桥梁抗震计算书资料解读

工工程程编编号号：S SZ Z2 20 01 12 2- -3 38 8 海海口口市市海海口口湾湾灯灯塔塔酒酒店店景景观观桥桥工工程程 桥桥梁梁抗抗震震计计算算书书 设计人： 校核人： 审核人： 海海口口市市市市政政工工程程设设计计研研究究院院 HAIKOU MUNICIPAL ENGINEERING DESIGN & RESEARCH INSTITUTE 2 20 01 12 2 年年 0 09 9 月月 目目 录录 1工程概况工程概况.- 1 - 2地质状况地质状况.- 1 - 3技术标准技术标准.- 2 - 4计算资料计算资料.- 2 - 5作用效应组合作用效应组合.- 3 - 6设防水准及性能目标设防水准及性能目标.- 3 - 7地震输入地震输入.- 4 - 8动力特性分析动力特性分析.- 5 - 8.1动力分析模型.- 5 - 8.2动力特性.- 6 - 9地震反应分析及结果地震反应分析及结果.- 6 - 9.1反应谱分析.- 6 - 9.1.1E1水准结构地震反应.- 6 - 9.1.2E2水准结构地震反应.- 7 - 10地震响应验算地震响应验算.- 8 - 10.1墩身延性验算.- 10 - 10.2桩基延性验算.- 10 - 10.3支座位移验算.- 11 - 11结论结论.- 11 - 12抗震构造措施抗震构造措施.- 11 - 12.1墩柱构造措施.- 12 - 12.2结点构造措施.- 12 - - 1 - 1 工程概况 海口湾景观桥全桥 24m 桥宽。桥梁全长 666.08 米，等高梁跨径布置有 4x35m， 3x35m 两种形式。桥墩为标准双柱式桥墩，墩柱高度在 5.297m12.079m 之间。单柱墩底尺寸为 2.2x2.0m。桩基为 81200 钻孔灌注桩。 本报告截取最不利一联 P12P16 进行计算。 桥梁部分桥跨布置图如下： 图 1-1 桥梁部分桥跨布置图 2 地质状况 根据野外鉴别、原位测试结合室内土工试验成果，本次钻探揭露 120m 深度范 围内的地层综合划分为5 个岩性单元层， 岩土层自上至下分别为 ： 素填土（Q4 ml）：灰黄色，稍湿，稍密状，主要由石英质中粗砂人工回填 而成，含较多碎石块，已完成自身固结，人工填岛堤岸及施工便道均为抛石。该 层仅在ZK0 钻孔有揭露，揭露厚度3.30m，层顶高程5.45m。 淤泥（Q4 m）：深灰色，饱和，流塑 -软塑状，主要由粘性土组成，切面光 滑，干强度中等，韧性高，具有腐臭味，土质污手，该层层表呈现为淤泥混砂和 流泥状，下套管时可依靠自重下落，层底呈软塑状粘土。该层全场均有分布，厚度 8.0011.40m，平均厚度9.60m，层顶埋深0.003.30m，层顶高程2.15-5.45m。 粘土（Q2m）：棕红色、灰黄、灰色，湿，可塑 可塑偏软，主要由粘性土 组成，局部含较多中粗砂，韧性中等，干强度高，切面光滑，稍有光泽反应，无 摇震反应。该层在钻孔ZK0ZK6、ZK7-左、ZK7-右、ZK8-左、ZK7ZK9-补、 ZK11-补、ZK13-补和ZK15-补有揭露，厚度1.204.90m，平均厚度2.59m，层顶 - 2 - 埋深8.0014.80m，层顶高程-8.50-17.41m。 粗砂（Q2m）：灰黄、灰色，湿，中密状，主要由石英质粗砂组成，含少 量粘性土，分选性较差，颗粒级配一般，胶结性一般。该层在钻孔 ZK9ZK14、ZK8-右、ZK7ZK9-补、ZK11-补、ZK13 ZK15-补有揭露，厚度 0.506.10m，平均厚度2.12m，层顶埋深10.6014.80m，层顶高程-10.98- 19.41m。 粉质粘土（N2m）：深灰色、青灰色，可塑-硬塑-坚硬状，以硬塑和坚硬 状为主，主要由粘性土组成，含少量中粗砂，岩芯呈土柱状-坚硬薄饼状，局部 夹半岩状硬夹层，切面稍有光滑，具有光泽反应，无摇振反应，干强度较高， 韧性中等。该层全场均有揭露，未钻穿，层顶埋深 9.9019.20m，层顶高程- 10.40-20.61m。 3 技术标准 1）荷载等级：城市A 级； 2）人群荷载：； 2 m/k5 . 3N 3）抗震设防烈度：8 度，设计基本地震加速度峰值：0.3g； 4）抗震设防类别：丁类，设计方法：B 类，抗震设防措施等级：8 级； 5）场地类型：类； 6）环境类别：类； 7）桥梁设计基准期：100 年； 4 计算资料 1）计算软件：Midas Civil2011 2）支座类型：铅芯隔震橡胶支座。 3）支座参数： 中墩支座高度为 320mm，平面尺寸 1320mm1320mm，水平刚度 mm/ 5 . 12 kN 边墩支座高度为 268mm，平面尺寸 770mm770mm，水平刚度 - 3 - ；mm/1 . 4 kN 4）立柱：立柱底平面尺寸：20002200mm，立柱顶平面尺寸： 20002400mm（中墩） ，20002600mm（边墩） ，墩柱高度在 5.297m12.079m 之间；墩柱底部截面配两层 32 钢筋，共 80 根。延 伸至墩身以上 4 米处内层钢筋截断，4 米以上墩身变为一层钢筋，共 40 根。墩身底以上 4 米范围内箍筋采用 16100 钢筋，4 米以上采用 16150 钢筋。 5）承台：承台尺寸为横桥向长 14.4m，纵桥向宽 5.4m，高 2.5m。横桥向 底层主筋为单层 32130 钢筋，顶层为主筋为 16130 钢筋；横桥 向底层主筋为单层 32130 钢筋，顶层为主筋为 16130 钢筋；箍 筋为 16130 钢筋，全部采用 HRB335 钢筋。主筋保护层厚度为 60mm，箍筋保护层厚度 30mm。 6）桩基：桥墩位处一共 8 根钻孔灌注桩，桩长为 L=51.0m,桩径 1.2m。桩 身配筋为：主筋 28 共 22 根，其中 11 根为通长筋，11 根在距桩底 20m 处截断；箍筋为 10 螺旋钢筋，在距承台底 2m 范围内为加密段， 间距为100mm，其余部分间距为200mm。主筋保护层厚度为 8mm， 箍筋保护层厚度 30mm。 5 作用效应组合 地震作用为偶然作用，根据公路桥涵通用设计规范、城市桥梁抗震 设计规范、公路桥梁抗震设计细则（下简称抗震细则）的规定，确定以 下 4 种偶然效应组合。 E1 纵向组合：恒载+E1 纵向地震效应； E1 横向组合：恒载+E1 横向地震效应； E2 纵向组合：恒载+E2 纵向地震效应； E2 横向组合：恒载+E2 横向地震效应； - 4 - 6 设防水准及性能目标 1）根据城市桥梁抗震设计规范，该桥的抗震设防标准为丁类，因为该 桥为大桥，本次设计同样考虑 E2 地震作用效应。 2）根据抗震细则，该桥的抗震性能分析，采用二水准设防、两阶段设计和 基于结构性能的抗震设计思想。根据震后结构修复的难易程度以及相应的经济 损失所决定的风险程度。 结合城市桥梁抗震设计规范于抗震细则，本次抗震重要性系数 Ci 取值 如 Error! Reference source not found.所示。桥梁主要构件的性能目标如 Error! Reference source not found.所示。 表 6-1 抗震重要性系数 Ci E1 地震作用E2 地震作用 市政桥梁0.351.7 表 6-2 桥梁结构抗震性能目标 设防地震 水准 结构性能要求结构校核目标 桩基础在弹性范围内工作地震反应小于首次屈服弯矩 桥墩在弹性范围内工作地震反应小于首次屈服弯矩 E1 地震 作用 支座不发生剪坏验算支座剪力、位移 桩基础基本在弹性范围内工作地震反应小于等效屈服弯矩 墩柱保证不倒塌或严重结构损伤可按延性构件设计 E2 地震 作用 支座可以剪坏，但保证不落梁验算限位挡块强度 7 地震输入 根据抗震细则规定，阻尼比 0.05 的水平设计加速度反应谱取为： )/( )45 . 0 5 . 5( max max max TTS S TS S g 其中，为水平设计加速度反应谱最大值，为特 max SACCCS dsi 25. 2 max g T - 5 - 征周期。 为抗震重要性系数，为场地系数，为阻尼调整系数，水平向设 i C s C d CA 计基本地震动加速度峰值。 根据设计原则和地质报告，桥梁场地为类场地，设防烈度区为 8 度区， 按 8 度设防。取为 0.55s，场地系数取为 1.0；桥梁阻尼比为 0.05，阻尼调 g T s C 整系数为 1，水平向设计基本地震动加速度峰值为 0.3g。E1 和 E2 水准下， d CA 主桥水平向设计加速度反应谱如 4-1、4-2 所示。 图 7-1 E1 水准下水平向设计加速度反应谱 图 7-2 E2 水准下水平向设计加速度反应谱 - 6 - 8 动力特性分析 8.1动力分析模型 桥梁动力特性分析采用离散结构的有限单元方法，有限元计算模型均以顺 桥向为 X 轴，横桥向为 Y 轴，竖向为 Z 轴。主梁，桥墩和桩基均离散为空间的 梁单元，承台模拟为质点，用等效土弹簧模拟桩土相互作用。 与分析对象相接的两联作为边界条件参与建模。结构动力特性和地震反应 分析的三维有限元模型，如 Error! Reference source not found.所示。 图 8-1 动力计算模型 8.2动力特性 根据 Error! Reference source not found.的动力计算模型，对桥梁进行动力 特性分析。 表 8-1 桥梁结构周期以及振型描述 振型顺序周期(s)振型描述 11.95墩梁纵向振动 20.99 墩梁横向振动 30.91 主梁竖弯 40.88 主梁竖弯 50.73 主梁竖弯 #01 墩 #02 墩 #03 墩 #04 墩 #05 墩 - 7 - 9 地震反应分析及结果 9.1反应谱分析 采用 E1 和 E2 两种概率水平、阻尼比为 5%的设计反应谱对该桥进行抗震 性能分析。E1 水准下采用毛截面刚度；E2 水准下延性构件采用折减刚度，其 他构件采用毛截面刚度。振型组合方式为 CQC。 9.1.1 E1 水准结构地震反应水准结构地震反应 墩柱及桩基控制截面的地震反应计算结果汇于 Error! Reference source not found.1Error! Reference source not found.6 内。 表 9-1 单柱控制截面内力最大值（E1 纵向地震输入） 跨径 （m） 构件截面位置 地震轴力 （kN） 地震纵向 剪力 （kN） 地震纵向弯 矩 （kN.m） #01单柱墩底62 3173072 #02单柱墩底120 428 4770 #03单柱墩底126 427 4770 #04单柱墩底131 432 4772 4x35 #05单柱墩底65 317 3063 表 9-2 单柱控制截面内力最大值（E1 横向地震输入） 跨径 （m） 构件截面位置 地震轴力 （kN） 地震横向 剪力 （kN） 地震横向弯 矩（kN.m） #01 单柱墩底 287480 3284 #02 单柱墩底 376571 4413 #03 单柱墩底 3775704407 #04 单柱墩底 3725714412 4x35 #05 单柱墩底 280 481 3290 表 9-3 单桩控制截面内力最大值（E1 横向地震输入） - 8 - 跨径 （m） 构件 截面 位置 地震轴力 （kN） 地震剪力 （kN） 地震弯矩 （kN.m） #01桩顶531 174380 #02桩顶624179381 #03桩顶635179 359 #04桩顶632182 386 4x35 #05桩顶533174 376 9.1.2 E2 水准结构地震反应水准结构地震反应 支座地震反应如下表： 墩柱及桩基控制截面的地震反应计算结果汇于 Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.内。 表 9-4 单柱控制截面内力最大值（E2 纵向地震输入） 跨径 （m） 构件截面位置 地震轴力 （kN） 地震纵向 剪力 （kN） 地震纵向弯矩 （kN.m） #01单柱墩底789599288 #02单柱墩底2361296 14421 #03单柱墩底176129514422 #04单柱墩底228 1313 14421 4x35 #05单柱墩底82 965 9224 表 9-5 单柱控制截面内力最大值（E2 横向地震输入） 跨径 （m） 构件截面位置 地震轴力 （kN） 地震横向 剪力 （kN） 地震横向 弯矩 （kN.m） #01单柱墩底8681452 12368 #02单柱墩底1137 1727 10592 #03单柱墩底1139 1725 10615 #04单柱墩底1138 1727 10542 4x35 #05单柱墩底847 1453 12423 表 9-6 单桩控制截面内力最大值（E2 横向地震输入） - 9 - 跨径 （m） 构件 截面位 置 地震轴力 （kN） 地震剪力 （kN） 地震弯矩 （kN.m） #01016055281148 #02018895421150 #03018885411149 #04018905421148 4x35 #05016035271148 10 地震响应验算 桥梁抗震的目标是减轻桥梁工程的地震破坏，保障人民生命财产的安全， 减少经济损失。因此，既要使震前用于抗震设防的经济投入不超过我国当前的 经济能力，又要使地震中经过抗震设计的桥梁的破坏程度限制在人们可以承受 的范围内。换言之，需要在经济与安全之间进行合理平衡，这是桥梁抗震设防 的合理安全度原则。 综合考虑工程造价、结构遭遇的地震作用水平、紧急情况下维持交通能力 的必要性以及结构的耐久性和修复费用等因素，来确定对应地震水平下结构的 抗震性能目标。桥梁结构抗震性能目标及检算准则见 Error! Reference source not found.。 桥墩的初始屈服弯矩为截面最外层钢筋首次屈服（考虑相应轴力）时对应 的弯矩，当地震反应小于初始屈服弯矩时，整个截面保持在弹性。而等效屈服 弯矩为根据截面 M 分析（考虑相应轴力），把截面 M曲线等效为双线 性所得到得等效屈服弯矩，此时，截面发生有限损伤，部分钢筋进入屈服，裂 缝宽度可能超过容许值，但混凝土保护层还是完好，结构整体反应还在弹性范 围。极限弯矩为截面所能承受的最大弯矩。如图 10-1、10-2 所示。 - 10 - 图 10-1 桥墩截面能力计算示意图 图 10-2 桩基截面能力计算示意图 将永久作用和地震作用进行最不利组合，根据现行规范计算截面强度或采 用纤维单元进行 M分析，计算桥梁各个控制截面的抗弯能力，从而进行抗 震性能验算。 10.1墩身延性验算 由以上计算可知地震作用在顺桥向效应最大，因此以顺桥向为控制计算 表 10-1 墩底截面顺桥向抗弯承载能力 位置 恒载轴力 （kN） 开裂弯矩 （kNm） 屈服弯矩 （kNm） 极限弯矩 （kNm） 墩底11550 782535148 47987 表 10-2 地震作用下顺桥向抗弯承载力验算 E1 地震抗弯验算E2 地震抗弯验算 恒载 轴力 计算弯矩开裂弯矩是否计算弯矩屈服弯矩极限弯矩是否 - 11 - （kN）（kNm）（kNm）满足（kNm）（kNm）（kNm）满足 11550 47707825是144223514847987是 E1 地震下墩底截面计算弯矩小于开裂弯矩，墩底处于弹性状态；E2 地震 下墩底截面计算弯矩大于开裂弯矩，小于屈服弯矩，保护层混凝土已开裂。因 此，桥墩墩身满足地震下受力要求，满足两阶段设防水准要求。 10.2桩基延性验算 表 10-3 桩基截面抗弯承载能力 位置 恒载轴力 （kN） 开裂弯矩 （kNm） 屈服弯矩 （kNm） 极限弯矩 （kNm） 墩底2887159425343367 表 10-4 地震作用下桩基截面抗弯承载力验算 E1 地震抗弯验算E2 地震抗弯验算恒载 轴力 （kN） 计算弯矩 （kNm） 开裂弯矩 （kNm） 是否 满足 计算弯矩 （kNm） 屈服弯矩 （kNm） 极限弯矩 （kNm） 是否 满足 2887 3861594 是115025343367是 E1 地震下桩基截面计算弯矩小于开裂弯矩，桩基截面处于弹性状态；E2 地震下桩基截面计算弯矩大于开裂弯矩，小于屈服弯矩，保护层混凝土已开裂。 因此，桥墩桩基满足地震下受力要求，满足两阶段设防水准要求。 10.3支座位移验算 表 10-5 E1 地震下支座位移验算 顺桥向位移验算横桥向位移验算 支座类型支座型号 容许位移 （mm） 最大位移 （mm） 是否满足 最大位移 (mm) 是否满足 铅芯橡胶 隔震支座 J4Q10048是13是 表 10-6 E2 地震下支座位移验算 顺桥向位移验算横桥向位移验算 支座类型支座型号 容许位移 （mm） 最大位移是否满足最大位移是否满足 - 12 - （mm）(mm) 铅芯橡胶 隔震支座 J4Q100112 否（支座 被剪断） 43是 E2 地震下支座的计算位移小于支座的容许地震位移，且有较大富裕，支 座满足地震下位移和受力要求。 11 结论 在立柱满足抗震细则关于延性构造措施要求，并且支座水平承载力设计值 满足要求的情况下，经过抗震计算，本桥抗震分析结果如下： 1)E1 地震作用下，支座水平位移小于其水平容许值，下部结构立柱及桩 基处于弹性状态，满足结构处于弹性状态的抗震性能目标要求。 2)E2 地震作用下，桥墩出现塑性铰，各个能力保护构件强度满足要求， 满足结构不倒塌的抗震性能目标要求。 3)E2 地震作用下，所有墩支座均被剪坏，限位块间隙 10cm，不会发生落 梁灾害。墩柱及桩基保持在弹性范围，满足抗震性能目标要求。 12 抗震构造措施 根据抗震细则第