高速公路结构抗震性能计算报告

九寨沟（川甘界界）至绵阳阳高速公路路（双河至至平武段）结构抗震性能计计计算分析析报告告×××××××××二零一六年六月月月九寨沟（川甘界界界）至绵绵阳高高速公路路双河河至平武武段结构抗震性能计计计算分析析报告告工程名称：九寨寨寨沟（川川甘界界）至绵绵阳高高速公路路设计阶段：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线厄里村夺补补补河大桥位位于于绵阳市市平武武县白马马寨，横横跨夺补补河及S2205线，分分左右两两线，桥桥梁型式式为三三跨预应应力混混凝土变变截面面连续刚刚构桥桥，孔跨布布置置为（70+1130++700）m，主桥长2770m，主墩墩为矩形形空心心独柱墩墩，两两主墩高高度分分别为89mm和81m，主梁梁采用预预应力力砼箱梁梁，桥宽宽12.55mm，采用单单箱箱单室截截面。箱箱梁在端端支座座处及中中墩处处均设置置了横横隔板，并并在在横隔板板中部部设置进进人孔孔，其它它部位位均未设设置横横隔板。箱箱梁梁为变高高直腹腹板，中中墩支支点梁高8..2m，端支支点梁高3mm，单幅顶顶板板宽12.55m，底板宽宽6.5m，悬悬臂板端端部厚厚18cm，根根部厚65ccm，箱内顶顶板厚30ccm，直线段段底板板厚30cmm，逐渐增增厚厚至中墩墩处厚厚为100ccm，跨中腹腹板厚50cm，中中墩支点点处腹腹板加厚厚至880cm，边边支点处处腹板板加厚至855cm。主墩采用空心矩矩矩形截面面，纵纵桥向尺尺寸为为6m，横桥向向尺寸为8mm，壁厚为0..7m；承台台为矩形形承台台，纵桥桥向尺寸为为为9.4m，横横桥向尺尺寸为为14m，承台台厚5m，承台底底布置2×3根2.5m钻孔孔柱桩，桩桩长长为35m。主梁采用C5000，桥墩用C440，桩基用用C30，受力力主筋采采用HRB4400。施工方法法采采用挂篮篮悬臂臂浇注施施工。根据《中国地震震震动峰值值加速速度区划划图》（GB188306--20155），桥址址处地震动峰峰值加速度度为0.200g。地震动动反应谱特特征周期为为0.40s，地震基基本烈度为为Ⅷ度，参考《公公路桥梁抗抗震设计细细则》（JTG//TB002-011-20008），本桥属于B类桥梁，本本桥必须进进行E1和E2地震作用用下的抗震震设计，因因此，本报报告主要针针对主桥进进行抗震性性能计算分分析。2采用的规范及及及参考依据据中华人民共和国国国行业推推荐性性标准《公公路路桥梁抗抗震设设计细则则》（JTG//TB002-011-20008）中华人民共和国国国行业标标准《公公路桥涵涵地基基与基础础设计计规范》（JJTGD663-20007）《绵阳至九寨沟沟沟高速公公路工工程场地地地震震安全性性评价价报告》四四川川赛思特特科技技有限责责任公公司20110.77K线厄里村夺补补补河大桥工工程程地质初初勘报报告3抗震设防标准准准及抗震性性能能目标的的确定定根据参考依据333的地震安评评报告，安安评报告对对绵阳至九九寨寨沟高速速公路路A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号隧道道和黄土土梁隧隧道场地地进行行地震安安全性性评价工工作。本桥桥址位于绵绵绵阳市平平武县县白马寨寨，其其工程场场地处处于王家家山隧隧道和木木座1号隧隧道之间间，考考虑地震震活动动性最不不利情情况，本本桥工工程场地地取地地震安评评报告告中木座1号隧隧道出口口基岩场地地地地震动动参数，见见表3.11。表3.1主桥工工工程场地设设计计地震动动参数数（5%阻尼尼比）超越概率地震动参数50年超越概率率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《公路桥梁梁梁抗震设设计细细则》（JTTG/TTBB02--011-200088），本桥桥属于于B类桥梁，高高速速公路桥桥梁，主桥桥抗震设防防标准及性性能目标见见表3.2。表3.2主桥抗抗抗震设防标标准准及性能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地震作用（500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（500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中中中，为按恒恒载载和地震震作用用最不利利组合合下的弯弯矩；；为截面相相应应最不利利轴力力时的最最外层层钢筋首首次屈屈服时对对应的的弯矩；；为按按截面相相应于于最不利利轴力力时的等等效屈屈服弯矩矩。因此，主桥的抗抗抗震设防防标准准取用如如下：：（1）E1地震震作用下（5550年超越越概概率10%）的的水平地地震动动峰值加加速度度=0.20077g，同时考考虑虑桥梁抗抗震重重要性系系数CCi=00.55。（2）E2地震震作用下（5550年超越越概概率2%）的水平平地震动动峰值值加速度度=00.3700g。4结构动力特性性性分析4.1计算图式式式主桥采用有限元元元程序MIDDAS/CCIIVILL软件件，建立立空间间有限元元模型型进行计计算分分析。主主梁、主墩墩和桩基均采用用空空间梁单单元模模拟。桩基基础采用“mm”法土弹簧簧模拟拟。成桥状状态计计算图式式见图图4.1所示。图4.1主桥成成成桥状态计计算算图式4.2边界条件件件本桥成桥状态结结结构各部部位边边界条件件如下下（表4.1）。表4.1结构各各各部位边界界条条件结构部位成桥状态△x△y△zθxθyθz主墩与主梁交接接接处111111主梁在边墩交接接接处011100桩基KK1000注：表4.1中中中，△x、△y、△z分别表示示沿纵桥桥向、横横桥向、竖竖桥桥向的线线位移移，θx、θy、θz分别表示示绕纵桥桥向、横横桥向、竖竖桥桥向的转转角位位移。1-表表示约束束，00-表示放松松，K-表示弹弹性约束束。根据工程地质初初初勘报告告与《公路路桥涵涵地基与与基础础设计规规范》，桩桩基单元长长度为1m的土弹簧簧刚度K计算结果果见表4.2。表4.2土弹簧簧簧刚度K计算算结果岩层抗压强度MPaaaCOkN/m333纵桥向计算宽度度度横桥向计算宽度度度纵桥向刚度kNNN/m横桥向刚度kNNN/m强风化2112500000002.962.8437000000003550000000中风化26.5815000000002.962.84444000000042600000004.3结构动力力力特性分分析成桥状态振型特特特点见表4.3，结构主主要要的振型型图见见图4.2。表4.3成桥状状状态结构动动力特性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）Modde2（c）Modde3（d）Modde4（e）Modde5（f）Modde6图4.2成桥状状状态结构振振型图5结构抗震性能能能计算分析桥梁结构的抗震震震计算设设计的的分析方方法分分为反应应谱法法和动态态时程程法。其其中反反应谱法法分单单振型反反应谱谱法、多多振型型反应谱谱法和和等效线线性化化方法；；动态态时程法法分线线性时程程法分分析和非非线性性时程法法分析析。本桥结构地震反反反应分析析采用用多振型型反应应谱法和和时程程法两种种方法法进行，本本次次计算选选取场场地地震震动参数对对对主桥进进行结结构地震震响应应计算分分析，且且计算按按照一一致激励励作用用考虑。5.1反应谱设设计根据场地工程地地地震条件件，确确定了绵绵阳至至九寨沟沟高速速公路主主要工工程场地500年超越概概率为为10%、5%、2%和1%的基岩设计地地震震加速度度反应应谱。其参参数数形式为为：本桥工程场地取取取地震安安评报报告中木木座1号隧隧道出口口基岩场地地地地震动动参数，见见表5.1。表5.1主桥工工工程场地设设计计地震动动参数数（5%阻尼尼比）超越概率地震动参数50年超越概率率10%5%2%1%PGA(cm///s2)203260363451Samax0.4870.6240.8711.082T1(Sec))0.100.100.100.10Tg(Sec))0.400.400.400.45max2.42.42.42.4r1.01.01.01.0E1地震作用：：水水平向基本本本设计地地震动动峰值加加速度度Amax=00..207g，同时考虑虑桥梁抗抗震重重要性系系数CCi=00.55，竖向设计计地地震动峰峰值加加速度取取为水水平向设设计地地震动峰峰值加加速度的2//3；E2地震作用：：水水平向基本本本设计地地震动动峰值加加速度度Amax=00..370gg，竖向设设计计地震动动峰值值加速度度取为为水平向向设计计地震动动峰值值加速度度的22/3。5.2反应谱计计算在地震响应分析析析中，均均取前前150阶振型进进行行计算，所所有有振型的的参与与质量都都达到到95%以上，振型型组组合方法法采用用CQC法。输入采用如下两两两种组合合：（11）水平纵纵向向+竖向；（222）水平横横向向+竖向。其其中，竖竖向输输入值取取为水水平向输输入值值的2/3。方方向组合合采用用SRSSS方方法。本桥结构主要部部部位在E1和和E2地震作作用下的的反应应谱计算结结果见表表5.2～表5.3。表5.2结构各各主要部部位地地震响应应（EE1地震作用用）墩号部位横向+竖向反应应纵向+竖向反应应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结构构各主要部位位位地震响应应（EE2地震作用用）墩号部位横向+竖向反应应纵向+竖向反应应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地震动加加速度度时程本桥抗震计算中中中E1地震作作用用采用50年10%概率率水准下人人人工地震震波，同时时考虑桥桥梁抗震震重要要性系数数Cii=0..5，E2地震作作用用采用50年2%概率水准准下人人工地震震波，在地地震安评报报告告中，以以设计计地震动动峰值值加速度度和设设计反应应谱参参数为目目标谱谱，合成成了超超越概率率水平平为50年10%和50年2%的地震动动人人工波各各三条条，竖向输输入入值取为为水平平向输入入值的的2/3。E1、E2水准下下的的三条地地震波波时程曲曲线见见图5.1、图5.2。地震动输入采用用用如下两两种组组合：（1）水平纵向向++竖直向；；（22）水平横横向向+竖直向。地震响应计算结结结果取三三条地地震波的的最大大值。a）E1水准时时程曲线线1b）E1水准时时程程曲线2c）E1水准时时程程曲线3图5.1E1水准准（50Y100%%）场地地地震动时程程曲曲线图a）E2水准时时程程曲线1b）E2水准时时程程曲线2c）E2水准时时程程曲线3图5.2E2水准准（50Y2%）场地地地震动时程程曲曲线图5.4线性时程程分析析对主桥进行线性性性时程分分析，与与反应谱谱计算算结果进进行对对比，相相互验验证校核核，线线性时程程分析析计算模模型与反应应谱分析析模型相相同，E11、E2地震作作用用下的线线性时时程计算算结果，见见见表5.4～表5.6。时程法法分析析和反应应谱法法分析结结果对对比见表5.7。表5.4结构各各主要部部位地地震响应应（EE1地震作用用）墩号部位横向+竖向反应应纵向+竖向反应应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结构构各主要部位位位地震响应应（EE2地震作用用）墩号部位横向+竖向反应应纵向+竖向反应应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5.6EE2地震震作用用下控制制点的的位移（线线性性时程）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时程法法和反应应谱法法分析结结果对对比表（EE11地震作用用）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由线性时程法和和和线性反反应谱谱法分析析结果果对比可可知，线线性时程程分析析结果和和线性性反应谱谱分析析结果吻吻合得得较好。线线性性时程分分析结果基基基本都比比线性性反应谱谱分析析结果大大，控制截截面内内力计算算结果果差别基基本在在20%之内内，满满足《公公路桥桥梁抗震震设计计细则》第第66.5..3条条的规定定，即即在E1地震作作用用下，线线性时时程法的的计算算结果不不应小小于反应应谱法法计算结结果的的80%。说说明明时程法法计算算时选取取的三三条人工工地震震波是基基本合理的的。5.5结构抗震震验算算由线性时程法和和和线性反反应谱谱法对比比结果果可知，线线性性时程分分析中控制制截截面内力力比线线性反应应谱分析结结结果大。因因此此，本桥桥抗震震验算时时采用用线性时时程分析法法计算算结果进进行验验算，分分析判判断各控控制截截面在地地震作作用下是是否进进入弹塑塑性。本桥主桥结构的的的抗震验验算根根据《公公路桥桥梁抗震震设计计细则》的的抗抗震验算算方法法，根据据截面面的配筋筋，采采用纤维维单元元，考虑虑在恒恒载和地地震作作用下的的最不不利轴力力组合合对主墩墩和群群桩基础础最不不利单桩桩的控控制截面面进行行了P-M-分析，得得出出各控制制截面面的抗弯弯能力力，从而而进行行抗震性性能验验算。主墩和桩基础截截截面的抗抗弯能能力（强强度）采采用纤维维单元元法进行行的弯弯矩－曲曲率（考考虑相应应轴力力）分析析确定定，将截截面混混凝土根根据需需求划分分为纤纤维单元元束，而而单根钢钢筋则则作为一一个纤纤维单元元。对对已划分分截面面进行弯弯矩曲曲率分析析，得得出图5.3所示的弯弯矩矩－曲率率曲线线。图5.3等效弯弯矩的计计算示示意图截面等效屈服弯弯弯矩实质质上是是一个理理论上上的概念念值，是是将实际际的截截面弯矩矩－曲曲率曲线线按能能量等效效的原原则将其其等效效为一个个弹塑塑性曲线线。中中间的等等效屈屈服弯矩矩Meq计算规规则则如图6..55，由阴影影部部分面积积相等等求得。其其中中My为截面相相应应于最不不利轴轴力时最最外层层钢筋首首次屈屈服时对对应的的初始屈屈服弯弯矩；Meq为相应应于于最不利利轴力力时截面面等效效屈服弯弯矩；；Mu为截面面极极限弯矩矩。此此外，由由于地地震为偶偶然荷荷载，因因而，验验算中采采用的的相应的的材料料强度均均为规规范中相相应的的标准值值，不不再考虑虑材料料的安全全分项项系数。采用纤维单元，对对各控制截面面进行划分（如如图5.45.55），应用实实际的钢筋和和混凝土应力力－应变关系系，计算了各各控制截面的的弯矩－曲率率关系，从而而得到各控制制截面的初始始屈服弯矩MMy和等效屈服服弯矩Meq。图5.4主墩验验验算截面示示意意图图5.5主墩桩桩桩基（φ2..5m）E1地震作用下下下，结构构校核核目标是是主墩墩和桩基基础均均在弹性性范围围内工作作，其其地震反反应小小于初始始屈服服弯矩；；E22地震作用用下下，结构构校核核目标是是主墩墩、桩基基础可可出现微微小裂裂缝，不不影响响使用，主主墩墩、桩基基的地地震反应应小于于等效屈屈服弯弯矩。主墩和桩基的配配筋见见表5.8。主墩和桩基的抗抗震验验算见表表5.9以及及表表5.100所示示。表5.8主墩和和和桩基配筋筋表位置配筋形式全截面配筋率（%）主墩外壁2-28mmmm@15cccm内壁28mm@@115cm1.702.5m桩基2-28mm共共共计96根1.20表5.9最不利利利轴力下主主墩和桩基基初始屈屈服弯矩矩验算算（E1地震震作用）组合工况墩号位置最小轴力P(kkkN)弯矩M(kN··mm)初始屈服弯矩MMM(kNN·m)安全系数恒载±(纵向++竖向地地震作作用)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++竖向地地震作用)))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中中中，轴力力正值值表示压压力，负负值表示示拉力力。表5.10最不不不利轴力下下桥桥墩、主塔塔和和桩基截截面等等效屈服服弯矩矩验算（E22地震作用用）组合工况墩号位置最小轴力P(kkkN)弯矩M(kN··mm)等效屈服弯矩MMM(kNN·m)安全系数恒载±(纵向++竖向地地震作作用)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++竖向地地震作作用)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5.1000中，轴力力正正值表示示压力力，负值值表示示拉力。由表5.9、555.100可知知，在E1地地震作用用下，主墩墩和桩基弯弯矩最不利利截面弯矩矩均小于截截面初始屈屈服弯矩，均均保持在弹弹性范围之之内，满足足抗震性能能要求；在E2地震作用用下，主墩墩控制截面面面弯矩安安全系系数均大大于11，说明主主墩只发生生可修复复损伤，满满足抗震性性性能要求求。而桩基基在纵桥向向弯矩安安全系数数小于于1，说明桩桩基已经经进入入延性，不不满满足结构构抗震震性能要要求。6结构优化方案案案抗震计算算根据主桥结构地地地震响应应结果果，主墩墩承台台底在纵纵桥向向和横桥桥向地地震内力力响应应相当，而而基基础布置置纵桥桥向偏弱弱，因因此，综综合判判断，建建议主主墩基础础由原原来的2×33共6根2..5m桩基改改为3×3共共9根2.5mm桩基。新新修修改的桩桩基示示意图见见图66.1。图6.1新修改改改的桩基示示意意图6.1线性时程程程分析在原来的有限元元元模型基基础上上修改，对对修修改的模模型进进行线性性时程程分析，EE11、E2地震作作用用下的线线性时时程计算算结果，见见见表6.1～表6.3。表6.1结构各各主要部部位地地震响应应（EE1地震作用用）墩号部位横向+竖向反应应纵向+竖向反应应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结构构各主要部位位位地震响应应（EE2地震作用用）墩号部位横向+竖向反应应纵向+竖向反应应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6.3EEE2地震作作用用下控制制点的的位移（线线性性时程）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结构抗震震震验算主墩和桩基的配配筋与与5.5节相同同。主墩和桩基的抗抗震验验算见表表6.4以及表6..5所示。表6.4最不利利利轴力下主主墩和桩基基初始始屈服弯弯矩验验算（E1地地震作用用）组合工况墩号位置最小轴力P(kkkN)弯矩M(kN··mm)初始屈服弯矩MMM(kNN·m)安全系数恒载±(纵向++竖向地地震作作用)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++竖向地地震作作用)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1209241