高速公路结构抗震性能计算报告

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1工程概述工程概述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2×3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Ⅷ度，参考《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/TB02-01-2008），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/TB02-01-2008）中华人民共和国行业标准《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）《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/ss2)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》（JTG/TB02-01-2008），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（550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（550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△x△y△zθxθyθz主墩与主梁交接处处111111主梁在边墩交接处处011100桩基KK1000注：表4.1中，△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-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MPaCOkN/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211250000002.962.84370000000355000000中风化26.581500000002.962.844440000004260000004.3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1.80030.5555Mode1（b）Mode2（c）Mode3（d）Mode4（e）Mode5（f）Mode6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/ss2)203260363451Samax0.4870.6240.8711.082T1(Sec)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136161554567410283727975844墩底1073542564817610913233688361承台底1173663099867712422137708866桩顶49085484823872564047315号主墩墩顶133661687559410922331255629墩底1158162648775011953636657789承台底1263933166825613632840638297桩顶5311539506595716885077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486765556202833676311000020892墩底3837789167292283901341204229888承台底41956911079310204440761347731696桩顶17546195817242311902287169155号主墩墩顶477816030199993904571117220124墩底4140289466277044273261310027845承台底45184111318295154873561452629660桩顶18985192518108342152461181515.3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5.1E1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5.2E2水准（50Y2%）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151552066678012157739127323墩底112771272610667119357452511278承台底119930346611554143629503812163桩基最不利51077175433994986058105号主墩墩顶141762091687212119032526809墩底122487304910256118293357110113承台底135833381311147135244472010964桩基最不利5657841568594578325539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543857760220954514921460123213墩底48972210694345314643031633836436承台底54140013343377545464791815139659桩基最不利22267253722671380593070205205号主墩墩顶459307412222843959411244622205墩底46138511149325544367841287932150承台底50320913736357314979881548335177桩基最不利2124826272121834940270518995表5.6E2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)QUOTE4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061092231211901.11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－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（φ2.5m）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2-28mmm@15cmm内壁28mm@115cm1.702.5m桩基2-28mm共计计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）组合工况墩号位置最小轴力P(kNN)弯矩M(kN·mm)初始屈服弯矩M((kN·m)安全系数恒载±(纵向+竖竖向地震作用用)4号墩墩顶539371215774080003.36墩底911931193574933004.13桩基174009949280502.825号墩墩顶545181211904094003.38墩底887211182934878004.12桩基165209457275402.91恒载±(横向+竖竖向地震作用用)4号墩墩顶544801515552040034.34墩底918041127716276005.57桩基177765107281805.525号墩墩顶544551417652040036.71墩底885791224876186005.05桩基163745657275204.86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(kNN)弯矩M(kN·mm)等效屈服弯矩M((kN·m)安全系数恒载±(纵向+竖竖向地震作用用)4号墩墩顶380474514924669001.03墩底660354643035374001.16桩基268938059248400.655号墩墩顶391223959414697001.19墩底666844367845399001.24桩基306434940251200.72恒载±(横向+竖竖向地震作用用)4号墩墩顶391655438562060011.41墩底679404897227152001.46桩基53822267231601.045号墩墩顶390434593062010013.50墩底662804613857107001.54桩基84121248234901.11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2×3共6根2.5m桩基改为3×3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149102127645912949242846546墩底12734129829898153590466310414承台底140914418311251175211570611751桩顶39506674480444466544265号主墩墩顶147472193655512582938676588墩底1313813366980114970142139632承台底145670450611168169929569010988桩顶4121688412343226724619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527457930218544563991319220908墩底48462710366314084739371506133066承台底53545916559360415359981988637755桩顶14934208214920136422308155295号主墩墩顶490447750217654297591217722078墩底47746011321306305404991506530720承台底52775816093351226157731842934450桩顶1506022041495015582221515570表6.3E2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(kNN)弯矩M(kN·mm)初始屈服弯矩M((kN·m)安全系数恒载±(纵向+竖竖向地震作用用)4号墩墩顶546581294924097003.16墩底920021535904951003.22桩基126174444251905.675号墩墩顶546801258294097003.26墩底891431497014887003.26桩基115964322245605.68恒载±(横向+竖竖向地震作用用)4号墩墩顶547451491052120034.96墩底925181273416295004.94桩基125623950252106.385号墩墩顶547141474752110035.34墩底889741313816197004.72桩基120924121249206.05注：表6.4中，轴力正值表示压力，负值表示拉力。表6.5最不利轴轴力下桥墩、主塔和和桩基截