cm，跨中腹板厚50cm，中墩支点处腹板加厚至80cm，边支点处腹板加厚至85cm。

主墩采用空心矩形截面，纵桥向尺寸为6m，横桥向尺寸为8m，壁厚为0.7m；承台为矩形承台，纵桥向尺寸为9.4m，横桥向尺寸为14m，承台厚5m，承台底布置2×3根2.5m钻孔柱桩，桩长为35m。

主梁采用C50，桥墩用C40，桩基用C30，受力主筋采用HRB400。

施工方法采用挂篮悬臂浇注施工。

根据《中国地震动峰值加速度区划图》（GB18306-2015），桥址处地震动峰值加速度为0.20g。

地震动反应谱特征周期为0.40s，地震基本烈度为Ⅷ度，参考《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/TB02-01-2008），本桥属于B类桥梁，本桥必须进行E1和E2地震作用下的抗震设计，因此，本报告主要针对主桥进行抗震性能计算分析。

2采用的规范及参考依据

1）中华人民共和国行业推荐性标准《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/TB02-01-2008）

2）中华人民共和国行业标准《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）

3）《绵阳至九寨沟高速公路工程场地地震安全性评价报告》四川赛思特科技有限责任公司2010.7

4）K线厄里村夺补河大桥工程地质初勘报告

3抗震设防标准及抗震性能目标的确定

根据参考依据3的地震安评报告，安评报告对绵阳至九寨沟高速公路A线的重要工程—太华山隧道、毛家山隧道、王家山隧道、木座1号隧道和黄土梁隧道场地进行地震安全性评价工作。

本桥桥址位于绵阳市平武县白马寨，其工程场地处于王家山隧道和木座1号隧道之间，考虑地震活动性最不利情况，本桥工程场地取地震安评报告中木座1号隧道出口基岩场地地震动参数，见表3.1。

表3.1主桥工程场地设计地震动参数（5%阻尼比）

超越概率

地震动参数

50年超越概率

10%

5%

2%

1%

PGA（cm/s2）

203

260

363

451

Samax

0.487

0.624

0.871

1.082

T1（Sec）

0.10

0.10

0.10

0.10

Tg（Sec）

0.40

0.40

0.40

0.45

max

2.4

2.4

2.4

2.4

r

1.0

1.0

1.0

1.0

根据《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/TB02-01-2008），本桥属于B类桥梁，高速公路桥梁，主桥抗震设防标准及性能目标见表3.2。

表3.2主桥抗震设防标准及性能目标

抗震设防

水准

构件

类别

结构性能

要求

受力状态

验算准则

E1地震作用（50年10%）

Ci=0.5

主墩

无损伤

保持弹性状态

桩基础

无损伤

保持弹性状态

E2地震作用（50年2%）

主墩

中等损伤

可接近屈服

桩基础

中等损伤

可接近屈服

注：

表3.2中，

为按恒载和地震作用最不利组合下的弯矩；

为截面相应最不利轴力时的最外层钢筋首次屈服时对应的弯矩；

为按截面相应于最不利轴力时的等效屈服弯矩。

因此，主桥的抗震设防标准取用如下：

（1）E1地震作用下（50年超越概率10%）的水平地震动峰值加速度

=0.207g，同时考虑桥梁抗震重要性系数Ci=0.5。

（2）E2地震作用下（50年超越概率2%）的水平地震动峰值加速度

=0.370g。

4结构动力特性分析

4.1计算图式

主桥采用有限元程序MIDAS/CIVIL软件，建立空间有限元模型进行计算分析。

主梁、主墩和桩基均采用空间梁单元模拟。

桩基础采用“m”法土弹簧模拟。

成桥状态计算图式见图4.1所示。

图4.1主桥成桥状态计算图式

4.2边界条件

本桥成桥状态结构各部位边界条件如下（表4.1）。

表4.1结构各部位边界条件

结构部位

成桥状态

△x

△y

△z

θx

θy

θz

主墩与主梁交接处

1

1

1

1

1

1

主梁在边墩交接处

0

1

1

1

0

0

桩基

K

K

1

0

0

0

注：

表4.1中，△x、△y、△z分别表示沿纵桥向、横桥向、竖桥向的线位移，θx、θy、θz分别表示绕纵桥向、横桥向、竖桥向的转角位移。

1-表示约束，0-表示放松，K-表示弹性约束。

根据工程地质初勘报告与《公路桥涵地基与基础设计规范》，桩基单元长度为1m的土弹簧刚度K计算结果见表4.2。

表4.2土弹簧刚度K计算结果

岩层

抗压强度MPa

COkN/m3

纵桥向计算宽度

横桥向计算宽度

纵桥向刚度kN/m

横桥向刚度kN/m

强风化

21

12500000

2.96

2.84

37000000

35500000

中风化

26.58

15000000

2.96

2.84

44400000

42600000

4.3结构动力特性分析

成桥状态振型特点见表4.3，结构主要的振型图见图4.2。

表4.3成桥状态结构动力特性

模态

振型主要特性

自振频率

f（Hz）

自振周期

T（s）

1

纵向一致振动

0.2976

3.3605

2

主梁横弯

0.3161

3.1638

3

主梁横弯

0.7660

1.3055

4

主梁竖弯

1.0719

0.9329

5

主梁横弯

1.7562

0.5694

6

主梁竖弯

1.8003

0.5555

（a）Mode1

（b）Mode2

（c）Mode3

（d）Mode4

（e）Mode5

（f）Mode6

图4.2成桥状态结构振型图

5结构抗震性能计算分析

桥梁结构的抗震计算设计的分析方法分为反应谱法和动态时程法。

其中反应谱法分单振型反应谱法、多振型反应谱法和等效线性化方法；动态时程法分线性时程法分析和非线性时程法分析。

本桥结构地震反应分析采用多振型反应谱法和时程法两种方法进行，本次计算选取场地地震动参数对主桥进行结构地震响应计算分析，且计算按照一致激励作用考虑。

5.1反应谱设计

根据场地工程地震条件，确定了绵阳至九寨沟高速公路主要工程场地50年超越概率为10%、5%、2%和1%的基岩设计地震加速度反应谱。

其参数形式为：

本桥工程场地取地震安评报告中木座1号隧道出口基岩场地地震动参数，见表5.1。

表5.1主桥工程场地设计地震动参数（5%阻尼比）

超越概率

地震动参数

50年超越概率

10%

5%

2%

1%

PGA（cm/s2）

203

260

363

451

Samax

0.487

0.624

0.871

1.082

T1（Sec）

0.10

0.10

0.10

0.10

Tg（Sec）

0.40

0.40

0.40

0.45

max

2.4

2.4

2.4

2.4

r

1.0

1.0

1.0

1.0

E1地震作用：

水平向基本设计地震动峰值加速度Amax=0.207g，同时考虑桥梁抗震重要性系数Ci=0.5，竖向设计地震动峰值加速度取为水平向设计地震动峰值加速度的2/3；

E2地震作用：

水平向基本设计地震动峰值加速度Amax=0.370g，竖向设计地震动峰值加速度取为水平向设计地震动峰值加速度的2/3。

5.2反应谱计算

在地震响应分析中，均取前150阶振型进行计算，所有振型的参与质量都达到95%以上，振型组合方法采用CQC法。

输入采用如下两种组合：

（1）水平纵向+竖向；

（2）水平横向+竖向。

其中，竖向输入值取为水平向输入值的2/3。

方向组合采用SRSS方法。

本桥结构主要部位在E1和E2地震作用下的反应谱计算结果见表5.2～表5.3。

表5.2结构各主要部位地震响应（E1地震作用）

墩号

部位

横向+竖向反应

纵向+竖向反应

M

Q

N

M

Q

N

（KNm）

（KN）

（KN）

（KNm）

（KN）

（KN）

4号主墩

墩顶

13616

1554

5674

102837

2797

5844

墩底

107354

2564

8176

109132

3368

8361

承台底

117366

3099

8677

124221

3770

8866

桩顶

4908

548

4823

8725

640

4731

5号主墩

墩顶

13366

1687

5594

109223

3125

5629

墩底

115816

2648

7750

119536

3665

7789

承台底

126393

3166

8256

136328

4063

8297

桩顶

5311

539

5065

9571

688

5077

表5.3结构各主要部位地震响应（E2地震作用）

墩号

部位

横向+竖向反应

纵向+竖向反应

M

Q

N

M

Q

N

（KNm）

（KN）

（KN）

（KNm）

（KN）

（KN）

4号主墩

墩顶

48676

5556

20283

367631

10000

20892

墩底

383778

9167

29228

390134

12042

29888

承台底

419569

11079

31020

444076

13477

31696

桩顶

17546

1958

17242

31190

2287

16915

5号主墩

墩顶

47781

6030

19999

390457

11172

20124

墩底

414028

9466

27704

427326

13100

27845

承台底

451841

11318

29515

487356

14526

29660

桩顶

18985

1925

18108

34215

2461

18151

5.3地震动加速度时程

本桥抗震计算中E1地震作用采用50年10%概率水准下人工地震波，同时考虑桥梁抗震重要性系数Ci=0.5，E2地震作用采用50年2%概率水准下人工地震波，在地震安评报告中，以设计地震动峰值加速度和设计反应谱参数为目标谱，合成了超越概率水平为50年10%和50年2%的地震动人工波各三条，竖向输入值取为水平向输入值的2/3。

E1、E2水准下的三条地震波时程曲线见图5.1、图5.2。

地震动输入采用如下两种组合：

（1）水平纵向+竖直向；

（2）水平横向+竖直向。

地震响应计算结果取三条地震波的最大值。

a）E1水准时程曲线1

b）E1水准时程曲线2

c）E1水准时程曲线3

图5.1E1水准（50Y10%）场地地震动时程曲线图

a）E2水准时程曲线1

b）E2水准时程曲线2

c）E2水准时程曲线3

图5.2E2水准（50Y2%）场地地震动时程曲线图

5.4线性时程分析

对主桥进行线性时程分析，与反应谱计算结果进行对比，相互验证校核，线性时程分析计算模型与反应谱分析模型相同，E1、E2地震作用下的线性时程计算结果，见表5.4～表5.6。

时程法分析和反应谱法分析结果对比见表5.7。

表5.4结构各主要部位地震响应（E1地震作用）

墩号

部位

横向+竖向反应

纵向+竖向反应

M

Q

N

M

Q

N

（KNm）

（KN）

（KN）

（KNm）

（KN）

（KN）

4号主墩

墩顶

15155

2066

6780

121577

3912

7323

墩底

112771

2726

10667

119357

4525

11278

承台底

119930

3466

11554

143629

5038

12163

桩基最不利

5107

717

5433

9949

860

5810

5号主墩

墩顶

14176

2091

6872

121190

3252

6809

墩底

122487

3049

10256

118293

3571

10113

承台底

135833

3813

11147

135244

4720

10964

桩基最不利

5657

841

5685

9457

832

5539

表5.5结构各主要部位地震响应（E2地震作用）

墩号

部位

横向+竖向反应

纵向+竖向反应

M

Q

N

M

Q

N

（KNm）

（KN）

（KN）

（KNm）

（KN）

（KN）

4号主墩

墩顶

54385

7760

22095

451492

14601

23213

墩底

489722

10694

34531

464303

16338

36436

承台底

541400

13343

37754

546479

18151

39659

桩基最不利

22267

2537

22671

38059

3070

20520

5号主墩

墩顶

45930

7412

22284

395941

12446

22205

墩底

461385

11149

32554

436784

12879

32150

承台底

503209

13736

35731

497988

15483

35177

桩基最不利

21248

2627

21218

34940

2705

18995

表5.6E2地震作用下控制点的位移（线性时程）

结构位置

纵桥向（mm）

横桥向（mm）

4号主墩墩顶

319

289

5号主墩墩顶

315

274

表5.7时程法和反应谱法分析结果对比表（E1地震作用）

墩号

部位

横向弯矩比较

纵向弯矩比较

（KNm）

（KNm）

（KNm）

（KNm）

4号主墩

墩顶

13616

15155

1.11

102837

121577

1.18

墩底

107354

112771

1.05

109132

119357

1.09

承台底

117366

119930

1.02

124221

143629

1.16

桩顶

4908

5107

1.04

8725

9949

1.14

5号主墩

墩顶

13366

14176

1.06

109223

121190

1.11

墩底

115816

122487

1.06

119536

118293

0.99

承台底

126393

135833

1.07

136328

135244

0.99

桩顶

5311

5657

1.07

9571

9457

0.99

由线性时程法和线性反应谱法分析结果对比可知，线性时程分析结果和线性反应谱分析结果吻合得较好。

线性时程分析结果基本都比线性反应谱分析结果大，控制截面内力计算结果差别基本在20%之内，满足《公路桥梁抗震设计细则》第6.5.3条的规定，即在E1地震作用下，线性时程法的计算结果不应小于反应谱法计算结果的80%。

说明时程法计算时选取的三条人工地震波是基本合理的。

5.5结构抗震验算

由线性时程法和线性反应谱法对比结果可知，线性时程分析中控制截面内力比线性反应谱分析结果大。

因此，本桥抗震验算时采用线性时程分析法计算结果进行验算，分析判断各控制截面在地震作用下是否进入弹塑性。

本桥主桥结构的抗震验算根据《公路桥梁抗震设计细则》的抗震验算方法，根据截面的配筋，采用纤维单元，考虑在恒载和地震作用下的最不利轴力组合对主墩和群桩基础最不利单桩的控制截面进行了P-M-分析，得出各控制截面的抗弯能力，从而进行抗震性能验算。

主墩和桩基础截面的抗弯能力（强度）采用纤维单元法进行的弯矩－曲率（考虑相应轴力）分析确定，将截面混凝土根据需求划分为纤维单元束，而单根钢筋则作为一个纤维单元。

对已划分截面进行弯矩曲率分析，得出图5.3所示的弯矩－曲率曲线。

图5.3等效弯矩的计算示意图

截面等效屈服弯矩实质上是一个理论上的概念值，是将实际的截面弯矩－曲率曲线按能量等效的原则将其等效为一个弹塑性曲线。

中间的等效屈服弯矩Meq计算规则如图6.5，由阴影部分面积相等求得。

其中My为截面相应于最不利轴力时最外层钢筋首次屈服时对应的初始屈服弯矩；Meq为相应于最不利轴力时截面等效屈服弯矩；Mu为截面极限弯矩。

此外，由于地震为偶然荷载，因而，验算中采用的相应的材料强度均为规范中相应的标准值，不再考虑材料的安全分项系数。

采用纤维单元，对各控制截面进行划分（如图5.45.5），应用实际的钢筋和混凝土应力－应变关系，计算了各控制截面的弯矩－曲率关系，从而得到各控制截面的初始屈服弯矩My和等效屈服弯矩Meq。

图5.4主墩验算截面示意图

图5.5主墩桩基（φ2.5m）

E1地震作用下，结构校核目标是主墩和桩基础均在弹性范围内工作，其地震反应小于初始屈服弯矩；E2地震作用下，结构校核目标是主墩、桩基础可出现微小裂缝，不影响使用，主墩、桩基的地震反应小于等效屈服弯矩。

主墩和桩基的配筋见表5.8。

主墩和桩基的抗震验算见表5.9以及表5.10所示。

表5.8主墩和桩基配筋表

位置

配筋形式

全截面配筋率（%）

主墩

外壁2-28mm@15cm

内壁28mm@15cm

1.70

2.5m桩基

2-28mm共计96根

1.20

表5.9最不利轴力下主墩和桩基初始屈服弯矩验算（E1地震作用）

组合工况

墩号

位置

最小轴力P（kN）

弯矩M（kN·m）

初始屈服弯矩M（kN·m）

安全系数

恒载±（纵向+竖向地震作用）

4号墩

墩顶

53937

121577

408000

3.36

墩底

91193

119357

493300

4.13

桩基

17400

9949

28050

2.82

5号墩

墩顶

54518

121190

409400

3.38

墩底

88721

118293

487800

4.12

桩基

16520

9457

27540

2.91

恒载±（横向+竖向地震作用）

4号墩

墩顶

54480

15155

520400

34.34

墩底

91804

112771

627600

5.57

桩基

17776

5107

28180

5.52

5号墩

墩顶

54455

14176

520400

36.71

墩底

88579

122487

618600

5.05

桩基

16374

5657

27520

4.86

注：

表5.9中，轴力正值表示压力，负值表示拉力。

表5.10最不利轴力下桥墩、主塔和桩基截面等效屈服弯矩验算（E2地震作用）

组合工况

墩号

位置

最小轴力P（kN）

弯矩M（kN·m）

等效屈服弯矩M（kN·m）

安全系数

恒载±（纵向+竖向地震作用）

4号墩

墩顶

38047

451492

466900

1.03

墩底

66035

464303

537400

1.16

桩基

2689

38059

24840

0.65

5号墩

墩顶

39122

395941

469700

1.19

墩底

66684

436784

539900

1.24

桩基

3064

34940

25120

0.72

恒载±（横向+竖向地震作用）

4号墩

墩顶

39165

54385

620600

11.41

墩底

67940

489722

715200

1.46

桩基

538

22267

23160

1.04

5号墩

墩顶

39043

45930

620100

13.50

墩底

66280

461385

710700

1.54

桩基

841

21248

23490

1.11

注：

表5.10中，轴力正值表示压力，负值表示拉力。

由表5.9、5.10可知，在E1地震作用下，主墩和桩基弯矩最不利截面弯矩均小于截面初始屈服弯矩，均保持在弹性范围之内，满足抗震性能要求；

在E2地震作用下，主墩控制截面弯矩安全系数均大于1，说明主墩只发生可修复损伤，满足抗震性能要求。

而桩基在纵桥向弯矩安全系数小于1，说明桩基已经进入延性，不满足结构抗震性能要求。

6结构优化方案抗震计算

根据主桥结构地震响应结果，主墩承台底在纵桥向和横桥向地震内力响应相当，而基础布置纵桥向偏弱，因此，综合判断，建议主墩基础由原来的2×3共6根2.5m桩基改为3×3共9根2.5m桩基。

新修改的桩基示意图见图6.1。

图6.1新修改的桩基示意图

6.1线性时程分析

在原来的有限元模型基础上修改，对修改的模型进行线性时程分析，E1、E2地震作用下的线性时程计算结果，见表6.1～表6.3。

表6.1结构各主要部位地震响应（E1地震作用）

墩号

部位

横向+竖向反应

纵向+竖向反应

M

Q

N

M