宁夏永宁黄河桥引桥抗震报告.docx

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宁夏永宁黄河桥引桥抗震报告

永宁黄河大桥引桥抗震分析结果

1工程概况

1.1副桥（50.5+6x90+50.5）

宁夏永宁黄河大桥工程，副桥采用（50.5+6x90+50.5）m预应力混凝土变截面连续箱梁。

上部结构为单箱单室箱型梁，顶宽16.5米，采用直腹板，底板宽9.25米，翼缘长3.625米，中支点梁中心高度为5.8米，边支点梁中心高度为2.25米，以腹板高度变化适应桥面2.0%的横坡；跨中断面顶板厚28厘米，顶板厚度在墩顶附近变为70厘米；跨中断面底板厚30厘米，中支点处底板厚为85厘米，梁底下缘和底板上缘均按二次抛物线变化；腹板厚度在跨中及边支点附近为60厘米，中支点附近加厚至90厘米。

顶板、底板及腹板厚度的确定在考虑受力及构造要求的同时，重视混凝土结构耐久性的要求，保证外层钢筋的净保护层厚度在3.0厘米以上而定。

跨中设一道60厘米厚横隔板。

图1-1主桥桥型布置图

下部结构墩身采用花瓶形空心墩，图1-2。

墩身顺桥向宽3.5米、壁厚0.8米,横桥向底宽7.25米、壁厚1.0米。

墩身下设承台，承台高3.5米，基础采用9根桩径1.8米钻孔灌注桩。

为了和引桥T梁双柱式墩协调过渡，边墩墩身采用双矩形空心墩，墩身顺桥向宽2.6米、壁厚0.7米，横桥向宽3.0米、壁厚0.5米。

墩身下设承台，承台高3米，基础采用6根桩径1.8米钻孔灌注桩。

图1-2斜拉桥与连续箱梁桥联接墩立面图

1.2引桥（50mT梁）

引桥跨径布置为4*50+36。

上部结构为50m预应力混凝土T梁，下部结构为双柱式框架墩，图1-3。

图1-3斜拉桥与连续箱梁桥联接墩平面图

1.3引桥（30mT梁）

2设防标准与性能目标

根据《公路桥梁抗震细则》，引桥抗震设防类别为B类。

对应E1地震作用和E2地震作用下的地震重现期分别为100年和2000年。

表1列出了对应于两级设防水准下的总体性能目标以及分别按延性体系和减隔震体系的各部分具体性能目标。

表2-1设防标准与对应的性能目标

设防地震概率水平

重现期

结构性能要求

E1地震作用

100年

结构总体上一般不发生损坏或不需修复可继续使用。

对于延性抗震体系，主梁、墩柱、盖梁、基础以及支座各部分均应基本保持弹性；

对于减隔震体系，主梁、墩柱、盖梁和基础应基本保持弹性，橡胶类减隔震支座宜控制剪应变在100%范围内，其他减隔震装置应不超过其最大变形能力；

E2地震作用

2000年

应保证不倒塌或产生严重结构损伤，经临时加固后可满足应急交通使用：

对于延性抗震体系，主梁、盖梁、基础应基本保持弹性，墩柱可进入塑性但不应超出其极限延性能力以防止倒塌，上下部结构之间传力路径有效；

对于减隔震体系，主梁、墩柱、盖梁和基础应基本保持弹性，橡胶类减隔震支座宜控制剪应变在250%范围内，其他减隔震装置应不超过其最大变形能力；

3地震动输入

3.1反应谱

根据宁夏地震工程研究所提供的宁夏永宁黄河公路大桥及连接线工程场地地震安全性评价报告，场地地表水平加速度按下式取用：

其中

为设计地震动峰值加速度，

为设计地震动加速度放大系数反应谱，

为地震影响系数最大值。

且有：

表3.1给出了对应于不同超越概率水准的反应谱参数值

表3.1设计地震动水平向峰值加速度及反应谱（5％阻尼比）参数值

位置

发生概率

Amax（gal）

T1（s）

T2（s）

βm

γ

αmax

地面

100年重现期

115

0.10

0.41

2.40

0.9

0.28

2000年重现期

403

0.10

0.47

2.45

0.9

0.99

图3.1-1给出了水平加速度反应谱图示

图3.1-1E1、E2地震动加速度反应谱

3.2加速度时程

图3.2-1～3.2-6分别列出了地震安评报告提供的阻尼比0.05时E1和E2地震动输入情况下的加速度时程曲线。

图3.2-1水平加速度时程相位1曲线（阻尼比0.05，E1地震输入）

图3.2-2水平加速度时程相位2曲线（阻尼比0.05，E1地震输入）

图3.2-3水平加速度时程相位3曲线（阻尼比0.05，E1地震输入）

图3.2-4水平加速度时程相位1曲线（阻尼比0.05，E2地震输入）

图3.2-5水平加速度时程相位2曲线（阻尼比0.05，E2地震输入）

图3.2-6水平加速度时程相位3曲线（阻尼比0.05，E2地震输入）

4副桥（50.5+6x90+50.5）抗震性能分析

4.1结构动力模型

利用sap2000建立了永宁黄河大桥副桥空间有限元分析模型，见图4.1-1。

其中桥墩、主梁均采用空间梁柱单元进行模拟，承台采用质点进行模拟，二期恒载模拟为分布质量，桩基础采用6×6子结构刚度模拟桩土相互作用，土弹簧刚度均是通过m法获得；支座模拟为主从约束。

图4.1-1结构动力分析模型

4.2动力特性

根据建立的动力计算模型，采用子空间迭代法求解桥梁结构动力特性。

成桥阶段前10阶结构自振频率及振型特性如表4.2-1所示，前10阶振型图如4.2-1～4.2-10所示。

表4.2-1动力特性

振型阶数

周期（s）

频率（Hz）

振型描述

1

2.088

0.479

纵向同向振动

2

2.088

0.479

纵向反向振动

3

1.145

0.687

竖向同向振动

4

1.145

0.687

竖向反向振动

5

1.321

0.756

竖向同向振动

6

1.321

0.756

竖向反向振动

7

1.051

0.952

竖向同向振动

8

1.051

0.952

竖向反向振动

9

0.696

1.435

横向振动

10

0.664

1.506

横向振动

图4.2-1第一阶振型

图4.2-2第二阶振型

图4.2-3第三阶振型

图4.2-4第四阶振型

图4.2-5第五阶振型

图4.2-6第六阶振型

图4.2-7第七阶振型

图4.2-8第八阶振型

图4.2-9第九阶振型

图4.2-10第十阶振型

4.3结构抗震体系

由于场地地震动作用较大，同时结构墩身较矮，宜采用减隔震体系进行设计。

减隔震支座采用NDQZ支座，其实质为钢支座与软钢阻尼器的组合体，如图4.3-1所示。

其水平限位方向力学模型如图4.3-2所示，水平活动方向力学模型如图4.3-3所示。

图4.3-1NDQZ支座

图4.3-2限位方向力学模型

图4.3-3水平活动方向力学模型

各中墩均采用NDQZ支座，边墩采用普通双向滑动球钢支座。

同时，为满足长联结构在纵向上的温度变形需要，依次考虑不同的自由滑动间隙，但最大间隙不宜大于±250mm。

具体布置如表4.3-1所示。

表4.3-1支座布置方案

墩号

支座型号

纵向间隙位移（mm）

32

GPZ-3.5MN-SX

33

NDQZ-30MN-ZX-e200

200

34

NDQZ-30MN-ZX-e100

100

35

NDQZ-30MN-ZX-e100

100

36

NDQZ-30MN-GD

0

37

NDQZ-30MN-ZX-e100

100

38

NDQZ-30MN-ZX-e100

100

39

NDQZ-30MN-ZX-e200

200

40

GPZ-3.5MN-SX

滑动支座采用双线性关系进行模拟，如图4.3-1所示。

图4.3-1水平活动方向力学模型

4.4地震反应分析

4.4.1E1地震作用下的主要结构响应

根据结构设防性能目标，在E1地震作用下，主梁、墩柱、基础等主体结构均保持弹性，但减隔震支座可以进入到塑性状态，为此，在分析中，采用非线性时程的分析方法，地震输入分别采用纵向输入和横向输入两种方式，每种方式下计算三条时程波，结果取三条时程波的最大响应。

4.4.1.1纵桥向

各墩在纵向地震作用下的最大结构响应均出现在墩底，结果如表4.4-1所示；表4.4-2给出了各墩位处的承台底最大地震内力响应，根据该内力响应，反算得到最不利单桩的地震响应，见表4.4-3所示；减隔震支座的地震响应则见表4.4-4，包括最大水平力响应以及最大剪切变形响应。

表4.4-1墩底地震响应

墩号

动轴力

（kN）

动剪力

（kN）

动弯矩

（kN*m）

32

68.515

461.283

5300.389

33

197.108

1530.933

18050.967

34

209.494

1533.523

18766.695

35

325.874

1549.776

19660.129

36

61.741

2901.992

34586.988

37

237.576

1549.002

21235.098

38

179.846

1553.768

21827.113

39

189.043

1553.902

22644.793

表4.4-2承台底地震响应

墩号

动轴力

（kN）

动剪力

（kN）

动弯矩

（kN*m）

32

124.922

1229.220

9745.070

33

183.553

2593.498

21875.972

34

223.923

2609.051

22532.175

35

293.314

2640.065

23400.029

36

63.868

3824.821

45557.353

37

292.481

2668.015

24788.163

38

168.639

2668.303

25472.420

39

181.542

2672.247

26195.734

表4.4-3单桩地震响应

墩号

动轴力

（kN）

动剪力

（kN）

动弯矩

（kN*m）

32

854.8

204.9

356.5

33

1027

288.2

755.7

34

1054

289.9

756.4

35

1094

293.3

761

36

1927

425

1017

37

1142

296.4

760.7

38

1151

296.5

755.8

39

1177

296.9

751.9

表4.4-4支座响应

墩号

动剪力

（kN）

顺桥向位移

（m）

32

70.165

0.049

33

542.873

0.046

34

540.045

0.046

35

543.269

0.047

36

2551.821

0.040

37

547.247

0.047

38

547.857

0.046

39

553.659

0.046

40

70.131

0.040

4.4.1.2横桥向

各墩墩底在横向地震作用下的最大内力响应见表4.4-5所示，其中，32号墩为框架墩，表中给出的是其中一个立柱的响应，可见除了动弯矩响应以外，还有一定幅度的动轴力响应，其余各墩为单柱墩，主要表现为动弯矩响应，动轴力响应则较小；表4.4-6给出了各墩位处的承台底最大地震内力响应，根据该内力响应，反算得到最不利单桩的地震响应，见表4.4-7所示；减隔震支座的地震响应则见表4.4-8，包括最大水平力响应以及最大剪切变形响应。

表4.4-5墩底地震响应

墩号

动轴力

（kN）

动剪力

（kN）

动弯矩

（kN*m）

32

562.451

584.609

3434.018

33

1.065

2530.750

33631.399

34

2.054

2668.419

37195.392

35

3.608

2828.650

39818.839

36

5.331

2905.991

41795.147

37

5.717

2912.187

42712.696

38

4.931

2768.114

42887.017

39

9.990

2641.643

44294.604

表4.4-6承台底地震响应

墩号

动轴力

（kN）

动剪力

（kN）

动弯矩

（kN*m）

32

1.835

1470.972

17497.291

33

0.990

3343.352

44302.825

34

2.229

3567.652

48869.794

35

3.985

3660.209

52593.172

36

5.804

3686.393

55665.577

37

6.411

3725.454

56410.980

38

5.606

3685.343

55164.461

39

10.429

3437.373

53651.459

表4.4-7单桩地震响应

墩号

动轴力

（kN）

动剪力

（kN）

动弯矩

（kN*m）

32

1059

245.2

611.6

33

1733

371.5

853.4

34

1899

396.4

899.9

35

2026

406.7

906.5

36

2125

409.6

894.7

37

2152

413.9

903.1

38

2109

409.5

897.7

39

2036

381.9

822.4

表4.4-8支座响应

墩号

动剪力

（kN）

横桥向位移

（m）

32

70.151

0.045

33

2401.435

0.041

34

2506.789

0.049

35

2528.813

0.052

36

2530.912

0.052

37

2533.346

0.054

38

2502.691

0.050

39

2401.504

0.042

40

70.157

0.047

4.4.2E2地震作用下的主要结构响应

同样，在E2地震作用下，采用非线性时程的分析方法，地震输入分别采用纵向输入和横向输入两种方式，每种方式下计算三条时程波，结果取三条时程波的最大响应。

4.4.2.1纵桥向

各墩在纵向地震作用下的最大结构响应均出现在墩底，结果如表4.4-9所示；表4.4-10给出了各墩位处的承台底最大地震内力响应，根据该内力响应，反算得到最不利单桩的地震响应，见表4.4-11所示；减隔震支座的地震响应则见表4.4-12，包括最大水平力响应以及最大剪切变形响应。

表4.4-9墩底地震响应

墩号

动轴力

（kN）

动剪力

（kN）

动弯矩

（kN*m）

32

195.619

1693.648

18952.160

33

516.770

5348.245

52442.254

34

597.023

5472.141

57809.047

35

659.518

5525.912

60639.809

36

161.189

5177.576

56456.328

37

498.286

5574.704

66015.586

38

462.281

5617.332

68577.102

39

553.116

5616.433

69989.219

表4.4-10承台底地震响应

墩号

动轴力

（kN）

动剪力

（kN）

动弯矩

（kN*m）

32

395.812

5869.411

49183.275

33

520.205

9687.285

77390.122

34

600.206

9312.010

81253.311

35

662.955

9303.002

84025.545

36

162.418

9851.688

81709.964

37

499.897

9317.445

89582.759

38

463.568

9338.992

92671.258

39

556.839

9830.455

94763.938

表4.4-11单桩地震响应

墩号

动轴力

（kN）

动剪力

（kN）

动弯矩

（kN*m）

32

4319

978.2

1904

33

3738

1076

3053

34

3833

1035

2900

35

3932

1034

2882

36

3861

1095

3090

37

4101

1035

2858

38

4203

1038

2850

39

4339

1092

3015

表4.4-12支座响应

墩号

动剪力

（kN）

顺桥向位移

（m）

32

69.99

0.20

33

2700.00

0.19

34

3032.02

0.18

35

3033.22

0.18

36

2848.64

0.18

37

3030.36

0.18

38

3026.65

0.18

39

2654.06

0.19

40

69.95

0.19

4.4.2.2横桥向

与E1地震作用下的地震响应规律相类似，32号墩除了动弯矩响应以外，还有较大幅度的动轴力响应，其余各墩则主要表现为动弯矩响应，结果见表4.4-13；表4.4-14给出了各墩位处的承台底最大地震内力响应，根据该内力响应，反算得到最不利单桩的地震响应，见表4.4-15所示；减隔震支座的地震响应则见表4.4-16，包括最大水平力响应以及最大剪切变形响应。

表4.4-13墩底地震响应

墩号

动轴力

（kN）

动剪力

（kN）

动弯矩

（kN*m）

32

1717.816

1524.261

8923.872

33

2.447

4424.187

52642.146

34

5.275

4474.162

56487.327

35

7.635

4572.315

59150.444

36

9.910

4613.186

62061.145

37

10.714

4701.363

63941.901

38

10.735

4760.705

66265.459

39

22.919

4756.128

72691.853

表4.4-14承台底地震响应

墩号

动轴力

（kN）

动剪力

（kN）

动弯矩

（kN*m）

32

2.990

5268.467

46515.468

33

2.359

9059.543

75623.423

34

4.263

9111.695

79658.142

35

7.264

9191.712

82470.251

36

8.664

9319.464

86054.676

37

10.769

9313.103

88130.458

38

10.997

9297.916

90215.394

39

21.862

9342.471

95262.398

表4.4-15单桩地震响应

墩号

动轴力

（kN）

动剪力

（kN）

动弯矩

（kN*m）

32

3053

878.1

2422

33

3360

1007

2797

34

3495

1012

2796

35

3593

1021

2810

36

3721

1035

2838

37

3787

1035

2826

38

3851

1033

2810

39

4018

1038

2802

表4.4-16支座响应

墩号

动剪力

（kN）

横桥向位移

（m）

32

69.94

0.18

33

2818.79

0.18

34

2834.33

0.19

35

2848.13

0.19

36

2849.76

0.19

37

2848.03

0.19

38

2836.24

0.19

39

2822.71

0.18

40

69.93

0.18

4.5抗震性能验算

4.5.1荷载组合与性能验算

在进行结构抗震性能验算时，采用的荷载组合为恒载作用与地震作用的最不利组合，具体如下：

对于轴力的组合，当进行墩底和桩基截面抗弯强度验算时，由于钢筋混凝土结构的抗弯能力在低轴压比条件下总是随截面验算轴力的减小而减小，因此当地震产生的动轴力与恒载轴力方向相反时截面的受力更为不利，此时取动轴力为拉力与恒载轴力组合进行抗弯强度验算。

而当进行单桩承载力验算时，其实质是对单桩的轴向承载力进行验算，地震作用轴力与恒载轴力保持同向时单桩所受的轴力最大也最不利，因此此时取动轴力为压力与恒载轴力组合进行抗弯强度验算。

对于剪力和弯矩的组合，则直接采用恒载作用与地震作用下的绝对值相加则为最不利组合。

对于减隔震支座的变形验算，参照《城市桥梁抗震设计规范》，还考虑50%的均匀温度作用效应。

对两级地震下的强度和变形验算，主要的原则和标准如下：

对于墩柱、桩基等最不利截面抗弯强度的验算，截面抗弯能力取截面的等效屈服弯矩，采用Ucfyber软件对纤维截面模型进行

分析得到（见图4.5-1所示）。

其中，在E1地震作用下，各材料强度的取值均为设计强度；在E2地震作用下，各材料强度的则取标准强度。

32～39号墩柱墩底截面纤维模型见图4.5-2～4.5-3（暂按1.5%配筋率假设），1.8m桩基的截面纤维模型见图4.5-4。

图4.5-1截面等效屈服弯矩计算示意图

图4.5-232墩底截面纤维模型（1.5%的配筋率）

图4.5-333～39墩底截面纤维模型（1.5%的配筋率）

图4.5-4桩基截面纤维模型

4.5.2E1地震作用下的性能验算

（由于减隔震体系的抗震性能通常由E2地震作用控制，暂未给出）

4.5.3E2地震作用下的性能验算

4.5.3.1纵向输入

表4.5-9列出了墩底截面强度验算结果，其中验算轴力取得是动轴力为拉力时与恒载轴力进行组合，表4.5-10为桩身强度的验算结果，验算轴力的取法与表4.5-9中相同，单桩承载力的验算见表4.5-11，验算轴力取动轴力为压力与恒载轴力进行组合，支座变形验算见表4.5-12。

表4.5-9墩底截面强度

墩号

验算轴力

（kN）

弯矩需求

（kN）

弯矩能力

（kN*m）

能力/需求

32

6942.597

18952.160

40340

2.13

33

57450.472

52442.254

225674.028

4.30

34

59226.066

57809.047

227766.519