高速公路结构抗震性能计算分析报告（word21页）

1、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 日目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc454286363 1工程概述 PAGEREF _Toc454286363 h 1 HYPERLINK l _Toc454286364 2采用的规范及参考依据 PAGEREF _Toc454286364 h 1 HYPERLINK

2、 l _Toc454286365 3 抗震设防标准及抗震性能目标的确定 PAGEREF _Toc454286365 h 2 HYPERLINK l _Toc454286366 4 结构动力特性分析 PAGEREF _Toc454286366 h 3 HYPERLINK l _Toc454286367 4.1计算图式 PAGEREF _Toc454286367 h 3 HYPERLINK l _Toc454286368 4.2边界条件 PAGEREF _Toc454286368 h 3 HYPERLINK l _Toc454286369 4.3结构动力特性分析 PAGEREF _Toc45428

3、6369 h 4 HYPERLINK l _Toc454286370 5 结构抗震性能计算分析 PAGEREF _Toc454286370 h 6 HYPERLINK l _Toc454286371 5.1反应谱设计 PAGEREF _Toc454286371 h 6 HYPERLINK l _Toc454286372 5.2反应谱计算 PAGEREF _Toc454286372 h 7 HYPERLINK l _Toc454286373 5.3地震动加速度时程 PAGEREF _Toc454286373 h 8 HYPERLINK l _Toc454286374 5.4线性时程分析 PAGE

4、REF _Toc454286374 h 11 HYPERLINK l _Toc454286375 5.5结构抗震验算 PAGEREF _Toc454286375 h 12 HYPERLINK l _Toc454286376 6结构优化方案抗震计算 PAGEREF _Toc454286376 h 15 HYPERLINK l _Toc454286377 6.1线性时程分析 PAGEREF _Toc454286377 h 16 HYPERLINK l _Toc454286378 6.2结构抗震验算 PAGEREF _Toc454286378 h 17 HYPERLINK l _Toc4542863

5、79 7结论与建议 PAGEREF _Toc454286379 h 181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3

6、0cm，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23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，地震基本烈度为度，参考公路桥梁抗震设计

7、细则（JTG/T B02-01-2008），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/T B02-01-2008）中华人民共和国行业标准公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D63-2007）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 2010.7K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

8、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)203260363451Samax0.4870.6240.8711.082T1(Sec)0.100.100.100.10Tg(Sec)0.400.400.400.45max2.42.42.42.4r1.01.01.01.0根据公路桥梁抗震设计细则

9、（JTG/T B02-01-2008），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

10、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xyzxyz主墩与主梁交接处111111主梁在边墩交接处011100桩基KK1000注：表4.1中，x、y、z分别

11、表示沿纵桥向、横桥向、竖桥向的线位移，x、y、z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MPaCO kN/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21125000002.962.843700000035500000中风化26.58150000002.962.8444400000426000004.3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

12、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0.29763.36052主梁横弯0.31613.16383主梁横弯0.76601.30554主梁竖弯1.07190.93295主梁横弯1.75620.56946主梁竖弯1.80030.5555 Mode 1（b） Mode 2（c） Mode 3（d） Mode 4（e） Mode 5（f） Mode 6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

13、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)203260363451Samax0.4870.6240.8711.082T1(Se

14、c)0.100.100.100.10Tg(Sec)0.400.400.400.45max2.42.42.42.4r1.01.01.01.0E1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

15、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MQNMQN(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 640 473

16、1 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MQNMQN(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

17、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

18、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1b）E1水准时程曲线2c）E1水准时程曲线3图5.1 E1水准（50Y10%）场地地震动时程曲线图a）E2水准时程曲线1b）E2水准时程曲线2c）E2水准时程曲线3图5.2 E2水准（50Y2%）

19、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MQNMQN(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 14362

20、9 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MQNMQN(KNm)(KN)(KN)(KNm)(KN)(KN)4号主墩墩顶54385 7760 22095 451492 1

21、4601 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5.6 E2

22、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3192895号主墩墩顶315274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) QUOTE (KNm)(KNm) QUOTE 4号主墩墩111028371215771.18墩底1073541127711.051091321193571.09承台底1173661199301.021242211436291.16桩顶490851071.04872599491.145号主墩墩06109223121190

23、1.11墩底1158161224871.061195361182930.99承台底1263931358331.071363281352440.99桩顶531156571.07957194570.99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

24、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

25、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

26、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（2.5m）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2-28mm15cm内壁28mm15cm1.702.5m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

27、工况墩号位置最小轴力P(kN)弯矩M(kNm)初始屈服弯矩M(kNm)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 281

28、80 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(kNm)等效屈服弯矩M(kNm)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 3959

29、41 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

30、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23共6根2.5m桩基改为33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

31、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MQNMQN(KNm)(KN)(KN)(KNm)(KN)(KN)4号主墩墩顶14910 2127 6459 129492 4284 6546 墩底127341 2982 9898 153590 4663 10414 承台底140914 4183 11251 175211 5706 11751 桩顶3950 667 4480 4444 665 4426 5号主墩墩顶14747 2193 6555 125829 3867 6588 墩底131381 3366 9801 149701

32、4213 9632 承台底145670 4506 11168 169929 5690 10988 桩顶4121 688 4123 4322 672 4619 表6.2 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MQNMQN(KNm)(KN)(KN)(KNm)(KN)(KN)4号主墩墩顶52745 7930 21854 456399 13192 20908 墩底484627 10366 31408 473937 15061 33066 承台底535459 16559 36041 535998 19886 37755 桩顶14934 2082 14920 13642

33、 2308 15529 5号主墩墩顶49044 7750 21765 429759 12177 22078 墩底477460 11321 30630 540499 15065 30720 承台底527758 16093 35122 615773 18429 34450 桩顶15060 2204 14950 15582 2215 15570 表6.3 E2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2772585号主墩墩顶2732436.2结构抗震验算主墩和桩基的配筋与5.5节相同。主墩和桩基的抗震验算见表6.4以及表6.5所示。表6.4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(kNm)初始屈服弯矩M(kNm)安全系数恒载(纵向+竖向地震作用)4号墩墩顶54658 129492 409700 3.16 墩底92002 153590 495100 3.22 桩基12617 4444 25190 5.67 5号墩墩顶54680 125829 409700 3.26 墩底89143 149701 488700 3.26 桩基11596 4322 24560 5.68 恒载(横向+竖向地震作用)4号墩墩顶54745 1491