桥梁抗震计算书讲解

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1、工程编号：SZ2012-38海口市海口湾灯塔酒店景观桥工程桥梁抗震计算书设计人：校核人：审核人：海口市市政工程设计研究院HAIKOU MUNICIPAL ENGINEERING DESIGN & RESEARCH INSTITUTE2012年09月目录1 工程概况 - 1 -2 地质状况 - 1 -3 技术标准 - 2 -4 计算资料 - 2 -5 作用效应组合 - 3 -6 设防水准及性能目标 - 3 -7 地震输入 - 4 -8 动力特性分析 - 5 -8.1动力分析模型- 5 -8.2动力特性- 6 -9 地震反应分析及结果 - 6 -9.1反应谱分析- 6 -9.1.1 E1 水准结构

2、地震反应 - 6 -9.1.2 E2 水准结构地震反应 - 7 -10 地震响应验算 - 8 -10.1墩身延性验算- 10 -10.2桩基延性验算- 10 -10.3支座位移验算- 1111结论 - 11 -12抗震构造措施 - 11 -12.1墩柱构造措施- 12 -12.2结点构造措施- 12 -1 工程概况海口湾景观桥全桥24m桥宽。桥梁全长666.08米，等高梁跨径布置有4x35m, 3x35m两种形式。桥墩为标准双柱式桥墩，墩柱高度在5.297m12.079m之间。 单柱墩底尺寸为2.2x2.0m。桩基为81200钻孔灌注桩。本报告截取最不利一联 P12P16 进行计算。桥梁部分桥

3、跨布置图如下：图 1-1 桥梁部分桥跨布置图2 地质状况根据野外鉴别、原位测试结合室内土工试验成果，本次钻探揭露0m深度范围 内的地层综合划分为5 个岩性单元层，岩土层自上至下分别为： 素填土（Q4mi）：灰黄色，稍湿，稍密状，主要由石英质中粗砂人工回填而 成，含较多碎石块，已完成自身固结，人工填岛堤岸及施工便道均为抛石。该层仅 在ZK0钻孔有揭露，揭露厚度3.30m，层顶高程5.45m。 淤泥（Q4m）：深灰色，饱和，流塑软塑状，主要由粘性土组成，切面光滑， 干强度中等，韧性高，具有腐臭味，土质污手，该层层表呈现为淤泥混砂和流泥状 下套管时可依靠自重下落，层底呈软塑状粘土。该层全场均有分布，

4、厚度8.00 11.40m平均厚度9.60m，层顶埋深0.003.30m,层顶高程2.15-5.45m。 粘土（Q2m）：棕红色、灰黄、灰色，湿，可塑可塑偏软，主要由粘性土组 成，局部含较多中粗砂，韧性中等，干强度高，切面光滑，稍有光泽反应，无摇震 反应。该层在钻孑ZK0ZK6 ZK7-左、ZK7-右、ZK8-左、ZK7ZK9补、ZK11补、 ZK13补和ZK15彳卜有揭露，厚度1.20-4.90m,平均厚度2.59m，层顶埋深8.0014.80m,层顶高程8.50-17.41m。 粗砂（Q2m）：灰黄、灰色，湿，中密状，主要由石英质粗砂组成，含少量粘 性土，分选性较差，颗粒级配一般，胶结性一

5、般。该层在钻ZK9ZK1久ZK8-右、 ZK7ZK9补、ZK11补、ZK13ZK15补有揭露，厚度0.506.10m,平均厚度2.12m，层顶埋深10.60-14.80m层顶高程10.98-19.41血 粉质粘土 N2m）：深灰色、青灰色，可塑-硬塑-坚硬状，以硬塑和坚硬状 为主，主要由粘性土组成，含少量中粗砂，岩芯呈土柱状 -坚硬薄饼状，局部夹 半岩状硬夹层，切面稍有光滑，具有光泽反应，无摇振反应，干强度较高，韧性 中等。该层全场均有揭露未钻穿，层顶埋深9.9019.20m层顶高程10.4（-20.61m。3 技术标准1）荷载等级：城市一A级；2）人群荷载： 3.5kN /m2；3）抗震设防

6、烈度： 8 度，设计基本地震加速度峰值： 0.3g；4）抗震设防类别：丁类，设计方法： B 类，抗震设防措施等级： 8 级；5）场地类型：11类；6）环境类别：111类；7）桥梁设计基准期： 100 年；4 计算资料1）计算软件： Midas Civil20112）支座类型：铅芯隔震橡胶支座。3）支座参数：中墩支座高度为 320mm，平面尺寸 1320mm X 1320mm，水平刚度12.5kN /mm边墩支座高度为 268mm， 平面尺寸 770mmX 770mm， 水平刚 度4.1kN /mm ；4）立柱：立柱底平面尺寸：2000 X 2200mm，立柱顶平面尺寸:2000 X 2400m

7、m（中墩），2000X2600mm （边墩），墩柱高度在5.297m12.079m之间； 墩柱底部截面配两层32钢筋，共80根。延伸至墩身以上4米处内层钢 筋截断， 4 米以上墩身变为一层钢筋，共 40 根。墩身底以上 4 米范围内 箍筋采用16100钢筋，4米以上采用16150钢筋。5）承台：承台尺寸为横桥向长14.4m,纵桥向宽5.4m，高2.5m。横桥向底 层主筋为单层32130钢筋，顶层为主筋为16130钢筋；横桥向底 层主筋为单层32130钢筋，顶层为主筋为16130钢筋；箍筋为 16130钢筋，全部采用HRB335钢筋。主筋保护层厚度为60mm，箍筋 保护层厚度 30mm。6）桩基

8、：桥墩位处一共8根钻孔灌注桩，桩长为L=51.0m,桩径1.2m。桩身 配筋为：主筋28共22 根,其中11根为通长筋，11根在距桩底20m处 截断；箍筋为10螺旋钢筋，在距承台底2m范围内为加密段，间距为 100mm，其余部分间距为200mm。主筋保护层厚度为8mm，箍筋保 护层厚度 30mm。5 作用效应组合地震作用为偶然作用，根据公路桥涵通用设计规范、城市桥梁抗震设 计规范、公路桥梁抗震设计细则（下简称抗震细则）的规定，确定以下4 种偶然效应组合。 E1纵向组合：恒载+E1纵向地震效应； E1横向组合：恒载+E1横向地震效应； E2纵向组合：恒载+E2纵向地震效应； E2横向组合：恒载+

9、E2横向地震效应；6 设防水准及性能目标1）根据城市桥梁抗震设计规范，该桥的抗震设防标准为丁类，因为该 桥为大桥，本次设计同样考虑 E2 地震作用效应。2）根据抗震细则，该桥的抗震性能分析，采用二水准设防、两阶段设计和 基于结构性能的抗震设计思想。根据震后结构修复的难易程度以及相应的经济损 失所决定的风险程度。结合城市桥梁抗震设计规范于抗震细则，本次抗震重要性系数 Ci 取值 如表 6-1 所示。桥梁主要构件的性能目标如表 6-2 所示。表 6-1 抗震重要性系数 CiE1地震作用E2地震作用市政桥梁0.351.7表 6-2 桥梁结构抗震性能目标设防地震水准结构性能要求结构校核目标E1地震作用

10、桩基础在弹性范围内工作地震反应小于首次屈服弯矩桥墩在弹性范围内工作地震反应小于首次屈服弯矩支座不发生剪坏验算支座剪力、位移E2地震作用桩基础基本在弹性范围内工作地震反应小于等效屈服弯矩墩柱保证不倒塌或严重结构损伤可按延性构件设计支座可以剪坏，但保证不落梁验算限位挡块强度7 地震输入根据抗震细则规定，阻尼比 0.05 的水平设计加速度反应谱取为：S (5.5T + 0.45)maxS =SmaxS (T / T)max g其中，S 为水平设计加速度反应谱最大值S= 2.25CCCA , T为特征maxmaxi s d g周期。C 为抗震重要性系数， C 为场地系数， C 为阻尼调整系数， A 水

11、平向设计 i s d基本地震动加速度峰值。根据设计原则和地质报告，桥梁场地为II类场地，设防烈度区为8度区，按8度设防。T取为0.55s,场地系数c取为1.0；桥梁阻尼比为0.05，阻尼调整系 gs数C，为1,水平向设计基本地震动加速度峰值A为0.3g。E1和E2水准下，主桥 d水平向设计加速度反应谱如4-1、4-2所示。3.69 =064D.43E0&43.39 =064D. 23=064D.1?EO640.旧 50641a.（M493E40.013.E11.D11.51 Z.Cl 2.E13.01 J. 51 斗门 1 斗日 S.flL 5.51d.01周期（秒）图7-2 E2水准下水平向

12、设计加速度反应谱8动力特性分析8.1动力分析模型桥梁动力特性分析采用离散结构的有限单元方法，有限元计算模型均以顺桥 向为X轴，横桥向为Y轴，竖向为Z轴。主梁，桥墩和桩基均离散为空间的梁 单元，承台模拟为质点，用等效土弹簧模拟桩土相互作用。与分析对象相接的两联作为边界条件参与建模。结构动力特性和地震反应分8.2动力特性根据图8-1的动力计算模型，对桥梁进行动力特性分析。表8-1桥梁结构周期以及振型描述振型顺序周期(s)振型描述11.95墩梁纵向振动20.99墩梁横向振动30.91主梁竖弯40.88主梁竖弯50.73主梁竖弯9地震反应分析及结果9.1反应谱分析采用E1和E2两种概率水平、阻尼比为5

13、%的设计反应谱对该桥进行抗震性 能分析。E1水准下采用毛截面刚度；E2水准下延性构件采用折减刚度，其他构 件采用毛截面刚度。振型组合方式为CQC。911 E1水准结构地震反应墩柱及桩基控制截面的地震反应计算结果汇于表9-1表9-6内。表9-1单柱控制截面内力最大值(E1纵向地震输入)跨径(m)构件截面位置地震轴力(kN)地震纵向 剪力(kN)地震纵向弯矩(kN.m)4x35#01单柱墩底623173072#02单柱墩底1204284770#03单柱墩底1264274770#04单柱墩底1314324772#05单柱墩底653173063表9-2单柱控制截面内力最大值(E1横向地震输入)跨径(m

14、)构件截面位置地震轴力(kN)地震横向 剪力(kN)地震横向弯矩(kN.m)4x35#01单柱墩底2874803284#02单柱墩底3765714413#03单柱墩底3775704407#04单柱墩底3725714412#05单柱墩底2804813290表9-3单桩控制截面内力最大值(E1横向地震输入)跨径(m)构件截面位置地震轴力(kN)地震剪力(kN)地震弯矩(kN.m)4x35#01桩顶531174380#02桩顶624179381#03桩顶635179359#04桩顶632182386#05桩顶5331743769.1.2 E2 水准结构地震反应支座地震反应如下表：墩柱及桩基控制截面的

15、地震反应计算结果汇于表9-表9-内。表9-4单柱控制截面内力最大值(E2纵向地震输入)跨径构件截面位置地震轴力地震纵向地震纵向弯矩(m)(kN)剪力(kN)(kN.m)4x35#01单柱墩底789599288#02单柱墩底236129614421#03单柱墩底176129514422#04单柱墩底228131314421#05单柱墩底829659224表9-5单柱控制截面内力最大值(E2横向地震输入)跨径(m)构件截面位置地震轴力(kN)地震横向 剪力(kN)地震横向 弯矩(kN.m)#01单柱墩底868145212368#02单柱墩底11371727105924x35#03单柱墩底11391

16、72510615#04单柱墩底1138172710542#05单柱墩底847145312423表9-6单桩控制1截面内力最大值(E2彳.黄向地震输入)跨径(m)构件截面位置地震轴力(kN)地震剪力(kN)地震弯矩(kN.m)4x35#01016055281148#02018895421150#03018885411149#04018905421148#0501603527114810 地震响应验算桥梁抗震的目标是减轻桥梁工程的地震破坏，保障人民生命财产的安全，减 少经济损失。因此，既要使震前用于抗震设防的经济投入不超过我国当前的经济 能力，又要使地震中经过抗震设计的桥梁的破坏程度限制在人们可以

17、承受的范围 内。换言之，需要在经济与安全之间进行合理平衡，这是桥梁抗震设防的合理安 全度原则。综合考虑工程造价、结构遭遇的地震作用水平、紧急情况下维持交通能力的必要性以及结构的耐久性和修复费用等因素，来确定对应地震水平下结构的抗震 性能目标。桥梁结构抗震性能目标及检算准则见表6-2。桥墩的初始屈服弯矩为截面最外层钢筋首次屈服（考虑相应轴力）时对应的 弯矩，当地震反应小于初始屈服弯矩时，整个截面保持在弹性。而等效屈服弯矩 为根据截面M 分析（考虑相应轴力），把截面M 曲线等效为双线性所得 到得等效屈服弯矩，此时，截面发生有限损伤，部分钢筋进入屈服，裂缝宽度可 能超过容许值，但混凝土保护层还是完好

18、，结构整体反应还在弹性范围。极限弯矩为截面所能承受的最大弯矩。如图10-1、10-2所示。n:卄iiZ尸ui厶L:：40血邸吧:rr:图10-1桥墩截面能力计算示意图0510Cugtune hIN (Ijm图10-2桩基截面能力计算示意图将永久作用和地震作用进行最不利组合，根据现行规范计算截面强度或采用 纤维单元进行m分析，计算桥梁各个控制截面的抗弯能力，从而进行抗震性 能验算。10.1 墩身延性验算由以上计算可知地震作用在顺桥向效应最大，因此以顺桥向为控制计算表 10-1 墩底截面顺桥向抗弯承载能力位置恒载轴力开裂弯矩屈服弯矩极限弯矩(kN)(kN m)(kN m)(kN m)墩底11550

19、78253514847987表 10-2 地震作用下顺桥向抗弯承载力验算恒载 轴力 (kN)E1地震抗弯验算E2地震抗弯验算计算弯矩(kN m)开裂弯矩(kN m)是否满足计算弯矩(kN m)屈服弯矩(kN m)极限弯矩(kN m)是否满足1155047707825是144223514847987是E1 地震下墩底截面计算弯矩小于开裂弯矩，墩底处于弹性状态； E2 地震 下墩底截面计算弯矩大于开裂弯矩，小于屈服弯矩，保护层混凝土已开裂。因此， 桥墩墩身满足地震下受力要求，满足两阶段设防水准要求。10.2 桩基延性验算表 10-3 桩基截面抗弯承载能力位置恒载轴力开裂弯矩屈服弯矩极限弯矩(kN)

20、(kN m)(kN m)(kN m)墩底2887159425343367表 10-4 地震作用下桩基截面抗弯承载力验算恒载 轴力 (kN)E1地震抗弯验算E2地震抗弯验算计算弯矩(kN m)开裂弯矩(kN m)是否满足计算弯矩(kN m)屈服弯矩(kN m)极限弯矩(kN m)是否满足28873861594是115025343367是El地震下桩基截面计算弯矩小于开裂弯矩，桩基截面处于弹性状态；E2地 震下桩基截面计算弯矩大于开裂弯矩，小于屈服弯矩，保护层混凝土已开裂。因 此，桥墩桩基满足地震下受力要求，满足两阶段设防水准要求。10.3 支座位移验算表 10-5 E1 地震下支座位移验算支座类

21、型支座型号容许位移(mm)顺桥向位移验算横桥向位移验算最大位移(mm)是否满足最大位移(mm)是否满足铅芯橡胶 隔震支座J4Q10048是13是表 10-6 E2 地震下支座位移验算支座类型支座型号容许位移(mm)顺桥向位移验算横桥向位移验算最大位移(mm)是否满足最大位移(mm)是否满足铅芯橡胶 隔震支座J4Q100112否(支座被剪断)43是E2 地震下支座的计算位移小于支座的容许地震位移，且有较大富裕，支座满足地震下位移和受力要求。11 结论在立柱满足抗震细则关于延性构造措施要求，并且支座水平承载力设计值满足要求的情况下，经过抗震计算，本桥抗震分析结果如下：1) E1 地震作用下，支座水

22、平位移小于其水平容许值，下部结构立柱及桩基处于弹性状态，满足结构处于弹性状态的抗震性能目标要求。2) E2 地震作用下，桥墩出现塑性铰，各个能力保护构件强度满足要求， 满足结构不倒塌的抗震性能目标要求。3) E2地震作用下，所有墩支座均被剪坏，限位块间隙10cm，不会发生落梁灾害。墩柱及桩基保持在弹性范围，满足抗震性能目标要求。12 抗震构造措施根据抗震细则第 8 章的规定，本工程桥梁延性构造措施如下12.1 墩柱构造措施1) 墩墩塑性铰区域内，箍筋采用加密布置，间距为 100mm；2) 墩身箍筋采用直径等于16mm的HRB335级钢筋；3) 墩身纵向钢筋对称布置，纵向钢筋的面积均大于0.006Ah，且不超过 0.04Ah，其中Ah为墩柱截面面积；4) 螺旋式箍筋的接头采用对接，矩形箍筋应有 135弯勾，并伸入核心混 凝土之内 6ds 以上。5) 墩柱纵向钢筋伸至承台的另一侧面，纵向钢筋的锚固和搭接长度应在现 行公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTGD62)要求的 基础上增加 10ds，ds 为纵向钢筋直径，不应在塑性铰区域进行纵向钢 筋的连接。6) 塑性铰加密区域配置的箍筋深入到承台1. 0m。12.2 结点构造措施由于支座剪断，墩柱保持弹性状态，结点区域未出现塑性铰，该区域箍筋可 按构造配置。