高速公路结构抗震性能计算分析报告（word21）

1、九寨沟（川甘界）至绵阳高速公路（双河至平武段）结构抗震性性能计算算分析报报告二零一六年年六月九寨沟（川川甘界）至至绵阳高高速公路路双河至至平武段段结构抗震性性能计算算分析报报告工程名称：九寨沟沟（川甘甘界）至至绵阳高高速公路路设计阶段：设计编号：编制：年月月日审核：年月月日审定：年月月日年月日目 录录TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc454286363 1工程概述述 工程概述述K线厄里村村夺补河河大桥位位于绵阳阳市平武武县白马马寨，横横跨夺补补河及SS2055线，分分左右两两线，桥桥梁型式式为三跨跨预应力力混凝土土变截面面连续刚刚构桥，孔跨布置为（70+130+7

2、0）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30cm，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。主墩采用空空心矩形形截面，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，

3、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CC50，桥桥墩用CC40，桩桩基用CC30，受受力主筋筋采用HRRB4000。施工方方法采用用挂篮悬悬臂浇注注施工。根据中国国地震动动峰值加加速度区区划图（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采用的规规范及参参考依据据中华人民共共和国

4、行行业推荐荐性标准准公路路桥梁抗抗震设计计细则（JTG/T B02-01-2008）中华人民共共和国行行业标准准公路路桥涵地地基与基基础设计计规范（JTG D63-2007）绵阳至九九寨沟高高速公路路工程场场地地震震安全性性评价报报告四四川赛思思特科技技有限责责任公司司 20010.7K线厄里村村夺补河河大桥工工程地质质初勘报报告3抗震设防防标准及及抗震性性能目标标的确定定根据参考依依据3的的地震安安评报告告，安评报报告对绵阳至至九寨沟沟高速公公路A线线的重要要工程太华山隧隧道、毛毛家山隧隧道、王王家山隧隧道、木木座1号号隧道和和黄土梁梁隧道场场地进行行地震安安全性评评价工作作。本桥桥址位位于

5、绵阳阳市平武武县白马马寨，其其工程场场地处于于王家山山隧道和和木座11号隧道道之间，考考虑地震震活动性性最不利利情况，本本桥工程程场地取取地震安安评报告告中木座11号隧道道出口基岩岩场地地地震动参参数，见表33.1。表3.1主主桥工程程场地设设计地震震动参数数（5%阻尼比比）超越概率地震动参数数50年超越越概率10%5%2%1%PGA(ccm/ss2)203260363451Samaxx0.48770.62440.87111.0822T1(Seec)0.100.100.100.10Tg(Seec)0.400.400.400.45max2.42.42.42.4r1.01.01.01.0根据公路路

6、桥梁抗抗震设计计细则（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主主桥抗震震设防标标准及性性能目标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地震作作用（50年110%）Ci=0.5主墩无损伤保持弹性状状态桩基础无损伤保持弹性状状态E2地震作作用（50年2%）主墩中等损伤可接近屈服服桩基础中等损伤可接近屈服服注：表3.2中，为按按恒载和和地震作作用最不不利组合合下的弯弯矩；为为截面相相应最不不利轴力力时的最最外层钢钢筋首次次屈服时时对应的的弯矩；为按截截面相应应于最不不利轴力力时的等等效屈服服弯矩。因此，主桥桥

7、的抗震震设防标标准取用用如下：（1）E11地震作作用下（50年超越概率10%）的水平地震动峰值加速度=0.207g，同时考虑桥梁抗震重要性系数Ci=0.5。（2）E22地震作作用下（50年超越概率2%）的水平地震动峰值加速度=0.370g。4结构动力力特性分分析4.1计算算图式主桥采用有有限元程程序MIIDASS/CIIVILL软件，建建立空间间有限元元模型进进行计算算分析。主主梁、主墩和桩基均采采用空间间梁单元元模拟。桩基础础采用“mm”法土弹簧簧模拟。成桥状状态计算算图式见见图4.1所所示。图4.1主主桥成桥桥状态计计算图式式4.2边界界条件本桥成桥状状态结构构各部位位边界条条件如下下（表

8、44.1）。表4.1结结构各部部位边界界条件结构部位成桥状态xyzxyz主墩与主梁梁交接处处111111主梁在边墩墩交接处处011100桩基KK1000注：表4.1中，x、y、z分别别表示沿沿纵桥向向、横桥桥向、竖竖桥向的的线位移移，xx、y、z分别别表示绕绕纵桥向向、横桥桥向、竖竖桥向的的转角位位移。11-表示示约束，00-表示示放松，K-表表示弹性性约束。根据工程地地质初勘勘报告与与公路路桥涵地地基与基基础设计计规范，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土土弹簧刚刚度K计计算结果果岩层抗压强度MMPaCOkN/m3纵桥向计算算宽度横桥向计算算宽度纵桥向刚度度kN/m

9、m横桥向刚度度kN/mm强风化2112500000002.962.8437000000003550000000中风化26.58815000000002.962.84444000000042600000004.3结构构动力特特性分析析成桥状态振振型特点点见表44.3，结构构主要的的振型图图见图44.2。表4.3成成桥状态态结构动力力特性模态振型主要特特性自振频率f（Hz）自振周期T（s）1纵向一致振振动0.297763.360052主梁横弯0.316613.163383主梁横弯0.766601.305554主梁竖弯1.071190.932295主梁横弯1.756620.569946主梁竖弯1.8

10、00030.55555Mode 1（b） MModee 2（c） MModee 3（d） MModee 4（e） MModee 5（f） MModee 6图4.2成成桥状态态结构振型型图5结构抗震震性能计计算分析析桥梁结构的的抗震计计算设计计的分析析方法分分为反应应谱法和和动态时时程法。其其中反应应谱法分分单振型型反应谱谱法、多多振型反反应谱法法和等效效线性化化方法；动态时时程法分分线性时时程法分分析和非非线性时时程法分分析。本桥结构地地震反应应分析采采用多振振型反应应谱法和和时程法法两种方方法进行行，本次次计算选选取场地地地震动参参数对主主桥进行行结构地地震响应应计算分分析，且且计算按按照一

11、致致激励作作用考虑虑。5.1反应应谱设计计根据场地工工程地震震条件，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：本桥工程场场地取地地震安评评报告中中木座11号隧道道出口基岩岩场地地地震动参参数，见表5.1。表5.1主主桥工程程场地设设计地震震动参数数（5%阻尼比比）超越概率地震动参数数50年超越越概率10%5%2%1%PGA(ccm/ss2)203260363451Samaxx0.48770.62440.87111.0822T1(Seec)0.100.100.100.10Tg(Seec)0.400.400.400.45

12、max2.42.42.42.4r1.01.01.01.0E1地震作作用：水水平向基基本设计计地震动动峰值加加速度AAmaxx=0.2077g，同时时考虑桥桥梁抗震震重要性性系数CCi=00.5，竖向设设计地震震动峰值值加速度度取为水水平向设设计地震震动峰值值加速度度的2/3；E2地震作作用：水水平向基基本设计计地震动动峰值加加速度AAmaxx=0.3700g，竖向向设计地地震动峰峰值加速速度取为为水平向向设计地地震动峰峰值加速速度的22/3。5.2反应应谱计算算在地震响应应分析中中，均取取前150阶振型型进行计计算，所所有振型型的参与与质量都都达到995%以上，振振型组合合方法采采用CQQC法

13、。输入采用如如下两种种组合：（1）水水平纵向向+竖向向；（22）水平平横向+竖向。其其中，竖竖向输入入值取为为水平向向输入值值的2/3。方方向组合合采用SSRSSS方法。本桥结构主主要部位位在E11和E22地震作作用下的的反应谱计算结果果见表55.2表5.3。表5.2结结构各主主要部位位地震响响应（EE1地震震作用）墩号部位横向+竖向向反应纵向+竖向向反应MQNMQN(KNm)(KN)(KN)(KNm)(KN)(KN)4号主墩墩顶136166 1554 5674 1028337 2797 5844 墩底1073554 2564 8176 1091332 3368 8361 承台底1173666

14、 3099 8677 1242221 3770 8866 桩顶4908 548 4823 8725 640 4731 5号主墩墩顶133666 1687 5594 1092223 3125 5629 墩底1158116 2648 7750 1195336 3665 7789 承台底1263993 3166 8256 1363228 4063 8297 桩顶5311 539 5065 9571 688 5077 表5.3 结构各各主要部部位地震震响应（EE2地震震作用）墩号部位横向+竖向向反应纵向+竖向向反应MQNMQN(KNm)(KN)(KN)(KNm)(KN)(KN)4号主墩墩顶486766

15、 5556 202833 3676331 100000 208922 墩底3837778 9167 292288 3901334 120422 298888 承台底4195669 110799 310200 4440776 134777 316966 桩顶175466 1958 172422 311900 2287 169155 5号主墩墩顶477811 6030 199999 3904557 111722 201244 墩底4140228 9466 277044 4273226 131000 278455 承台底4518441 113188 295155 4873556 145266 296

16、600 桩顶189855 1925 181088 342155 2461 181511 5.3地震震动加速速度时程程本桥抗震计计算中EE1地震震作用采采用500年10%概率水水准下人人工地震震波，同时考考虑桥梁梁抗震重重要性系系数Cii=0.5，E2地震震作用采采用500年2%概率水水准下人人工地震震波，在在地震安评评报告中中，以设设计地震震动峰值值加速度度和设计计反应谱谱参数为为目标谱谱，合成成了超越越概率水水平为550年10%和50年2%的地震震动人工工波各三三条，竖竖向输入入值取为为水平向向输入值值的2/3。E1、E2水准准下的三三条地震震波时程程曲线见见图5.1、图5.2。地震动输入入

17、采用如如下两种种组合：（1）水平平纵向+竖直向向；（22）水平平横向+竖直向向。地震响应计计算结果果取三条条地震波波的最大大值。a）E1水水准时程程曲线11b）E1水水准时程程曲线22c）E1水水准时程程曲线33图5.1 EE1水准准（500Y100%）场场地地震动时时程曲线线图a）E2水水准时程程曲线11b）E2水水准时程程曲线22c）E2水水准时程程曲线33图5.2 EE2水准准（500Y2%）场地地地震动时时程曲线线图5.4线性性时程分分析对主桥进行行线性时时程分析析，与反反应谱计计算结果果进行对对比，相相互验证证校核，线线性时程程分析计计算模型型与反应谱谱分析模模型相同同，E1、E2地

18、震震作用下下的线性性时程计算结果果，见表表5.4表5.6。时程法法分析和和反应谱谱法分析析结果对对比见表表5.7。表5.4结结构各主主要部位位地震响响应（EE1地震震作用）墩号部位横向+竖向向反应纵向+竖向向反应MQNMQN(KNm)(KN)(KN)(KNm)(KN)(KN)4号主墩墩顶151555 2066 6780 1215777 3912 7323 墩底1127771 2726 106677 1193557 4525 112788 承台底1199330 3466 115544 1436229 5038 121633 桩基最不利利5107 717 5433 9949 860 5810 5号

19、主墩墩顶141766 2091 6872 1211990 3252 6809 墩底1224887 3049 102566 1182993 3571 101133 承台底1358333 3813 111477 1352444 4720 109644 桩基最不利利5657 841 5685 9457 832 5539 表5.5 结构各各主要部部位地震震响应（EE2地震震作用）墩号部位横向+竖向向反应纵向+竖向向反应MQNMQN(KNm)(KN)(KN)(KNm)(KN)(KN)4号主墩墩顶543855 7760 220955 4514992 146011 232133 墩底4897222 1069

20、44 345311 4643003 163388 364366 承台底5414000 133433 377544 5464779 181511 396599 桩基最不利利222677 2537 226711 380599 3070 205200 5号主墩墩顶459300 7412 222844 3959441 124466 222055 墩底4613885 111499 325544 4367884 128799 321500 承台底5032009 137366 357311 4979888 154833 351777 桩基最不利利212488 2627 212188 349400 2705

21、189955 表5.6 E22地震作作用下控控制点的的位移（线线性时程程）结构位置纵桥向（mmm）横桥向（mmm）4号主墩墩墩顶3192895号主墩墩墩顶315274表5.7时时程法和和反应谱谱法分析析结果对对比表（E1地震作用）墩号部位横向弯矩比比较纵向弯矩比比较(KNm)(KNm) QUOTE (KNm)(KNm) QUOTE 4号主墩墩顶1361661515551.11102833712157771.18墩底107355411277711.05109133211935571.09承台底117366611993301.02124222114362291.16桩顶490851071.0487

22、2599491.145号主墩墩顶1336661417661.06109222312119901.11墩底115811612248871.06119533611829930.99承台底126399313583331.07136322813524440.99桩顶531156571.07957194570.99由线性时程程法和线线性反应应谱法分分析结果果对比可可知，线线性时程程分析结结果和线线性反应应谱分析析结果吻吻合得较较好。线线性时程分析析结果基基本都比比线性反反应谱分分析结果果大，控制截截面内力力计算结结果差别别基本在在20%之内，满满足公公路桥梁梁抗震设设计细则则第66.5.3条的的规定，即

23、即在E11地震作作用下，线线性时程程法的计计算结果果不应小小于反应应谱法计计算结果果的800%。说说明时程程法计算算时选取取的三条条人工地地震波是是基本合理理的。5.5结构构抗震验验算由线性时程程法和线线性反应应谱法对对比结果果可知，线线性时程分析中控控制截面面内力比比线性反反应谱分分析结果果大。因因此，本本桥抗震震验算时时采用线线性时程分析析法计算算结果进进行验算算，分析析判断各各控制截截面在地地震作用用下是否否进入弹弹塑性。本桥主桥结结构的抗抗震验算算根据公公路桥梁梁抗震设设计细则则的抗抗震验算算方法，根根据截面面的配筋筋，采用用纤维单单元，考考虑在恒恒载和地地震作用用下的最最不利轴轴力组

24、合合对主墩墩和群桩桩基础最最不利单单桩的控控制截面面进行了了P-M-分析，得得出各控控制截面面的抗弯弯能力，从从而进行行抗震性性能验算算。主墩和桩基基础截面面的抗弯弯能力（强强度）采采用纤维维单元法法进行的的弯矩曲率（考考虑相应应轴力）分分析确定定，将截截面混凝凝土根据据需求划划分为纤纤维单元元束，而而单根钢钢筋则作作为一个个纤维单单元。对对已划分分截面进进行弯矩矩曲率分分析，得得出图55.3所示的的弯矩曲率曲曲线。图5.3等等效弯矩矩的计算算示意图图截面等效屈屈服弯矩矩实质上上是一个个理论上上的概念念值，是是将实际际的截面面弯矩曲率曲曲线按能能量等效效的原则则将其等等效为一一个弹塑塑性曲线线

25、。中间间的等效效屈服弯弯矩Meq计算算规则如如图6.5，由由阴影部部分面积积相等求求得。其其中My为截面面相应于于最不利利轴力时时最外层层钢筋首首次屈服服时对应应的初始始屈服弯弯矩；MMeq为相相应于最最不利轴轴力时截截面等效效屈服弯弯矩；MMu为截截面极限限弯矩。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。采用纤维单单元，对对各控制制截面进进行划分分（如图图5.445.55），应应用实际际的钢筋筋和混凝凝土应力力应变变关系，计计算了各各控制截截面的弯弯矩曲曲率关系系，从而而得到各各控制截截面的初初始屈服服弯矩MMy和等效效屈服

26、弯弯矩Meq。图5.4主主墩验算截截面示意意图图5.5主主墩桩基基（22.5mm）E1地震作作用下，结结构校核核目标是是主墩和和桩基础础均在弹弹性范围围内工作作，其地地震反应应小于初初始屈服服弯矩；E2地震震作用下下，结构构校核目目标是主主墩、桩桩基础可可出现微微小裂缝缝，不影影响使用用，主墩墩、桩基基的地震震反应小小于等效效屈服弯弯矩。主墩和桩基基的配筋见表表5.88。主墩和桩基基的抗震震验算见见表5.9以及及表5.10所所示。表5.8主主墩和桩基基配筋表位置配筋形式全截面配筋筋率（%）主墩外壁2-228mmm155cm内壁28mmm115cmm1.702.5m桩桩基2-28mmm共计计96

27、根1.20表5.9最最不利轴轴力下主主墩和桩基基初始屈屈服弯矩矩验算（EE1地震震作用）组合工况墩号位置最小轴力PP(kNN)弯矩M(kkNmm)初始屈服弯弯矩M(kNm)安全系数恒载(纵纵向+竖竖向地震震作用)4号墩墩顶539377 1215777 4080000 3.36 墩底911933 1193557 4933000 4.13 桩基174000 9949 280500 2.82 5号墩墩顶545188 1211990 4094000 3.38 墩底887211 1182993 4878000 4.12 桩基165200 9457 275400 2.91 恒载(横横向+竖竖向地震震作用)

28、4号墩墩顶544800 151555 5204000 34.344 墩底918044 1127771 6276000 5.57 桩基177766 5107 281800 5.52 5号墩墩顶544555 141766 5204000 36.711 墩底885799 1224887 6186000 5.05 桩基163744 5657 275200 4.86 注：表5.9中，轴轴力正值值表示压压力，负负值表示示拉力。表5.100最不利利轴力下下桥墩、主主塔和桩桩基截面面等效屈屈服弯矩矩验算（EE2地震震作用）组合工况墩号位置最小轴力PP(kNN)弯矩M(kkNmm)等效屈服弯弯矩M(kNm)安全

29、系数恒载(纵纵向+竖竖向地震震作用)4号墩墩顶380477 4514992 4669000 1.03 墩底660355 4643003 5374000 1.16 桩基2689 380599 248400 0.65 5号墩墩顶391222 3959441 4697000 1.19 墩底666844 4367884 5399000 1.24 桩基3064 349400 251200 0.72 恒载(横横向+竖竖向地震震作用)4号墩墩顶391655 543855 6206000 11.411 墩底679400 4897222 7152000 1.46 桩基538 222677 231600 1.04

30、 5号墩墩顶390433 459300 6201000 13.500 墩底662800 4613885 7107000 1.54 桩基841 212488 234900 1.11 注：表5.10中中，轴力力正值表表示压力力，负值值表示拉拉力。由表5.99、5.110可知知，在EE1地震震作用下下，主墩墩和桩基基弯矩最最不利截截面弯矩矩均小于于截面初初始屈服服弯矩，均均保持在在弹性范范围之内内，满足足抗震性性能要求求；在E2地震震作用下下，主墩墩控制截截面弯矩矩安全系系数均大大于1，说说明主墩只发发生可修修复损伤伤，满足抗抗震性能能要求。而桩基基在纵桥向向弯矩安安全系数数小于11，说明明桩基已已

31、经进入入延性，不不满足结结构抗震震性能要要求。6结构优化化方案抗抗震计算算根据主桥结结构地震震响应结结果，主主墩承台台底在纵纵桥向和和横桥向向地震内内力响应应相当，而而基础布布置纵桥桥向偏弱弱，因此此，综合合判断，建建议主墩墩基础由由原来的的233共6根根2.55m桩基基改为333共共9根2.5m桩桩基。新新修改的的桩基示示意图见见图6.1。图6.1新新修改的的桩基示示意图6.1线性性时程分分析在原来的有有限元模模型基础础上修改改，对修修改的模模型进行行线性时时程分析析，E11、E2地震震作用下下的线性性时程计算结果果，见表表6.1表6.3。表6.1结结构各主主要部位位地震响响应（EE1地震震

32、作用）墩号部位横向+竖向向反应纵向+竖向向反应MQNMQN(KNm)(KN)(KN)(KNm)(KN)(KN)4号主墩墩顶149100 2127 6459 1294992 4284 6546 墩底1273441 2982 9898 1535990 4663 104144 承台底1409114 4183 112511 1752111 5706 117511 桩顶3950 667 4480 4444 665 4426 5号主墩墩顶147477 2193 6555 1258229 3867 6588 墩底1313881 3366 9801 1497001 4213 9632 承台底1456770 4

33、506 111688 1699229 5690 109888 桩顶4121 688 4123 4322 672 4619 表6.2 结构各各主要部部位地震震响应（EE2地震震作用）墩号部位横向+竖向向反应纵向+竖向向反应MQNMQN(KNm)(KN)(KN)(KNm)(KN)(KN)4号主墩墩顶527455 7930 218544 4563999 131922 209088 墩底4846227 103666 314088 4739337 150611 330666 承台底5354559 165599 360411 5359998 198866 377555 桩顶149344 2082 1492

34、00 136422 2308 155299 5号主墩墩顶490444 7750 217655 4297559 121777 220788 墩底4774660 113211 306300 5404999 150655 307200 承台底5277558 160933 351222 6157773 184299 344500 桩顶150600 2204 149500 155822 2215 155700 表6.3 E22地震作作用下控控制点的的位移（线线性时程程）结构位置纵桥向（mmm）横桥向（mmm）4号主墩墩墩顶2772585号主墩墩墩顶2732436.2结构构抗震验验算主墩和桩基基的配筋与5

35、.55节相同同。主墩和桩基基的抗震震验算见见表6.4以及表表6.55所示。表6.4最最不利轴轴力下主主墩和桩基基初始屈屈服弯矩矩验算（EE1地震震作用）组合工况墩号位置最小轴力PP(kNN)弯矩M(kkNmm)初始屈服弯弯矩M(kNm)安全系数恒载(纵纵向+竖竖向地震震作用)4号墩墩顶546588 1294992 4097000 3.16 墩底920022 1535990 4951000 3.22 桩基126177 4444 251900 5.67 5号墩墩顶546800 1258229 4097000 3.26 墩底891433 1497001 4887000 3.26 桩基115966 4322 245600 5.68 恒载(横横向+竖竖向地震震作用)4号墩墩顶547455 149100 5212000 34.966 墩底925188 1273441 6295000 4.94 桩基125622 3950 252100 6.38 5号墩墩顶547144 147477 5211000 35.344 墩底889744 1313881 6197000 4.