大桥抗震分析报告.docx

小砂沟大桥抗震分析报告西南交通大学土木工程学院桥梁工程系2014年1月目录第1章概述11.1 前言11.2 结构概况21.3 概况71.4 设计依据及规范81.4.1 设计依据81.4.2 设计规范91.4.3 参考规范：91.5 主要设计指标及计算参数91.5.1 技术标准91.5.2 主要建筑材料10第2章地震动输入112.1 计算方法112.2 抗震设计参数11第3章桥梁动力特性分析123.1 动力分析模型建立123.1.1 主梁截面123.1.2 桥墩截面123.2 桩基础133.3 桥梁自振特性分析18第4章时程响应分析254.1 地震波的选择及输入254.2 荷载组合284.3 El地震作用下地震时程计算结果294.4 E2地震作用下地震时程计算结果35第5章桥梁抗震评价455.1 验算截面的弯矩曲率曲线455.2 El地震作用下结构的验算465.2.1 墩柱、承台、桩抗弯强度验算46522墩柱、承台抗剪强度验算495.3 E2地震作用下结构的验算515.3.1 墩柱、承台、桩抗弯强度验算515.3.2 桥墩位移能力验算54533墩柱、承台抗剪强度验算55第6章结论建议58附表159第1章概述1.1 前言我国位于世界上两大地震带，即环太平洋和亚欧地震带之间，是全球大陆地区中最活跃的地震区之一。1976年唐山地震(M7.8)、2008年汶川地震(M8.0)、2012年芦山地震(M7.0)都带来了巨大的人员伤亡和财产损失。研究近二十年来世界上发生的主要破坏性地震，可以发现这些地震灾害的共同特点。由于桥梁工程遭到严重破坏，切断了震区交通生命线，造成救灾工作的巨大困难，引发次生灾害，从而加重地震灾害的严重性。随着现代城市人口的大量聚集和经济的高速发展，对交通线的依赖性越来越强，而一旦地震使交通线遭到破坏，可能导致的生命财产以及间接经济损失也将会越来越巨大。因此加强抗震理论研究，重视工程抗震尤其是生命线工程的抗震设计就显得尤为重要。国内外学者针对桥梁的抗震设计进行了大量的研究，也制定了相关桥梁抗震规范，如2006年颁布的铁路工程抗震设计规范指出，该规范适用于跨度小于15Om的钢梁及跨度小于12Om的铁路钢筋混凝土和预应力混凝土等梁式桥的抗震设计；2008年公布的公路桥梁抗震设计细则适用于主跨不超过150m的梁桥和拱桥；1996年公布的美国AASHTo规范一抗震设计篇中，也规定该规范只适用普通钢、混凝土梁和箱梁桥；日本道路桥示方书同解说一耐震设计篇指出，该规范适用于跨径小于20Om的桥梁。拟建大桥位于兰州市青白石街道所辖境内，根据2012年9月23日由业主“兰州国投公司”和兰州铁路局共同组织召开的“北环路东段小砂沟大桥上跨包兰铁路方案审查会”的评审意见，铁路局已经批准了该桥型方案作为北环路东段上跨包兰铁路的实施方案。桥址区属黄土高原梁卵沟壑区，地形起伏，两侧山坡半坡基岩广泛出路，地面高程介于1534166Om之间，相对高差约126m。桥址大小里程纵横断面均较陡，桥址中部较缓，周围多为荒山。一旦在地震条件下发生损坏，将造成极大损失，因此针对该桥进行地震响应计算，对评价结构设计的合理性与抗震性能，完善该桥的抗震设计具有重要的意义。抗震设计的具体要求如下：(1)采用时程分析计算桥梁的地震响应;(2)对桥梁的抗震性能进行评价。1.2 结构概况拟建的北环路是兰州市规划的“二环路”重要组成部分，是兰州城市东西大通道之一。该路线在K29+538处上跨小砂沟，桥位附近小砂沟河段顺直，桥位与该河主水流方向正交，河床两岸基本无植物，河底为砂质；路线在K29+549上跨一条宽3.5米的水泥路。右线在K29+608位置采用100m主跨上跨包兰铁路,左线在ZK29+595位置也采用100m主跨上跨包兰铁路，公路与包兰铁路斜交10。根据道路的地理位置，结合城市总体规划，该道路功能定位为城市主干道。本桥采用2x40+(57+2xl00+57)m跨径，全桥布置见图1-1。图11小砂沟大桥桥型布置图上部结构中(57+2xl00+57)m主桥采用波形钢腹板连续刚构，主桥主梁截面见图1-2和图l-3o2×40m引桥采用装配式预应力佐连续箱梁，引桥主梁截面见图1-4和图l-5o下部结构主墩及交接墩采用变截面矩形空心墩，具体见图1-6和图l-7o引桥桥墩采用双柱式矩形墩；具体见图l-8o桩帽式桥台，钻孔灌注桩基础，具体见图1-9、图1-10至图1-11。图12主桥混凝土梁横断面图（单位：CIn）1500前27045q-100-660图L3主桥波形钢腹板梁横断面图（单位:28000/2图L4引桥主梁跨中横断面图（单位：Cm）S82O“J?1616.67m3T25-图15引桥主梁支点横断面图（单位：CIn）W>>>s3113图16主桥桥墩一般构造图图（单位：Cm）图1-7交接墩一般构造图图（单位:1:200A1:2001200_3吻3970用（工八工7!150.J35.J80105501801160§图L8引桥桥墩一般构造图图（单位：Cm）图1-9主桥两中间桥台及钻孔桩一般构造图图（单位：Cm）11601A4949IAn1.3 概况地震作用理论研究地震时地面运动对结构物产生的动态效应，结构的地震响应取决于地震动和结构动力特性两个方面，因此，地震响应分析方法的发展是随着人们对这两方面的认识逐渐深入而提高的。地震反应分析方法的发展经过了静力、反应谱、动力三个阶段。桥梁结构地震分析方法也随着地震灾害的不断发生经历了从静力法到动力法的演变过程。人们对结构多维地震响应研究主要从反应谱和动力研究这两个阶段进行的，相应的形成三种方法，即：反应谱分析方法、时程分析方法和随机分析方法。目前世界各国的桥梁抗震设计规范中普遍采用的是确定性地震反应分析方法，主要有静力法、反应谱法、时程分析法和非线性静力分析法，其中前两种方法是主要分析方法，时程分析法是一种辅助校核方法，而非线性静力分析方法则用于确定桥梁结构的破坏机制和抗震能力的评估。翰力法由日本学者提出，静力理论不考虑建筑物的动力特性。假设建筑物为绝对刚性，地震时建筑物与地面运动完全一致，建筑物的最大加速度等于地面运动的最大加速度。建筑物所受到的最大地震载荷等于其质量与地面最大加速度的乘积。静力法将地震加速度作为结构地震破坏的唯一因素，从动力学角度看，这种方法忽略了结构的动力特性，在理论上有极大的局限性。不过静力法概念简单，对于整体刚度较大的结构或构件是适用的，至今在桥台和挡土结构的抗震设计中仍采用静力法。非线性静力分析（PUShOVer分析）基于结构在预先假定的一种分布侧向力作用下，考虑结构中的各种非线性因素，逐步增加结构的受力，直到在结构中形成机构为止，在这个分析过程中，得到结构的力与变形的全过程曲线。尽管侧向分布力是一种静力荷载，但整个分析过程可以近似反映结构在地震作用下某一瞬间的动力响应。非线性Pushover分析方法作为一种简单有效的抗震性能评估方法广泛应用于建筑结构抗震设计中，在桥梁抗震性能评估方面已有不少应用实例，但基本还没有被应用到设计分析中，对这种方法如何应用于抗震设计分析，还需要更多的实践经验。反应谱法采用“地震荷载”的概念，从地震动出发求解结构的最大地震反应,该方法同时考虑了地面运动特性和结构的动力特性（自振周期、振型和阻尼）之间的关系。国内外学者针对反应谱法的主要研究有以下几个方面：长周期设计反应谱值的正确估计；反应谱组合方法的研究：先后提出的组合方法又：SRSS,CQC,IGQC,SUM,DSC,分组法等。非弹性反应谱的研究：随着延性抗震研究的不断深入，人们对非弹性谱兴趣增强。目前新西兰规范中就纳入了非弹性反应谱的概念。考虑地震动空间变化的反应谱法。反应谱方法通过反应谱概念巧妙的将动力问题静力化，概念简单、计算方便，可以用较少的计算量获得结构的最大反应谱值。因此，世界各国规范都把它作为一种基本的分析手段。动力时程分析法以输入适合的地震动为出发点，其中考虑了结构、土和深基础相互作用、地震波相位差及不同地震波多分量多点输入等因素，采用多节点多自由度的结构有限元动力计算模型建立地震动方程，然后采用数值方法对方程进行求解，计算地震过程中每一瞬时结构的位移、速度和加速度反应，从而可以分析出结构在地震作用下的内力变化乃至构件逐步开裂、损坏的全过程。时程分析法可以通过振型叠加法和直接积分法来实现。振型叠加法只能用于线性时程分析；直接积分法是将时间全程Td分为n个相等的时间区间t,采用一定的积分格式在各步长的时间点上确定运动方程解。动力时程分析法是随着强震记录的丰富和计算机计算的广泛应用而发展起来的。动力理论考虑了反应谱不能概括的其他特性。但动态时程分析法计算量大。耗时多，因此大多数国家的抗震设计规范中对中小跨度桥梁仍采用反应谱分析方法计算，对重要、复杂、大跨的桥梁抗震计算建议采用动态时程分析法、本报告针对小砂沟大桥进行抗震分析，研究方法采用首先建立全桥桩-墩-上部结构的全桥空间有限元模型，然后进行地震作用下的内力和变形计算，结合设计规范要求，来评价该桥的地震计算结果及抗震性能。具体进行分析时，根据现有地质资料合理确定地震动输入，采用时程分析进行不同水平地震动作用下的效应计算。1.4 设计依据及规范1.4.1 设计依据（I）关于兰州市北环路（二环）东段工程项目建议书的批复（2）关于兰州市北环路（二环）东段工程可行性研究报告的批复(3)甘肃省住房和城乡建设厅关于兰州市北环路(二环)东段(109国道一白道坪)工程初步设计的批复(4)其他的有关纪要、协议、合同等1.4.2 设计规范(1)城市桥梁设计规范CJJ11-2011(2)城市道路工程设计规范CJJ37-2012(3)市政公用工程设计文件编制深度规定(建设部,2004年)(4)公路桥涵设计通用规范(JTGD602004)(5)公路坊工桥涵设计规范(JTGD61-2005)(6)公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTGD62-2004)(7)公路桥涵地基与基础设计规范(JTGD63-2007)(8)城市桥梁抗震设计规范(CJJI66-2011)(9)组合结构桥梁用波形钢腹板(JT/T784-2010)(10)公路波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥设计规范(DB41/T643-2010)(11)公路桥涵钢结构及木结构设计规范(JTJ025-86)(12)铁路桥梁钢结构设计规范(TB10002.2-2005J461-2005)(13)公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件(JT/T722-2008)(14)公路桥涵施工技术规范(JTG/TF50-20U)1.4.3 参考规范：(1)混凝土