桥梁抗震分析报告.docx
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桥梁抗震分析报告
桥梁抗震分析报告
1工程概况
1.1概况综述
该桥位于某7度区二级公路上，水平向基本地震加速度值0.15g。
按《中国地震动反应谱特征周期区划图》查的场地特征周期为：
0.45s。
然后进行现场勘查测得场地土质的和剪切波速，例如
表1场地体制勘探表
层底深度（m）
层厚（m）
土质描述
密度（kN·s2/m4）
剪切波速（m/s）
3.0
3.0
亚粘土
0.017
135
4.0
1.0
细砂
0.018
270
5.5
1.5
轻亚粘土
0.018
270
6.7
1.2
亚粘土
0.018
270
8.5
1.8
细砂
0.019
270
11.5
3.3
粘土
0.019
270
11.8
基岩
1.2场地类别确定
（1）根据公式计算土层平均剪切波速：
209.8m/s，
（2）然后确定工程场地覆盖层厚度：
11.5m，（3）根据规范中桥梁场地类别划分表格，确定场地类别为Ⅱ类场地。
（4）采用地震作用效应与永久作用效应组合进行地基抗震验算。
（5）根据土质判断是否需要抗液化措施，经判断本场地地基不液化，不需要进行抗液化措施。
1.3桥梁概况
本桥总体布置为40m+40m+40m的连续刚构桥，截面是单箱单室（如图2.1所示），桥宽9.3m，墩高10m，桥墩截面如图2.2所示。
图1跨中箱梁截面
图2桥梁布置图
图3V型桥墩构造图
预应力布置形式：
跨中部分配置顶板预应力，边跨配置底板预应力。
1.4技术指标
荷载等级：
城-A
地震设防烈度：
8度
设计安全等级：
二级
结构重要性系数：
1.0
1.5材料
（1）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。
（2）钢材，采用JTG04（S）规范，在数据库中选Strand1860
（3）预应力：
钢束（φ15.2mm×31）
截面面积：
Au=4340mm2
孔道直径：
130mm
钢筋松弛系数：
选择JTG04和0.3（低松弛）
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
2研究内容、规范及标准
2.1研究内容
本报告主要进行了以下三方面的工作：
（1）桥梁动力特性分析。
（2）桥墩柱在多遇地震（50年超越概率63%）作用下的弹性时程分析（强度验算）。
（3）桥墩柱在罕遇地震（50年超越概率2%）作用下弹塑性时程分析（包括支座强度验算和延性验算）。
为了模拟结构整体的地震响应，计算以全桥为对象，考虑两侧的简支跨的影响。
为了简化建模及计算过程，将原来的曲线桥等效为直桥建模计算。
本报告仅对预应力混凝土连续刚构桥进行分析验算，由于简支梁结构较简单，简支梁边墩的计算在本报告中不包括。
2.2计算程序
运用桥梁专业分析软件Midas/Civil7.4.1对该桥进行空间动力特性分析，结构计算见图如图2.2所示。
图2.2结构空间动力计算简图
2.3参考规范及技术标准
（1）《铁路桥涵设计基本规范》TB10002.1-2005
（2）《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》TB10002.3-2005
（3）《铁路工程抗震设计规范》GB50111-2006（2009年版）
（4）《公路桥梁抗震设计细则》JTG/TB02-01-2008
（5）《北京地铁14号线高架区间（K0+153~K1+619）（01合同段）岩土工程勘察报告》（6）《北京地铁十四号线工程场地地震安全性评价报告》2008.11，中国地震局地球物
理研究所，编号TRIDES-AP-08032
（7）《地铁设计规范》GB50157-2003
3抗震设防目标
根据《地铁设计规范》第9.2.19条规定，地铁结构物的地震作用应根据《铁路工程抗震设计规范》的相关规定进行计算。
因此，本桥的抗震计算根据《铁路工程抗震设计规范》确定抗震设防目标，各阶段的设防目标具体如表3-1所示。
表3-1桥梁抗震设防目标
抗震设防概率水准
抗震设防部位
抗震设防目标
多遇地震
50Y63.2%
桥梁结构
结构处于弹性工作阶段，地震后不损坏或轻微损坏，能够保持其正常使用功能。
设计地震
50Y10%
桥梁上、下部
连接构造
结构整体处于非弹性工作阶段，地震后可能损坏，经修补，短期内能恢复其正常使用功能。
罕遇地震
50Y2%
钢筋砼桥墩
结构处于弹塑性工作阶段，地震后可能产生较大破坏，但不出现整体倒塌，经抢修后限速通车。
4地震动参数
4.1设计地震加速度反应谱曲线
4.2设计地震动时程
按照《铁路工程抗震设计规范》GB50111-2006（2009年版）第7.2.2条，地震可采用人工拟合地震波进行时程分析。
在结构分析中采用地震安评报告提供的地震动时程。
图4-1~图4-3为工程场地地震安全性评价单位提供的多遇地震条件、设计地震条件以及罕遇地震条件下的地震波时程。
（c）5063-3号波
图4-2多遇地震的地震动时程
（c）5010-3号波
图4-3设计地震的地震动时程
（a）5002-1号波
图4-4罕遇地震时的地震动时程
5抗震安全性验算要求
5.1多遇地震作用时的强度要求
多遇地震作用时结构要求处于弹性阶段，按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB10002.3-2005）进行强度检算。
根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB10002.3-2005）及其修订条文。
采用C45砼桥墩在主力加附加力作用下弯曲受压及偏心受压混凝土容许应力[σb]取15.0MPa，结构受力主筋采用HRB335级钢筋，容许应力[σs]取180MPa。
而根据《铁路工程抗震设计规范》（GB50111－2006）（2009年版）规定，主力加特殊荷载作用下，需虑地震力作用下建筑材料容许应力修正系数，如表5-1，[σb]应取22.5MPa，[σs]取270MPa。
表5-1建筑材料的容许应力修正系数
材料名称
应力类别
修正系数
混凝土、片石混凝土和石砌体
剪应力、弯曲拉应力
1.0
压应力
1.5
钢材
剪应力、拉、压应力
1.5
5.2罕遇地震作用时的支座强度
根据《铁路工程抗震设计规范》（GB50111－2006）（2009年版）规定，采用延性设计的钢筋混凝土桥墩，其支座应按罕遇地震进行验算。
对固定盆式支座、单向活动盆式支座的固定方向的水平剪切力进行承载能力抗震验算：
固定盆式支座、单向活动盆式支座的固定方向的水平剪切力
式中：
——罕遇作用效应和永久作用效应组合得到的固定盆式支座水平力设计值（kN）；
——固定盆式支座容许承受的最大水平力（kN）。
支座验算时，按《铁路工程抗震设计规范》（GB50111－2006）（2009年版）规定，地震力作用下建筑材料容许应力修正系数按表5-1。
5.3罕遇地震作用时的变形要求
钢筋混凝土桥墩在罕遇地震作用下的弹塑性变形分析，按《铁路工程抗震设计规范》（GB50111－2006）（2009年版）规定，进行桥墩延性验算。
延性应满足下式的要求：
μu=
＜［μu］
式中：
μu—非线性位移延性比；
［μu］—允许位移延性比，取值为4.8；
Δmax—桥墩的非线性响应最大位移；
Δy—桥墩的屈服位移。
6桥梁地震反应分析
6.1结构有限元计算模型的建立
6.1.1有限元计算模型
桥梁抗震分析采用MidasCivil软件建立全桥力学模型进行分析计算，建模时主梁、桥墩采用空间梁单元来模拟，在承台底用弹簧刚度模拟群桩基础的刚度。
为了模拟结构整体的地震响应，计算以全桥为对象。
为了简化建模及计算过程，将原来的曲线桥等效为直桥建模计算。
计算模型如图6-1所示：
6.1.2截面的弯矩-曲率关系
以下为按梁单元模型计算得到的墩底截面弯矩-曲率关系。
（a）墩底顺桥向（b）墩底横桥向
图6-6CY57墩底弯矩－曲率关系曲线
（a）墩底顺桥向（b）墩底横桥向
图6-7CY58墩底弯矩－曲率关系曲线
图6-8CY58墩顶顺桥向弯矩－曲率关系曲线
（a）墩底顺桥向（b）墩底横桥向
图6-9CY29墩底弯矩－曲率关系曲线
6.1.3阻尼
结构阻尼包括两方面：
支座、墩脚屈服后的弹塑性滞回环耗能；构件材料的粘滞阻尼耗能。
前者通过弹塑性单元的恢复力模型在直接积分过程中得到考虑。
后者的粘滞阻尼耗能则采用瑞利比例阻尼。
本次分析中粘滞阻尼效果采用瑞利阻尼数学模型考虑，质量和刚度因子取自初始弹性刚度对应的结构体系。
即：
式中：
——比例系数。
Rayleigh阻尼中的系数
和
由两个特定固有频率
，
和对应得振型阻尼比
，
从下式计算得到：
因此，如果能够确定振型的阻尼比
，
，则Rayleigh阻尼中系数
和
可以算出。
一般情况下，认为控制频率
和频率
的阻尼比相等，即
，代入上式，可得：
图6-22为本文计算所考虑的阻尼特性。
图6-10阻尼特性
6.1.4结构动力特性
根据上述有限元模型，进行结构动力特性分析。
特征值分析
模态
号
频率
周期
容许误差
（rad/sec）
（cycle/sec）
（sec）
1
6.401077
1.018763
0.981583
0.00E+00
2
16.294035
2.593276
0.385613
0.00E+00
3
17.901532
2.849117
0.350986
7.10E-16
4
18.266454
2.907196
0.343974
1.70E-16
5
25.300451
4.026692
0.248343
5.33E-16
6
32.867813
5.231075
0.191165
2.10E-16
7
47.092683
7.495033
0.133422
2.05E-16
8
54.357031
8.65119
0.115591
4.62E-16
9
58.056574
9.239991
0.108225
1.35E-16
10
67.202255
10.695571
0.093497
2.01E-16
11
72.791418
11.585114
0.086318
0.00E+00
12
79.02643
12.577447
0.079507
2.91E-16
13
98.967752
15.751207
0.063487
1.86E-14
14
110.042915
17.513874
0.057098
0.00E+00
15
112.977877
17.980988
0.055614
1.43E-16
16
119.764117
19.061051
0.052463
3.80E-16
17
131.161278
20.874966
0.047904
3.44E-07
18
152.592743
24.285889
0.041176
0.00E+00
19
162.006424
25.784123
0.038784
2.77E-16
20
165.193863
26.29142
0.038035
8.00E-16
21
165.598896
26.355883
0.037942
6.63E-16
22
165.659095
26.365464
0.037928
0.00E+00
23
174.984247
27.849608
0.035907
4.75E-16
24
178.163267
28.355565
0.035266
8.02E-16
25
178.381153
28.390242
0.035223
5.91E-02
26
183.573792
29.216676
0.034227
4.92E-01
27
224.239741
35.688863
0.02802
5.89E-02
28
230.746182
36.724395
0.02723
1.15E-01
29
243.630948
38.77507
0.02579
9.42E-02
30
254.847365
40.560218
0.024655
3.13E-01
表6-3、表6-4为结构自振特性计算结果，主要振型如图6-4、图6-5所示。
表6-4顺桥向结构自振特性
振型阶数
频率（HZ）
周期（s）
振型阶数
频率（HZ）
周期（s）
1
1.371495
0.729131
16
7.140511
0.140046
3
1.875925
0.533070
20
11.218716
0.089137
5
2.606119
0.383712
21
11.892422
0.084087
8
3.515101
0.284487
23
12.628004
0.079189
9
3.761971
0.265818
27
16.033417
0.062370
10
4.561308
0.219235
28
16.388689
0.061018
12
5.708938
0.175164
30
16.794873
0.059542
13
6.095583
0.164053
31
17.599472
0.056820
15
6.867800
0.145607
表6-5横桥向结构自振特性
振型阶数
频率（HZ）
周期（s）
振型阶数
频率（HZ）
周期（s）
2
1.734033
0.576690
17
8.904828
0.112299
4
1.970782
0.507413
18
10.627338
0.094097
6
2.964618
0.337312
24
14.381203
0.069535
7
3.029835
0.330051
25
15.485677
0.064576
11
4.810892
0.207862
26
15.769653
0.063413
14
6.561706
0.152399
29
16.662784
0.060014
6-12横桥向主要振型
模态
号
TRAN-X
TRAN-Y
TRAN-Z
ROTN-X
ROTN-Y
ROTN-Z
质量（%）
合计（%）
质量（%）
合计（%）
质量（%）
合计（%）
质量（%）
合计（%）
质量（%）
合计（%）
质量（%）
合计（%）
1
97.69
97.69
0
0
0
0
0
0
0.22
0.22
0
0
2
0
97.69
0
0
14.61
14.61
0
0
0
0.22
0
0
3
0
97.69
66.17
66.17
0
14.61
1.26
1.26
0
0.22
0
0
4
0.31
98
0
66.17
0
14.61
0
1.26
68.93
69.15
0
0
5
0
98
0
66.17
53.39
67.99
0
1.26
0
69.15
0
0
6
0
98
0
66.17
0
67.99
0
1.26
0
69.15
49.95
49.95
7
0
98
16.98
83.15
0
67.99
0.42
1.68
0
69.15
0
49.95
8
0.05
98.04
0
83.15
0
67.99
0
1.68
4.66
73.81
0
49.95
9
0
98.04
0
83.15
1.36
69.36
0
1.68
0
73.81
0
49.95
10
0.01
98.05
0
83.15
0
69.36
0
1.68
0.79
74.61
0
49.95
11
0
98.05
0
83.15
0
69.36
0
1.68
0
74.61
15.17
65.12
12
0
98.05
0
83.15
0.12
69.47
0
1.68
0
74.61
0
65.12
13
0
98.05
3.96
87.12
0
69.47
1.28
2.96
0
74.61
0
65.12
14
0
98.05
0
87.12
1.49
70.96
0
2.96
0
74.61
0
65.12
15
0.01
98.06
0
87.12
0
70.96
0
2.96
10.33
84.94
0
65.12
16
0
98.06
0
87.12
14.89
85.86
0
2.96
0
84.94
0
65.12
17
0
98.06
0
87.12
0
85.86
0
2.96
0
84.94
10.15
75.27
18
0.28
98.34
0
87.12
0
85.86
0
2.96
0.54
85.47
0
75.27
19
0
98.34
0
87.12
0.06
85.92
0
2.96
0
85.47
0
75.27
20
0.44
98.78
0
87.12
0
85.92
0
2.96
0.08
85.55
0
75.27
21
0
98.78
0
87.12
0.07
85.99
0
2.96
0
85.55
0
75.27
22
0.12
98.9
0
87.12
0
85.99
0
2.96
0
85.55
0
75.27
23
0
98.9
0
87.12
0
85.99
0
2.96
0.38
85.93
0
75.27
24
0
98.9
0
87.12
1.02
87.02
0
2.96
0
85.93
0
75.27
25
0
98.9
3.82
90.94
0
87.02
0.15
3.11
0
85.93
0
75.27
26
0.19
99.09
0
90.94
0
87.02
0
3.11
1.99
87.92
0
75.27
27
0
99.09
0
90.94
0.04
87.05
0
3.11
0
87.92
0
75.27
28
0
99.09
0
90.94
7.24
94.3
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