大桥抗震分析报告.docx
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大桥抗震分析报告
XX市XX路工程
XX大桥抗震分析报告
20年月
一、工程概况
XX市XX路XX大桥为两联等截面连续梁,每联为四跨(4×40m),总桥面宽为33.5m由左右两半幅桥面组成,每半幅桥的上部结构均由5片预应力混凝土小箱梁组成(见图1.2)。
下部结构采用等截面矩形空心薄壁墩、直径1.5m为桩基础。
桥跨的总体布置见图1.1。
图1.1XX大桥立面示意图
图1.2上部结构断面图
图1.3下部结构构造图
联间墩设GYZ450X99型圆形板式支座,每片梁下为两个支座,联端为活动盆式支座。
桥上二期恒载(含桥面铺装、栏杆、防撞墙和上水管等)为21.7kN/m。
主梁为C50混凝土、盖梁和桥墩为C35混凝土,桩基础为C25混凝土。
主梁混凝土的容重取26kN/m3、其它的容重取25kN/m3,混凝土的其它参数均按现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》取值,见表1.1。
表1.1计算参数取值
混凝土弹模(107kPa)
弹簧刚度(kN/m)
主梁
盖梁
桥墩
承台
桩
一个支座弹簧
3.23
3.15
3.15
3.15
2.80
2688
基础土对桩基础对的约束作用采用弹簧模拟,弹簧的刚度用m法计算。
查《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTGD63-2007),静力计算时土的m值取10000kN/m4,动力计算时处取m动=2×m=20000kN/m4。
桩径d=1.5m,桩形状换算系数kf=0.9,桩的计算宽度b0=1.0×0.9×(1.5+1)=2.25m。
建立有限元模型,桩基划分为单元长1m,在每个节点设水平节点弹性支承,弹簧刚度:
K=1×2.25×20000×Z=4500Z(kN/m)
式中,Z为设置弹簧处距地面的距离。
二、设计规范和标准
1、设计规范
(1)《城市桥梁设计准则》(CJJ11-93)
(2)《城市桥梁设计荷载标准》(CJJ77-98)
(3)《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)
(4)《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)
(5)《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTGD63-2007)
(6)《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/TB02-01-2008)
2、设计标准:
(1)立交等级:
城市枢纽型互通式立交;道路等级:
城市I级主干道
(2)设计荷载:
城-A级(公路-I级)
(3)设计基准期:
100年
(4)设计安全等级:
二级;结构重要性系数:
1.0
(5)抗震设防烈度8度,设计地震加速度峰值0.20g
(6)场地类别为II类场地,特征周期0.40s
三、设防标准、性能目标及计算方法
根据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/TB02-01-2008)(以下简称“抗震细则”)的规定,进行本工程的抗震设计和计算。
1、设防标准
本桥为城市I级主干道上的中小桥梁,抗震设防类别为B类,必须进行E1地震作用和E2地震作用下的抗震设计,还必须按为9级进行抗震设防措施设计。
2、性能目标
本桥E1地震作用和E2地震作用对应的抗震重要性系数分别为0.43和1.3,对应的设计地震重现期大约分别为75年和1000年。
E1地震作用下抗震设防目标是结构一般不受损伤或不需修复可继续使用;
E2作用下的抗震设防目标是应保证不致倒塌或产生严重结构损伤,经临时加固后可供维持应急交通使用。
3、计算方法
本工程采用“两水准设防、两阶段设计”方法进行设计计算。
第一阶段采用弹性抗震设计,即在E1地震作用下要求结构保持弹性,按规范规定验算构件强度,采用反应谱方法计算。
第二阶段采用延性抗震设计方法,即对应E2地震作用时,保证结构具有足够的延性能力大于延性需求,由于桥梁非规则采用非线性时程方法计算结构的非线性地震反应。
并通过引入能力保护原则,确保塑性铰只在选定的位置出现,且不出现剪切破坏等破坏模式。
表3.1XX市XX路XX大桥抗震设防水准和抗震性能目标
设防水准
抗震性能目标
计算方法
地震重现期75年
(E1水准)
桥墩不受损坏或不需修复可继续使用;
盖梁保持弹性;
桩基保持弹性;
支座保持正常工作状态。
反应谱法
地震重现期1000年
(E2水准)
桥墩保证不致倒塌或产生严重结构损伤,经临时加固后可供维持应急交通使用;
盖梁基本保持弹性,不作为耗能构件,保护层不剥落;
桩基基本保持弹性,不作为耗能构件,保护层不剥落;
支座基本保持正常工作状态。
非线性时程分析法
四、动力分析模型及自振特性分析
结构系统无阻尼自由振动的频率和相应振型(以下简称自振特性)是结构体系的重要动力特征,同时它对于求解结构的动力反应也具有十分重要的意义。
分析和认识桥梁墩的动力特性是进行地震反应分析和抗震设计的基础。
桥墩的自振特性分析的目的就是求出桥墩的自振周期和相应的振型。
1、动力分析模型
全桥共划分1079个单元,996个节点,主梁及桥墩采用空间梁单元模拟,地基土对桩基础的约束作用及联间橡胶支座用弹簧来模拟。
其中0#、8#台及4#墩为活动支座约束,计算模型见图4.1~图4.3。
图4.1动力计算模型
图4.23~6号墩处模型局部放大图
(i)主梁端部断面示意图(ii)主梁中部断面示意图
图4.3主梁断面示意图
2全桥自振特性分析
部分自振周期及相应振型描述列于表4.1,振型示于图4.4~图4.13。
表4.1自振周期及其相应振型描述
振型
自振周期(s)
振型描述
第一振型
2.39
第一联(1#、2#及3#墩柱)顺桥向弯曲振动
第二振型
2.07
第二联(5#、6#及7#墩柱)顺桥向弯曲振动
第三振型
0.93
第一联横桥向扭转振动
第四振型
0.83
第三联横桥向扭转振动
第五振型
0.81
第二联(3#、4#及5#墩柱)横桥向弯曲振动
第六振型
0.74
第一联顺桥向弯曲振动
第七振型
0.70
第三联顺桥向弯曲振动
第八振型
0.65
第二联横桥向弯扭振动
第九振型
0.63
5#墩及相邻桥面的顺桥向弯曲振动
第十振型
0.60
4#墩及相邻桥面的顺桥向弯曲振动
图4.4第1阶振型
图4.5第2阶振型
图4.6第3阶振型
图4.7第4阶振型
图4.8第5阶振型
图4.9第6阶振型
图4.10第7阶振型
图4.11第8阶振型
图4.12第9阶振型
图4.13第10阶振型
五、E1水准地震反应分析
本桥为直线桥,只考虑水平向地震作用,分别考虑顺桥向X和横桥向Y的地震作用。
地震作用采用设计加速度反应谱表征。
1、规范水平设计加速度反应谱
阻尼比为0.05,阻尼比调整系数Cd=1.0,II类场地系数Cs=1.0,桥址位置的特征周期Tg=0.40s,抗震重要性系数Ci=0.43
Smax=2.25CiCsCdA=2.25×0.43×1.0×1.0×0.20g=0.1935g
水平设计加速度反应谱S由下式确定:
图5.1水平加速度反应谱曲线
2、反应谱内力计算
图5.2顺桥向弯矩图
图5.3顺桥向剪力图
图5.4横桥向弯矩图
图5.5横桥向剪力图
表5.1反应谱内力汇总
墩号
顺桥向地震力
横桥向地震力
墩底
承台底
墩底
承台底
弯矩
(kNm)
剪力
(kN)
弯矩
(kNm)
剪力
(kN)
弯矩
(kNm)
剪力
(kN)
弯矩
(kNm)
剪力
(kN)
1#
21651
1071
26554
1357
44141
1819
53143
1995
2#
20098
951
24091
1219
59173
2118
69704
2272
3#
20934
1009
25321
1350
68299
2515
80934
2676
4#
17016
984
21315
1267
48186
1735
56648
1927
5#
18531
939
22587
1231
55663
2142
66361
2283
6#
19230
1015
23821
1304
41108
1781
49961
1939
7#
17239
1301
23866
1541
39584
2583
52974
2744
六、E2水准地震反应分析
采用非线性时程分析方法计算模型关键部位的位移与内力。
1、地震动参数
非线性时程分析的加速度地震波为规范反应谱人工合成地震动。
E2水准对应的3条水平加速度地震波见图6.1~图6.3。
图6.1第1条人工合成地震动
图6.2第2条人工合成地震动
图6.3第3条人工合成地震动
2、等效塑性铰区长度计算
在E2地震作用下,桥梁可按《抗震细则》7.4.3条计算单柱墩墩底塑性铰区域的等效塑性铰长度Lp,计算公式如下,取两式计算结果的较小值:
式中,H为悬臂墩的高度或塑性铰截面到反弯点的距离(cm);
b为矩形截面的短边尺寸(cm);
fy为纵向钢筋抗拉强度标准值(MPa);
ds为纵向钢筋的直径(cm)。
XX大桥各墩的等效塑性区长度计算见表6.1。
表6.1等效塑性铰区长度计算
项目
1#
2#
3#
4#
5#
6#
7#
b
2.5
2.5
2.5
2.5
2.5
2.5
2.5
2/3b
1.7
1.7
1.7
1.7
1.7
1.7
1.7
LP1/m
1.7
1.7
1.7
1.7
1.7
1.7
1.7
H/m
27.0
31.0
30.0
32.0
29.0
26.0
16.0
0.08H/cm
216.0
248.0
240.0
256.0
232.0
208.0
128.0
fy/MPa
335.0
335.0
335.0
335.0
335.0
335.0
335.0
ds/mm
28.0
28.0
28.0
28.0
28.0
28.0
28.0
fy×ds
938.0
938.0
938.0
938.0
938.0
938.0
938.0
LP2/cm
236.6
268.6
260.6
276.6
252.6
228.6
148.6
0.044fy×ds
41.3
41.3
41.3
41.3
41.3
41.3
41.3
LP2/m
2.4
2.7
2.6
2.8
2.5
2.3
1.5
LP/m
1.7
1.7
1.7
1.7
1.7
1.7
1.5
3、桥墩塑性铰区截面的弯矩-曲率分析
混凝土桥墩的抗弯强度是通过截面的轴力-弯矩-曲率
分析来得到,截面的
关系曲线采用条带法计算。
首先,根据截面特性将截面划分成为图6.4中左图所示的条带。
在划分条带时将约束混凝土、无约束混凝土及钢筋分别划分,其中保护层的混凝土、约束混凝土的应力-应变关系采用Mander模型计算。
用条带法计算
关系曲线时采用逐级加变形法计算。
将计算出的弯矩-曲率全过程曲线转换成图6.5所示的等效双线性骨架曲线。
图6.4截面
曲线的条带法计算示意图
φu
φ
0
φy
φeq
Mu
Meq
M
My
图6.5屈服曲率和等效屈服曲率定义
XX大桥1#~7#桥墩的弯矩-曲率全过程曲线与等效双线性曲线,见图6.6~图6.9及表6.2。
图6.91#墩顺桥向的弯矩-曲率曲线
图6.72#~6#墩顺桥向的弯矩-曲率曲线
图6.87#墩顺桥向的弯矩-曲率曲线
图6.81#墩横桥向的弯矩-曲率曲线
表6.2弯矩-曲率计算
墩号
顺桥向
横桥向
My
y
Mu
u
Meq
eq
My
y
Mu
u
Meq
eq
kNm
1/m
kNm
1/m
kNm
1/m
kNm
1/m
kNm
1/m
kNm
1/m
1#
7.68E4
1E-3
9.08E4
1.06E-2
8.68E4
1.11E-3
1.69E5
2.89E-4
1.76E5
1.56E-3
1.76E5
1.49E-4
2#
7.88E4
1E-3
9.31E4
1.02E-2
8.88E4
1.11E-3
1.84E5
2.89E-4
1.92E5
1.45E-3
1.84E5
1.49E-4
3#
7.88E4
1E-3
9.31E4
1.02E-2
8.88E4
1.11E-3
1.84E5
2.89E-4
1.92E5
1.45E-3
1.84E5
1.49E-4
4#
7.88E4
1E-3
9.31E4
1.02E-2
8.88E4
1.11E-3
1.84E5
2.89E-4
1.92E5
1.45E-3
1.84E5
1.49E-4
5#
7.88E4
1E-3
9.31E4
1.02E-2
8.88E4
1.11E-3
1.84E5
2.89E-4
1.92E5
1.45E-3
1.84E5
1.49E-4
6#
7.88E4
1E-3
9.31E4
1.02E-2
8.88E4
1.11E-3
1.84E5
2.89E-4
1.92E5
1.45E-3
1.84E5
1.49E-4
7#
7.45E4
1E-3
8.80E4
1.10E-2
8.48E4
1.10E-3
1.61E5
2.89E-4
1.68E5
1.56E-3
1.61E5
1.49E-4
4、全桥非线性时程反应分析
XX大桥非线性时程反应内力列于表6.3及表6.4。
表6.3顺桥向时程地震力
截面
内力
第1条波
第2条波
第3条波
最大值
1#
墩底
弯矩(kNm)
58892
52970
52005
58892
剪力(kN)
2879
2773
2566
2879
承台底
弯矩(kNm)
74001
68344
63122
74001
剪力(kN)
3222
3396
3499
3499
2#
墩底
弯矩(kNm)
54106
54136
50098
54136
剪力(kN)
2379
2525
2630
2630
承台底
弯矩(kNm)
66349
66615
61123
66615
剪力(kN)
2877
3059
3625
3625
3#
墩底
弯矩(kNm)
55919
55470
47703
55919
剪力(kN)
2521
2734
2597
2734
承台底
弯矩(kNm)
69168
70021
57174
70021
剪力(kN)
2948
3334
3359
3359
4#
墩底
弯矩(kNm)
38113
35894
45681
45681
剪力(kN)
2473
2279
2232
2473
承台底
弯矩(kNm)
52923
46508
57579
57579
剪力(kN)
3290
3141
2825
3290
5#
墩底
弯矩(kNm)
54014
57402
40578
57402
剪力(kN)
2352
2776
2461
2776
承台底
弯矩(kNm)
65085
69560
54893
69560
剪力(kN)
2887
3360
3023
3360
6#
墩底
弯矩(kNm)
57357
54945
45829
57357
剪力(kN)
2736
2741
2725
2741
承台底
弯矩(kNm)
71559
68754
59708
71559
剪力(kN)
3073
3380
3431
3431
7#
墩底
弯矩(kNm)
48417
52381
41768
52381
剪力(kN)
3428
3558
3140
3558
承台底
弯矩(kNm)
67188
71303
58838
71303
剪力(kN)
3697
4147
3521
4147
表6.4横桥向时程地震力
截面
内力
第1条波
第2条波
第3条波
最大值
1#
墩底
弯矩(kNm)
140399
127135
133793
140399
剪力(kN)
5915
5258
5081
5915
承台底
弯矩(kNm)
173710
155602
162483
173710
剪力(kN)
6095
5625
4898
6095
2#
墩底
弯矩(kNm)
154404
160796
158398
160796
剪力(kN)
5287
5706
5422
5706
承台底
弯矩(kNm)
183087
191564
188090
191564
剪力(kN)
5380
6259
5356
6259
3#
墩底
弯矩(kNm)
122574
176124
`165690
176124
剪力(kN)
4659
6852
5921
6852
承台底
弯矩(kNm)
149115
216006
199289
216006
剪力(kN)
4977
7156
5944
7156
4#
墩底
弯矩(kNm)
101111
108896
122049
122049
剪力(kN)
3414
4060
4213
4213
承台底
弯矩(kNm)
118946
130909
144845
144845
剪力(kN)
4077
4504
4382
4504
5#
墩底
弯矩(kNm)
167974
169760
165278
169760
剪力(kN)
6356
6391
6185
6391
承台底
弯矩(kNm)
202791
204529
199343
204529
剪力(kN)
6387
6953
6135
6953
6#
墩底
弯矩(kNm)
126783
108770
120901
126783
剪力(kN)
5631
4940
4954
5631
承台底
弯矩(kNm)
158458
135857
148356
158458
剪力(kN)
5963
5436
4869
5963
7#
墩底
弯矩(kNm)
101507
102977
122411
122411
剪力(kN)
6922
7072
8345
8345
承台底
弯矩(kNm)
143121
144717
172754
172754
剪力(kN)
7007
7435
8471
8471
XX大桥的非线性时程位移列于表6.5及表6.6。
表6.5墩顶时程位移
墩号
顺桥向墩顶位移/m
横桥向墩顶位移/m
第1条波
第2条波
第3条波
最大值
第1条波
第2条波
第3条波
最大值
1#
0.106
0.096
0.094
0.106
0.042
0.037
0.039
0.042
2#
0.120
0.120
0.106
0.120
0.053
0.056
0.055
0.056
3#
0.113
0.113
0.102
0.113
0.040
0.058
0.054
0.058
4#
0.078
0.074
0.084
0.084
0.033
0.037
0.040
0.040
5#
0.105
0.111
0.088
0.111
0.053
0.053
0.052
0.053
6#
0.097
0.093
0.078
0.097
0.037
0.032
0.034
0.037
7#
0.048
0.051
0.042
0.051
0.022
0.023
0.027
0.027
表6.6顺桥向支座时程位移
墩号
顺桥向支座位移/m
第1条波
第2条波
第3条波
最大值
1#
0.070
0.087
0.074
0.087
2#
0.053
0.064
0.055
0.064
3#
0.061
0.074
0.063
0.074
5#
0.059
0.063
0.055
0.063
6#
0.077
0.080
0.070
0.080
7#
0.111
0.117
0.090
0.117
XX大桥的部分典型时程曲线示于图6.9~图6.14。
图6.9顺桥向2#墩顶位移时程曲线
图6.10顺桥向2#墩梁相对位移时程曲线
图6.11顺桥向2#墩底弯矩时程曲线
图6.12顺桥向2#墩底剪力时程曲线
图6.13横桥向3#墩顶位移时程曲线
图6.14横桥向3#墩底弯矩时程曲线
七、抗震验算
由《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)知,桥墩在地震(偶遇荷载)作用下只需进行承载能力验算。
由《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/TB02-01-2008)的第第9.4条,当桥墩截面的地震反应弯矩ME小于初始屈服弯矩My时,整个截面保持弹性,截面的裂缝宽度不会超过容许值,结构基本无损伤,能满足结构在弹性范围内工作的性能目标。
1、E1水准地震作用下的抗震验算
(1)桥墩的强度验算
顺桥向1#桥墩的地震作用控制设计,横桥向3#桥墩的地震作用控制设计。
取最不利桥墩的控制截面进行抗弯强度验算,列于表7.1。
表7.1桥墩的抗弯强度验算
顺桥向抗弯强度验算
横桥向抗弯强度验算
地震反应弯矩
ME
初始屈服弯矩
My
ME 验算结论 地震反应弯矩 ME 初始屈服弯矩 My ME 验算结论 21651kNm 7.68E4kNm 是 通过 68299kNm 1.84E5kNm 是 通过 结论: 由上表可知,E1水准地震作用下桥墩的抗弯强度满足要求。 (2)桩基础的强度验算
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