最终版 三门峡黄河公铁两用大桥主引桥结构抗震性能分析报告 10.docx
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最终版三门峡黄河公铁两用大桥主引桥结构抗震性能分析报告10
三门峡黄河公铁两用大桥
结构抗震性能分析报告
（初步设计）
中铁大桥勘测设计院集团有限公司
二○一三年六月
计算：
阮怀圣
复核：
何友娣、李龙安
1、采用的规范及参考依据
1）、《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-2005）
2）、《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB10002.2-2005）
3）、《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）
4）、《铁路桥涵地基与基础设计规范》（TB10002.5-2005）
5）、《高速铁路设计规范》（试行）（TB10621-2009）
6）、《铁路工程抗震设计规范》（GB50111-2006）（2009年版）
7）、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）
8）、山西省地震工程勘察研究院《运城至三门峡铁路重点工程场地地震安全性评价报告》（2011.01）
2、结构抗震设防标准的确定
依据《铁路工程抗震设计规范》，本桥主桥、南北两岸引桥的抗震设防类别为B类，结构抗震设防目标见表2-1：
表2-1主桥结构抗震设防目标
地震作用
抗震设防
水准
抗震设防部位
抗震设防目标
多遇地震
50年63.2%
桥梁结构
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
50年10%
桥梁上、下部连接构造
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
50年2%
钢筋砼桥墩
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。
注：
（1）多遇地震作用需考虑重要性系数1.5。
根据《运城至三门峡铁路重点工程场地地震安全性评价报告》可知：
本桥场地设计地震动加速度反应谱为：
其中，
为设计地震动峰值加速度，
为设计地震动加速度放大系数反应谱，其谱值β（T）的表达式为：
动力放大系数的表达式为：
式中：
T—反应谱周期（s）；
T1—反应谱平台的起点周期（s）；
Tg—反应谱的特征周期（s）；
β（T）为对应于周期T的相对反应谱值，
为相对反应谱的最大值，
为衰减系数。
场地设计规准谱特征参数见表2-2所示：
表2-2场地设计规准谱特征参数（阻尼比5%）
场地
超越概率
黄河西岸
地表
50年63.2%
0.1
0.46
0.058
2.20
1.10
50年10%
0.1
0.58
0.180
2.30
1.07
50年2%
0.1
0.76
0.370
2.35
1.08
3、工程概况及地震动输入
3.1主桥
（84+9×108+84）m连续钢桁结合梁，桥长1142.5m，为一联布置。
为满足抗震要求，主墩1～10号墩顶设置双曲面减隔震支座，0、11墩顶设置普通球型支座，其中5、6号墩顶支座纵向设置抗剪销，保证在正常运营阶段5、6号墩纵向固定。
桥式立面布置如图3-1所示：
图3-1主桥（84+9×108+84m连续钢桁梁）桥式立面布置图
横断面布置见图3-2。
图3-2主桥横断面布置图（单位：
cm）
主桁桁高15m，主桁全宽27.2m，中、边桁中心距13.6m。
上层公路桥面全宽32m。
下层铁路桥面在上游侧边桁与中桁之间布置运三铁路双线，线间距4.2m，在下游侧边桁与中桁之间布置蒙西通道双线，线间距4m。
蒙西通道与运三铁路线间距9.5m。
墩身采用门型空心墩，主墩墩帽横桥向宽32.8m，顺桥向宽6.6m，高2m。
墩身顶部横桥向宽32.2m，顺桥向宽6，壁厚0.8ｍ，采用纵横向双向内外变坡，外侧坡率30：
1，内侧坡率45：
1，壁厚由上而下不断变厚；门洞横向宽11.4m。
边墩墩帽横桥向宽32.8m，顺桥向宽5.8m，高2m。
墩身顶部横桥向宽32.2m，顺桥向宽5.2，壁厚0.7ｍ，采用纵横向双向内外变坡，外侧坡率35：
1，内侧坡率50：
1，壁厚由上而下不断变厚；门洞横向宽12.6m。
主墩（1～10号墩）基础采用40根φ2.0ｍ钻孔桩，呈行列式布置；承台尺寸为42.1×24.4×4.5ｍ。
加台尺寸为38.4×13.6×2ｍ。
边墩（0、11号墩）基础采用28根φ2.0ｍ钻孔桩，呈行列式布置；承台尺寸为39.2×18.8×4.5ｍ。
主墩构造见图3-3。
图3-3主桥主墩结构图（单位：
cm）
3.2南岸引桥
南岸公铁合建段引桥公路采用平曲线逐渐与铁路分离，直至完全分开，本段同是分岔段。
上层公路采用32.7m预应力混凝土连续箱梁，下层铁路采用32m预应力混凝土简支T梁。
全长294.302m，为9孔32m梁，公路纵向分两联布置。
其中主桥至S06号墩之间在铁路桥面两侧设置声屏障。
南岸引桥桥式立面布置图见下图所示：
图3-4南岸引桥桥式立面布置图
（1）公路32.7m预应力混凝土连续箱梁
公路桥面全宽32m，主梁分两幅布置，两幅间净距0.5m。
单幅主梁采用单箱单室截面，顶板宽15.75m，桥面横坡2.0%，底板宽6.5m，梁高2.0m。
主梁两侧各悬臂3.875m，顶板悬臂端部厚度20cm，根部厚度65cm。
截面顶板厚度28cm，底板厚度25cm，腹板厚度50～80cm。
主梁结构如图3-5所示。
图3-5公路32.7m预应力混凝土连续箱梁结构图（单位：
cm）
（2）蒙西通道32m预应力混凝土简支T梁
蒙西通道32m预应力混凝土简支T梁采用全线统一的通用参考图。
不设置声屏障的T梁对应通用图图号为“蒙西华中桥2105”，设置声屏障的T梁对应通用图图号为“蒙西华中桥2107”。
（3）运三铁路32m预应力混凝土简支T梁
为了结构统一，方便施工，运三铁路32预应力混凝土简支T梁采用与蒙西通道同样的结构。
（4）桥墩与基础
由于公铁分岔段公路与铁路的平面相对位置不断变化，运三铁路与蒙西通道也逐渐分离，故本区段桥墩基础的结构各不相同。
桥墩采用框架墩，上层公路框架为三柱式框架，柱纵向宽2.0m，横向宽1.5m，横梁纵向宽2.3m，高2.0m，横梁为预应力混凝土结构。
下层铁路墩采用门式空心墩，墩帽横向宽30.4～43.3m，纵向宽4.6m。
墩身顶横向宽29.8～42.7m，纵向顶宽4.0m。
墩顶壁厚0.7ｍ，采用纵横向双向内外变坡，外侧坡率35：
1，内侧坡率50：
1，壁厚由上而下不断变厚。
S09号墩公路与铁路桥墩已经完全分开，铁路墩身与相邻分建段墩身结构尺寸相同。
公路墩身采用带倒角的矩形截面实体墩，横向宽6.8m，纵向宽3.0m。
基础采用24～30根1.5m钻孔桩，承台平面尺寸（35.9～48.4）×10.5m，厚3m。
S04号墩结构图见3-6所示。
图3-6南岸公铁合建段引桥S04号墩结构图
3.3北岸引桥
北岸蒙西通道与运三铁路合建段引桥长368.745m，为9孔40m预应力混凝土简支箱梁。
本区段蒙西通道与运三铁路之间的距离逐渐变宽，直至基础完全分开。
本区段桥面两侧需设置声屏障。
图3-7北岸引桥桥式立面布置图
（1）蒙西通道及运三铁路40m预应力混凝土简支箱梁
蒙西通道及运三铁路40m简支箱梁与北岸公铁合建段引桥相同。
（2）桥墩与基础
桥墩横向分幅布置，采用圆端型空心墩，顶帽纵向宽5.6m，横向宽11.6m，墩帽高0.6m，托盘高3.4m。
墩身顶纵向宽5.2m，横向宽9.2m，墩身外侧横、纵向均按35：
1的斜率变宽,墩身内侧纵、横向按50：
1的斜率变化，上端壁厚60cm，由上至下不断变厚。
基础采用26根钻孔灌注桩基础，N09～N11号墩承台平面尺寸35.6×19.6m，厚4m；N11～N17号墩承台平面尺寸44.4×19.6m，厚4m。
桥墩与基础结构图示意如图3-8所示。
图3-8北岸蒙西与运三合建段引桥桥墩结构图
三门峡黄河公铁两用大桥全桥抗震计算主梁的荷载情况见下表3.1所示：
表3.1三门峡黄河公铁两用桥主梁荷载一览表
桥名
跨度布置
公路荷载
铁路荷载
荷载
总计
注
公路
一恒
公路
二恒
铁路
一恒
铁路
二恒
（KN/m）
（KN/m）
（KN/m）
（KN/m）
（KN/m）
主桥连续
钢桁梁
84+9×108+84m
——
91
——
359
1000
公铁一恒
总计550（KN/m）
南岸公铁合建引桥
32.7m
2×280
2×49
2×253
2×160
1484
双幅
南岸单建铁路引桥
32.7m
——
——
2×253
2×160
826
双幅
南岸单建铁路引桥
55+82+55m
——
——
2×408
2×180
1176
双幅
北岸公铁合建引桥
40.7m
2×280
2×50
2×276
2×160
1532
双幅
北岸单建铁路引桥
40.7m
——
——
2×253
2×160
826
双幅
3.4地震动输入
本桥计算采用动态时程法进行。
其中多遇地震作用采用50年63.2%概率水准地震波，设计地震作用采用50年10%概率水准地震波，罕遇地震作用采用50年2%概率水准地震波，根据地震安评报告提供的地震波，分别输入三条地表人工波，竖向输入值取为水平向输入值的2/3。
各概率水准下的三条地震波时程曲线见下图所示所示。
图3.150年63.2%水准下的地表水平向设计地震动加速度时程（5%阻尼比）
图3.250年10%水准下的地表水平向设计地震动加速度时程（5%阻尼比）
图3.350年2%水准下的地表水平向设计地震动加速度时程（5%阻尼比）
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。
其中，竖向输入值取为水平向输入值的2/3。
地震方向组合采用SRSS方法。
钢砼结构各振型阻尼计算方法采用应变能因子方法，其中钢结构的阻尼比取2%，砼结构阻尼比取5%，应变能因子方法就是基于应变能的各振型阻尼比的计算方法，MIDAS程序内部根据在组阻尼比中输入的各单元和边界的阻尼计算各振型的阻尼比，然后构建整个结构的阻尼矩阵。
抗震计算的主要原则为：
（1）多遇地震作用下，双曲面球形摩擦摆减隔震支座未发挥作用，计算采用线性时程分析法；
（2）设计地震及罕遇地震作用下，双曲面球形摩擦摆减隔震支座发挥作用，计算采用非线性时程分析法。
4、主桥结构抗震性能分析（84+9×108+84m连续钢桁梁）
4.1结构动力特性分析
4.1.1计算图式
主桥边墩通过加载其相邻跨的节点质量于边墩顶的方式来近似考虑相邻跨的影响。
计算纵向地震作用时不考虑活载引起的地震作用，计算横向地震作用时考虑需活载的影响，其活载选定如下：
根据《铁路桥涵设计基本规范》，采用各线列车活载总和的45%，活载作用于轨顶以上2m处，中-活载根据等效换算均布荷载K0选取，转化为节点力，均布施加于对应高度的节点（节点采用刚臂连接于桥面对应线位处），并采用荷载转化为质量方式来实现转化50%活载引起的地震作用。
抗震分析中，取前100阶振型，振型组合按CQC方法进行。
地震输入采用两种方式：
水平纵向+竖向；
水平横向+竖向；方向组合采用SRSS法。
本桥主梁、桥墩以及承台采用梁单元模拟，成桥状态下结构计算图示见下图所示：
图4-1成桥状态计算图式
4.1.2边界条件
为了满足结构抗震设计的需要，本桥采用减隔震设计。
本桥每个墩顶上设置三个支座，0#、11#边墩采用常规球钢支座，1#～10#墩采用双曲面球形摩擦摆隔震支座。
纵桥向5#、6#墩采用带抗震剪力销的固定型摩擦摆支座，纵桥向1#～4#墩、7#～10#墩采用活动型摩擦摆支座。
横桥向每个墩上中支座设置抗震剪力销，其他两个边支座不设置抗震剪力销。
本桥成桥状态的边界条件如下（见表4-1）：
表4-1成桥状态结构各部位边界条件
部位
成桥状态
△x
△y
△z
θx
θy
θz
桩底
1
1
1
1
1
1
0#墩与梁交接处
0
1
1
1
0
0
1#～4#墩与梁交接处
KC（ZX）
KC（GD）
1
1
0
0
5#、6#墩与梁交接处
KC（GD）
KC（GD）
1
1
0
0
7#～10#墩与梁交接处
KC（ZX）
KC（GD）
1
1
0
0
11#墩与梁交接处
0
1
1
1
0
0
注：
△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—约束，0—放松,KC（GD）-固定型摩擦摆支座，KC（ZX）-纵向活动型摩擦摆支座。
双曲面球形摩擦摆减隔震支座采用理想双线性模型进行计算分析，其动力设计参数见下表4-2所示：
表4-2双曲面球形摩擦摆减隔震支座的动力设计参数
墩号
支座位置
恒载反力
恒、活载
反力和
支座
球心距
摩擦
系数
支座
屈服力
屈后
刚度
屈前
刚度
（KN）
（KN）
（m）
/
kN
（kN/m）
（kN/m）
1#～10#墩
边支座1
30080
44220
7
0.03
902
4297
451200
中支座
48700
71900
7
0.03
1461
6957
730500
边支座2
30080
44220
7
0.03
902
4297
451200
桩-土-结构动力相互作用采用等效嵌固简化分析模型，其计算桩长见下表所示：
表4-3桩基础建模桩长（按一般冲刷考虑）
墩号
桩自由长度（m）
桩变形系数α
嵌固长度（m）
建模桩长（m）
0
0.0
0.265
7.55
8
1
10.0
0.265
7.55
18
2
6.7
0.265
7.55
14
3
7.3
0.265
7.55
15
4
7.9
0.265
7.55
15
5
7.6
0.265
7.55
15
6
5.2
0.265
7.55
13
7
5.9
0.265
7.55
13
8
5.5
0.265
7.55
13
9
8.2
0.265
7.55
16
10
8.8
0.265
7.55
16
11
0.0
0.265
7.55
8
4.1.3结构动力特性
本桥双曲面球形摩擦摆支座未起作用时（隔震前），其成桥状态振型特点见表3-3，结构主要的振型图见图3-2。
表4-4成桥状态动力特性（隔震前）
No
振型主要特性
自振频率
f（Hz）
圆频率
ω（r/s）
自振周期
T（s）
1
全桥纵向一致振动
0.249
1.562
4.023
2
主梁横弯
0.726
4.564
1.377
3
主梁横弯
0.751
4.716
1.332
（a）Mode1振型图
（b）Mode2振型图
（c）Mode3振型图
图3-2成桥状态振型图（隔震前）
本桥双曲面球形摩擦摆支座起作用时（隔震后），其成桥状态振型特点见表3-4，结构主要的振型图见图3-3。
表4-5成桥状态动力特性（隔震后）
No
振型主要特性
自振频率
f（Hz）
圆频率
ω（r/s）
自振周期
T（s）
1
主梁横弯
0.221
1.388
4.527
2
主梁横弯
0.223
1.400
4.487
3
全桥纵向一致振动
0.243
1.526
4.116
（a）Mode1振型图
（b）Mode2振型图
（c）Mode3振型图
图3-3成桥状态振型图（隔震后）
4.2结构抗震性能分析
4.2.1多遇地震作用下结构地震响应
表4-6多遇地震作用下结构主要部位地震响应（弹性分析，未隔震）
墩号
位置
纵+竖向反应
横+竖向反应
弯矩（KNm）
剪力（KN）
轴向力（KN）
弯矩（KNm）
剪力（KN）
轴向力（KN）
0#
墩顶
21
2431
5168
73155
3158
8205
墩底
184276
3522
8662
180220
6159
9992
承台底
374712
15281
23138
549705
16685
23264
1#
墩顶
1
2722
8955
159395
7805
17031
墩底
251341
5442
13030
380322
8698
18266
承台底
560943
25565
35950
1220160
23269
35730
2#
墩顶
0
2866
6454
167922
8532
20422
墩底
263822
5928
9367
356715
9354
21509
承台底
551161
31419
27842
1122770
30314
27285
3#
墩顶
0
2758
8501
161290
7853
22045
墩底
269615
5783
9823
361067
8110
23015
承台底
566978
28759
25996
1126250
31459
25317
4#
墩顶
0
2502
9254
132954
6452
20141
墩底
235084
5136
10784
309502
7943
22187
承台底
522270
25733
27274
1021300
25508
26677
5#
墩顶
172
8038
9058
151633
7330
26200
墩底
436188
10480
11098
355589
9192
27896
承台底
1040910
39243
26868
1100750
39390
26515
6#
墩顶
122
7574
8304
136258
5924
24580
墩底
439719
11357
10260
350072
9558
26387
承台底
989747
32109
26517
1122340
31683
25948
7#
墩顶
0
2844
7967
137998
7074
20063
墩底
239728
7149
9831
304755
9301
22018
承台底
571975
31272
26437
978664
35000
24928
8#
墩顶
0
2879
7358
156090
6607
22554
墩底
257604
8310
10222
412456
10719
24244
承台底
619055
31275
24104
1252830
36351
25026
9#
墩顶
4
3196
6178
153471
6848
20505
墩底
329666
5914
9740
393487
9745
21799
承台底
670753
27348
26354
1245510
26887
27100
10#
墩顶
5
2275
8861
86360
5091
17100
墩底
254407
5375
12424
257263
7686
19374
承台底
580638
19299
34824
859560
23000
35046
11#
墩顶
0
2277
5650
99747
4416
13670
墩底
156783
4668
9583
212361
6324
14562
承台底
330222
20339
24097
682909
20814
24205
4.2.2设计地震作用下结构地震响应
表4-7设计地震作用下结构主要部位地震响应（弹性分析，未隔震）
墩号
位置
纵+竖向反应
横+竖向反应
弯矩（KNm）
剪力（KN）
轴向力（KN）
弯矩（KNm）
剪力（KN）
轴向力（KN）
0#
墩顶
45
5927
9566
173778
8501
21706
墩底
466938
10120
15428
382623
12962
24974
承台底
1010510
40206
41631
1210110
36978
41416
1#
墩顶
2
7445
16773
337383
14583
40351
墩底
742604
13084
22056
854295
24783
44432
承台底
1569840
62288
60967
2645310
68898
61376
2#
墩顶
0
7089
15210
456908
20422
53831
墩底
657511
14841
22212
1097990
27531
54358
承台底
1343250
72107
55917
3368840
80183
53723
3#
墩顶
0
8077
19506
388127
18560
58975
墩底
733391
14206
26223
989281
27116
62102
承台底
1460220
74572
64465
3100030
82030
62942
4#
墩顶
0
7227
19642
360494
17029
55481
墩底
680278
12466
26358
918860
25521
58799
承台底
1449620
57124
65192
3001320
79496
65005
5#
墩顶
346
17445
20047
449895
18473
56935
墩底
984634
24090
27057
989235
24650
60687
承台底
2329710
92704
64381
2988530
84155
66348
6#
墩顶
282
17649
20715
377498
15551
57332
墩底
1001320
24125
28513
996186
24115
60123
承台底
2287750
81819
66422
2884320
79321
64839
7#
墩顶
0
7947
19685
372534
16189
57009
墩底
560982
18385
27390
817266
20160
60049
承台底
1397190
76112
64397
2558110
74887
64
升级会员 