高速公路結構抗震性能計算分析報告（word21頁）

1、九寨溝（川甘界）至綿陽高速公路（雙河至平武段）結構抗震性能計算分析報告二 零 一 六 年 六 月 九寨溝（川甘界）至綿陽高速公路雙河至平武段結構抗震性能計算分析報告工程名稱：九寨溝（川甘界）至綿陽高速公路設計階段： 設計編號：編 制： 年 月 日審 核： 年 月 日審 定： 年 月 日 年 月 日目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc454286363 1工程概述 PAGEREF _Toc454286363 h 1 HYPERLINK l _Toc454286364 2采用的規(guī)范及參考依據(jù) PAGEREF _Toc454286364 h 1 HYPERLINK

2、 l _Toc454286365 3 抗震設防標準及抗震性能目標的確定 PAGEREF _Toc454286365 h 2 HYPERLINK l _Toc454286366 4 結構動力特性分析 PAGEREF _Toc454286366 h 3 HYPERLINK l _Toc454286367 4.1計算圖式 PAGEREF _Toc454286367 h 3 HYPERLINK l _Toc454286368 4.2邊界條件 PAGEREF _Toc454286368 h 3 HYPERLINK l _Toc454286369 4.3結構動力特性分析 PAGEREF _Toc45428

3、6369 h 4 HYPERLINK l _Toc454286370 5 結構抗震性能計算分析 PAGEREF _Toc454286370 h 6 HYPERLINK l _Toc454286371 5.1反應譜設計 PAGEREF _Toc454286371 h 6 HYPERLINK l _Toc454286372 5.2反應譜計算 PAGEREF _Toc454286372 h 7 HYPERLINK l _Toc454286373 5.3地震動加速度時程 PAGEREF _Toc454286373 h 8 HYPERLINK l _Toc454286374 5.4線性時程分析 PAGE

4、REF _Toc454286374 h 11 HYPERLINK l _Toc454286375 5.5結構抗震驗算 PAGEREF _Toc454286375 h 12 HYPERLINK l _Toc454286376 6結構優(yōu)化方案抗震計算 PAGEREF _Toc454286376 h 15 HYPERLINK l _Toc454286377 6.1線性時程分析 PAGEREF _Toc454286377 h 16 HYPERLINK l _Toc454286378 6.2結構抗震驗算 PAGEREF _Toc454286378 h 17 HYPERLINK l _Toc4542863

5、79 7結論與建議 PAGEREF _Toc454286379 h 181工程概述K線厄里村奪補河大橋位于綿陽市平武縣白馬寨，橫跨奪補河及S205線，分左右兩線，橋梁型式為三跨預應力混凝土變截面連續(xù)剛構橋，孔跨布置為（70+130+70）m，主橋長270m，主墩為矩形空心獨柱墩，兩主墩高度分別為89m和81m，主梁采用預應力砼箱梁，橋寬12.5m，采用單箱單室截面。箱梁在端支座處及中墩處均設置了橫隔板，并在橫隔板中部設置進人孔，其它部位均未設置橫隔板。箱梁為變高直腹板，中墩支點梁高8.2m，端支點梁高3m，單幅頂板寬12.5m，底板寬6.5m，懸臂板端部厚18cm，根部厚65cm，箱內頂板厚3

6、0cm，直線段底板厚30cm，逐漸增厚至中墩處厚為100cm，跨中腹板厚50cm，中墩支點處腹板加厚至80cm，邊支點處腹板加厚至85cm。主墩采用空心矩形截面，縱橋向尺寸為6m，橫橋向尺寸為8m，壁厚為0.7m；承臺為矩形承臺，縱橋向尺寸為9.4m，橫橋向尺寸為14m，承臺厚5m，承臺底布置23根2.5m鉆孔柱樁，樁長為35m。主梁采用C50，橋墩用C40，樁基用C30，受力主筋采用HRB400。施工方法采用掛籃懸臂澆注施工。根據(jù)中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖（GB18306-2015），橋址處地震動峰值加速度為0.20g。地震動反應譜特征周期為0.40s，地震基本烈度為度，參考公路橋梁抗震設計

7、細則（JTG/T B02-01-2008），本橋屬于B類橋梁，本橋必須進行E1和E2地震作用下的抗震設計，因此，本報告主要針對主橋進行抗震性能計算分析。2采用的規(guī)范及參考依據(jù)中華人民共和國行業(yè)推薦性標準公路橋梁抗震設計細則（JTG/T B02-01-2008）中華人民共和國行業(yè)標準公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范（JTG D63-2007）綿陽至九寨溝高速公路工程場地地震安全性評價報告四川賽思特科技有限責任公司 2010.7K線厄里村奪補河大橋工程地質初勘報告3 抗震設防標準及抗震性能目標的確定根據(jù)參考依據(jù)3的地震安評報告，安評報告對綿陽至九寨溝高速公路A線的重要工程太華山隧道、毛家山隧道、王家山隧

8、道、木座1號隧道和黃土梁隧道場地進行地震安全性評價工作。本橋橋址位于綿陽市平武縣白馬寨，其工程場地處于王家山隧道和木座1號隧道之間，考慮地震活動性最不利情況，本橋工程場地取地震安評報告中木座1號隧道出口基巖場地地震動參數(shù)，見表3.1。表3.1主橋工程場地設計地震動參數(shù)（5%阻尼比） 超越概率地震動參數(shù)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根據(jù)公路橋梁抗震設計細則

9、（JTG/T B02-01-2008），本橋屬于B類橋梁，高速公路橋梁，主橋抗震設防標準及性能目標見表3.2。表3.2主橋抗震設防標準及性能目標抗震設防水準構件類別結構性能要求受力狀態(tài)驗算準則E1地震作用（50年10%）Ci=0.5主墩無損傷保持彈性狀態(tài)樁基礎無損傷保持彈性狀態(tài)E2地震作用（50年2%）主墩中等損傷可接近屈服樁基礎中等損傷可接近屈服注：表3.2中，為按恒載和地震作用最不利組合下的彎矩；為截面相應最不利軸力時的最外層鋼筋首次屈服時對應的彎矩；為按截面相應于最不利軸力時的等效屈服彎矩。因此，主橋的抗震設防標準取用如下：（1）E1地震作用下（50年超越概率10%）的水平地震動峰值加速

10、度=0.207g，同時考慮橋梁抗震重要性系數(shù)Ci=0.5。（2）E2地震作用下（50年超越概率2%）的水平地震動峰值加速度=0.370g。4 結構動力特性分析4.1計算圖式主橋采用有限元程序MIDAS/CIVIL軟件，建立空間有限元模型進行計算分析。主梁、主墩和樁基均采用空間梁單元模擬。樁基礎采用“m”法土彈簧模擬。成橋狀態(tài)計算圖式見圖4.1所示。圖4.1 主橋成橋狀態(tài)計算圖式4.2邊界條件本橋成橋狀態(tài)結構各部位邊界條件如下（表4.1）。表4.1 結構各部位邊界條件結構部位成橋狀態(tài)xyzxyz主墩與主梁交接處111111主梁在邊墩交接處011100樁基KK1000注：表4.1中，x、y、z分別

11、表示沿縱橋向、橫橋向、豎橋向的線位移，x、y、z分別表示繞縱橋向、橫橋向、豎橋向的轉角位移。1-表示約束，0-表示放松，K-表示彈性約束。根據(jù)工程地質初勘報告與公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范，樁基單元長度為1m的土彈簧剛度K計算結果見表4.2。表4.2土彈簧剛度K計算結果巖層抗壓強度MPaCO kN/m3縱橋向計算寬度橫橋向計算寬度縱橋向剛度kN/m橫橋向剛度kN/m強風化21125000002.962.843700000035500000中風化26.58150000002.962.8444400000426000004.3結構動力特性分析成橋狀態(tài)振型特點見表4.3，結構主要的振型圖見圖4.2。表

12、4.3成橋狀態(tài)結構動力特性模態(tài)振型主要特性自振頻率f（Hz）自振周期T（s）1縱向一致振動0.29763.36052主梁橫彎0.31613.16383主梁橫彎0.76601.30554主梁豎彎1.07190.93295主梁橫彎1.75620.56946主梁豎彎1.80030.5555 Mode 1（b） Mode 2（c） Mode 3（d） Mode 4（e） Mode 5（f） Mode 6圖4.2成橋狀態(tài)結構振型圖5 結構抗震性能計算分析橋梁結構的抗震計算設計的分析方法分為反應譜法和動態(tài)時程法。其中反應譜法分單振型反應譜法、多振型反應譜法和等效線性化方法；動態(tài)時程法分線性時程法分析和非線

13、性時程法分析。本橋結構地震反應分析采用多振型反應譜法和時程法兩種方法進行，本次計算選取場地地震動參數(shù)對主橋進行結構地震響應計算分析，且計算按照一致激勵作用考慮。5.1反應譜設計根據(jù)場地工程地震條件，確定了綿陽至九寨溝高速公路主要工程場地50年超越概率為10%、5%、2%和1%的基巖設計地震加速度反應譜。其參數(shù)形式為： 本橋工程場地取地震安評報告中木座1號隧道出口基巖場地地震動參數(shù)，見表5.1。表5.1主橋工程場地設計地震動參數(shù)（5%阻尼比） 超越概率地震動參數(shù)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：水平向基本設計地震動峰值加速度Amax=0.207g，同時考慮橋梁抗震重要性系數(shù)Ci=0.5，豎向設計地震動峰值加速度取為水平向設計地震動峰值加速度的2/3；E2地震作用：水平向基本設計地震動峰值加速度Amax=0.370g，豎向設計地震動峰值加速度取為水平向設計地震動峰值加速度的2/3。5.2反應譜計算在地震響應分析中，均取前150階振型進行計算，所有振型的參與質量都達到95%以上，振型組合方法采用CQC法。輸入采用如下兩種組合：（1）水平縱

15、向+豎向；（2）水平橫向+豎向。其中，豎向輸入值取為水平向輸入值的2/3。方向組合采用SRSS方法。本橋結構主要部位在E1和E2地震作用下的反應譜計算結果見表5.2表5.3。表5.2結構各主要部位地震響應（E1地震作用）墩號部位橫向+豎向反應縱向+豎向反應MQNMQN(KNm)(KN)(KN)(KNm)(KN)(KN)4號主墩墩頂13616 1554 5674 102837 2797 5844 墩底107354 2564 8176 109132 3368 8361 承臺底117366 3099 8677 124221 3770 8866 樁頂4908 548 4823 8725 640 473

16、1 5號主墩墩頂13366 1687 5594 109223 3125 5629 墩底115816 2648 7750 119536 3665 7789 承臺底126393 3166 8256 136328 4063 8297 樁頂5311 539 5065 9571 688 5077 表5.3 結構各主要部位地震響應（E2地震作用）墩號部位橫向+豎向反應縱向+豎向反應MQNMQN(KNm)(KN)(KN)(KNm)(KN)(KN)4號主墩墩頂48676 5556 20283 367631 10000 20892 墩底383778 9167 29228 390134 12042 29888 承

17、臺底419569 11079 31020 444076 13477 31696 樁頂17546 1958 17242 31190 2287 16915 5號主墩墩頂47781 6030 19999 390457 11172 20124 墩底414028 9466 27704 427326 13100 27845 承臺底451841 11318 29515 487356 14526 29660 樁頂18985 1925 18108 34215 2461 18151 5.3地震動加速度時程本橋抗震計算中E1地震作用采用50年10%概率水準下人工地震波，同時考慮橋梁抗震重要性系數(shù)Ci=0.5，E2地

18、震作用采用50年2%概率水準下人工地震波，在地震安評報告中，以設計地震動峰值加速度和設計反應譜參數(shù)為目標譜，合成了超越概率水平為50年10%和50年2%的地震動人工波各三條，豎向輸入值取為水平向輸入值的2/3。E1、E2水準下的三條地震波時程曲線見圖5.1、圖5.2。地震動輸入采用如下兩種組合：（1）水平縱向+豎直向；（2）水平橫向+豎直向。地震響應計算結果取三條地震波的最大值。a）E1水準時程曲線1b）E1水準時程曲線2c）E1水準時程曲線3圖5.1 E1水準（50Y10%）場地地震動時程曲線圖a）E2水準時程曲線1b）E2水準時程曲線2c）E2水準時程曲線3圖5.2 E2水準（50Y2%）

19、場地地震動時程曲線圖5.4線性時程分析對主橋進行線性時程分析，與反應譜計算結果進行對比，相互驗證校核，線性時程分析計算模型與反應譜分析模型相同，E1、E2地震作用下的線性時程計算結果，見表5.4表5.6。時程法分析和反應譜法分析結果對比見表5.7。表5.4結構各主要部位地震響應（E1地震作用）墩號部位橫向+豎向反應縱向+豎向反應MQNMQN(KNm)(KN)(KN)(KNm)(KN)(KN)4號主墩墩頂15155 2066 6780 121577 3912 7323 墩底112771 2726 10667 119357 4525 11278 承臺底119930 3466 11554 14362

20、9 5038 12163 樁基最不利5107 717 5433 9949 860 5810 5號主墩墩頂14176 2091 6872 121190 3252 6809 墩底122487 3049 10256 118293 3571 10113 承臺底135833 3813 11147 135244 4720 10964 樁基最不利5657 841 5685 9457 832 5539 表5.5 結構各主要部位地震響應（E2地震作用）墩號部位橫向+豎向反應縱向+豎向反應MQNMQN(KNm)(KN)(KN)(KNm)(KN)(KN)4號主墩墩頂54385 7760 22095 451492 1

21、4601 23213 墩底489722 10694 34531 464303 16338 36436 承臺底541400 13343 37754 546479 18151 39659 樁基最不利22267 2537 22671 38059 3070 20520 5號主墩墩頂45930 7412 22284 395941 12446 22205 墩底461385 11149 32554 436784 12879 32150 承臺底503209 13736 35731 497988 15483 35177 樁基最不利21248 2627 21218 34940 2705 18995 表5.6 E2

22、地震作用下控制點的位移（線性時程）結構位置縱橋向（mm）橫橋向（mm）4號主墩墩頂3192895號主墩墩頂315274表5.7 時程法和反應譜法分析結果對比表（E1地震作用）墩號部位橫向彎矩比較縱向彎矩比較(KNm)(KNm) QUOTE (KNm)(KNm) QUOTE 4號主墩墩111028371215771.18墩底1073541127711.051091321193571.09承臺底1173661199301.021242211436291.16樁頂490851071.04872599491.145號主墩墩06109223121190

23、1.11墩底1158161224871.061195361182930.99承臺底1263931358331.071363281352440.99樁頂531156571.07957194570.99由線性時程法和線性反應譜法分析結果對比可知，線性時程分析結果和線性反應譜分析結果吻合得較好。線性時程分析結果基本都比線性反應譜分析結果大，控制截面內力計算結果差別基本在20%之內，滿足公路橋梁抗震設計細則第6.5.3條的規(guī)定，即在E1地震作用下，線性時程法的計算結果不應小于反應譜法計算結果的80%。說明時程法計算時選取的三條人工地震波是基本合理的。5.5結構抗震驗算由線性時程法和線性反應譜法對比結果

24、可知，線性時程分析中控制截面內力比線性反應譜分析結果大。因此，本橋抗震驗算時采用線性時程分析法計算結果進行驗算，分析判斷各控制截面在地震作用下是否進入彈塑性。本橋主橋結構的抗震驗算根據(jù)公路橋梁抗震設計細則的抗震驗算方法，根據(jù)截面的配筋，采用纖維單元，考慮在恒載和地震作用下的最不利軸力組合對主墩和群樁基礎最不利單樁的控制截面進行了P-M-分析，得出各控制截面的抗彎能力，從而進行抗震性能驗算。主墩和樁基礎截面的抗彎能力（強度）采用纖維單元法進行的彎矩曲率（考慮相應軸力）分析確定，將截面混凝土根據(jù)需求劃分為纖維單元束，而單根鋼筋則作為一個纖維單元。對已劃分截面進行彎矩曲率分析，得出圖5.3所示的彎矩

25、曲率曲線。圖5.3 等效彎矩的計算示意圖截面等效屈服彎矩實質上是一個理論上的概念值，是將實際的截面彎矩曲率曲線按能量等效的原則將其等效為一個彈塑性曲線。中間的等效屈服彎矩Meq計算規(guī)則如圖6.5，由陰影部分面積相等求得。其中My為截面相應于最不利軸力時最外層鋼筋首次屈服時對應的初始屈服彎矩；Meq為相應于最不利軸力時截面等效屈服彎矩；Mu為截面極限彎矩。此外，由于地震為偶然荷載，因而，驗算中采用的相應的材料強度均為規(guī)范中相應的標準值，不再考慮材料的安全分項系數(shù)。采用纖維單元，對各控制截面進行劃分（如圖5.45.5），應用實際的鋼筋和混凝土應力應變關系，計算了各控制截面的彎矩曲率關系，從而得到各

26、控制截面的初始屈服彎矩My和等效屈服彎矩Meq。圖5.4 主墩驗算截面示意圖圖5.5 主墩樁基（2.5m）E1地震作用下，結構校核目標是主墩和樁基礎均在彈性范圍內工作，其地震反應小于初始屈服彎矩；E2地震作用下，結構校核目標是主墩、樁基礎可出現(xiàn)微小裂縫，不影響使用，主墩、樁基的地震反應小于等效屈服彎矩。主墩和樁基的配筋見表5.8。主墩和樁基的抗震驗算見表5.9以及表5.10所示。表5.8主墩和樁基配筋表位置配筋形式全截面配筋率（%）主墩外壁2-28mm15cm內壁28mm15cm1.702.5m樁基2-28mm共計96根1.20表5.9最不利軸力下主墩和樁基初始屈服彎矩驗算（E1地震作用）組合

27、工況墩號位置最小軸力P(kN)彎矩M(kNm)初始屈服彎矩M(kNm)安全系數(shù)恒載(縱向+豎向地震作用)4號墩墩頂53937 121577 408000 3.36 墩底91193 119357 493300 4.13 樁基17400 9949 28050 2.82 5號墩墩頂54518 121190 409400 3.38 墩底88721 118293 487800 4.12 樁基16520 9457 27540 2.91 恒載(橫向+豎向地震作用)4號墩墩頂54480 15155 520400 34.34 墩底91804 112771 627600 5.57 樁基17776 5107 281

28、80 5.52 5號墩墩頂54455 14176 520400 36.71 墩底88579 122487 618600 5.05 樁基16374 5657 27520 4.86 注：表5.9中，軸力正值表示壓力，負值表示拉力。表5.10最不利軸力下橋墩、主塔和樁基截面等效屈服彎矩驗算（E2地震作用）組合工況墩號位置最小軸力P(kN)彎矩M(kNm)等效屈服彎矩M(kNm)安全系數(shù)恒載(縱向+豎向地震作用)4號墩墩頂38047 451492 466900 1.03 墩底66035 464303 537400 1.16 樁基2689 38059 24840 0.65 5號墩墩頂39122 3959

29、41 469700 1.19 墩底66684 436784 539900 1.24 樁基3064 34940 25120 0.72 恒載(橫向+豎向地震作用)4號墩墩頂39165 54385 620600 11.41 墩底67940 489722 715200 1.46 樁基538 22267 23160 1.04 5號墩墩頂39043 45930 620100 13.50 墩底66280 461385 710700 1.54 樁基841 21248 23490 1.11 注：表5.10中，軸力正值表示壓力，負值表示拉力。由表5.9、5.10可知，在E1地震作用下，主墩和樁基彎矩最不利截面彎矩

30、均小于截面初始屈服彎矩，均保持在彈性范圍之內，滿足抗震性能要求；在E2地震作用下，主墩控制截面彎矩安全系數(shù)均大于1，說明主墩只發(fā)生可修復損傷，滿足抗震性能要求。而樁基在縱橋向彎矩安全系數(shù)小于1，說明樁基已經進入延性，不滿足結構抗震性能要求。6結構優(yōu)化方案抗震計算根據(jù)主橋結構地震響應結果，主墩承臺底在縱橋向和橫橋向地震內力響應相當，而基礎布置縱橋向偏弱，因此，綜合判斷，建議主墩基礎由原來的23共6根2.5m樁基改為33共9根2.5m樁基。新修改的樁基示意圖見圖6.1。圖6.1新修改的樁基示意圖6.1線性時程分析在原來的有限元模型基礎上修改，對修改的模型進行線性時程分析，E1、E2地震作用下的線性

31、時程計算結果，見表6.1表6.3。表6.1結構各主要部位地震響應（E1地震作用）墩號部位橫向+豎向反應縱向+豎向反應MQNMQN(KNm)(KN)(KN)(KNm)(KN)(KN)4號主墩墩頂14910 2127 6459 129492 4284 6546 墩底127341 2982 9898 153590 4663 10414 承臺底140914 4183 11251 175211 5706 11751 樁頂3950 667 4480 4444 665 4426 5號主墩墩頂14747 2193 6555 125829 3867 6588 墩底131381 3366 9801 149701

32、4213 9632 承臺底145670 4506 11168 169929 5690 10988 樁頂4121 688 4123 4322 672 4619 表6.2 結構各主要部位地震響應（E2地震作用）墩號部位橫向+豎向反應縱向+豎向反應MQNMQN(KNm)(KN)(KN)(KNm)(KN)(KN)4號主墩墩頂52745 7930 21854 456399 13192 20908 墩底484627 10366 31408 473937 15061 33066 承臺底535459 16559 36041 535998 19886 37755 樁頂14934 2082 14920 13642

33、 2308 15529 5號主墩墩頂49044 7750 21765 429759 12177 22078 墩底477460 11321 30630 540499 15065 30720 承臺底527758 16093 35122 615773 18429 34450 樁頂15060 2204 14950 15582 2215 15570 表6.3 E2地震作用下控制點的位移（線性時程）結構位置縱橋向（mm）橫橋向（mm）4號主墩墩頂2772585號主墩墩頂2732436.2結構抗震驗算主墩和樁基的配筋與5.5節(jié)相同。主墩和樁基的抗震驗算見表6.4以及表6.5所示。表6.4最不利軸力下主墩和樁基初始屈服彎矩驗算（E1地震作用）組合工況墩號位置最小軸力P(kN)彎矩M(kNm)初始屈服彎矩M(kNm)安全系數(shù)恒載(縱向+豎向地震作用)4號墩墩頂54658 129492 409700 3.16 墩底92002 153590 495100 3.22 樁基12617 4444 25190 5.67 5號墩墩頂54680 125829 409700 3.26 墩底89143 149701 488700 3.26 樁基11596 4322 24560 5.68 恒載(橫向+豎向地震作用)4號墩墩頂54745 1491