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抗震计算xxx大桥抗震研究最终报告

集美大桥抗震分析研究报告

同济大学土木工程防灾国家重点实验室

2006年11月15日

1工程概况1

2荷载工况5

2.1反应谱分析5

2.2地震时程分析7

第一部分主桥9

第二部分陆上引桥道路桥高墩联42

第三部分陆上引桥道路桥低墩联55

第四部分海上引桥高墩联68

第五部分海上引桥低墩联107

1工程概况

集美大桥是一项大型桥梁工程，主要包括海上及陆上两部分，海上桥梁长度约3.8km。

本次研究主要针对以下典型桥式进行抗震分析：

①55m+2×100m+55m预应力混凝土连续梁，见图1.1；②陆上引桥方案3×30m连续刚构道路桥（分别取高墩联及低墩联），见图1.2。

③海上引桥方案6×50m桥墩连续梁道路桥及3×50m桥墩连续梁BRT桥（分别取高墩联及低墩联），见图1.3；

主要研究内容有：

①建立了三种典型桥式的空间动力计算模型；

②采用反应谱方法研究了三种典型桥式的弹性地震反应；

③采用非线性时程分析了主桥及海上引桥采用减隔震设计后的减、隔震效果。

（a）立面图

（b）中间墩（c）过渡墩

图1.1主桥结构示意图

（a）陆上引桥高墩联

（b）陆上引桥低墩联

（c）陆上引桥墩柱构造

图1.2陆上引桥结构示意图

（a）海上引桥道路桥

（b）海上引桥BRT桥

（c）海上引桥墩柱构造

图1.3海上引桥结构示意图

2荷载工况

2.1反应谱分析

集美大桥及接线工程场址处地震基本烈度为Ⅶ度，综合场地土层反应分析，场地位于峰值加速度0.15g分区内，场地土按《公路工程抗震设计规范》判定为Ⅱ-Ⅳ类场地。

报告采用《厦门集美大桥及接线工程场地地震安全性评价》提供的地震动参数，两阶段抗震设防概率水准分别取50年超越概率10%和50年超越概率3%。

阻尼比为0.05的水平设计反应谱计算公式采用式2.1。

（2.1）

式中：

t——反应谱周期；

T1——反应谱平台起点周期；

Tg——反应谱特征周期；

β（t）——周期为t时反应谱；

βmax——反应谱最大值；

c——衰减系数。

对应地震影响系数为：

，其中K=Amax/1000。

相应的设计地震反应谱谱形参数值见表2.1。

竖向地震动反应谱取对应的水平向地震动峰值的2/3作为其加速度峰值，其谱形参数与水平向的谱形参数相同。

50年超越概率10%和50年超越概率3%的水平及竖向设计地震动反应谱Sa（T）曲线如图2.1～图2.2所示。

表2.1水平地震反应谱参数

超越概率水准

T1/s

Tg/s

βmax

Amax/gal

C

αmax/g

50年10%

0.10

0.70

2.3

161

1.1

0.370

50年3%

0.10

0.90

2.3

205

1.1

0.471

表2.2竖向地震反应谱参数

超越概率水准

T1/s

Tg/s

βmax

Amax/gal

C

αmax/g

50年10%

0.10

0.70

2.3

107

1.1

0.247

50年3%

0.10

0.90

2.3

136

1.1

0.314

图2.1水平向设计地震反应谱

图2.2竖向设计地震反应谱

采用图2.1中谱曲线作为水平方向输入反应谱，图2.2中谱曲线作为竖直方向输入反应谱。

计算时考虑两种工况：

纵桥向输入和横桥向输入。

工况一：

纵桥向地震输入+竖向地震输入；

工况二：

横桥向地震输入+竖向地震输入。

2.2地震时程分析

采用图2.3～图2.4所示的《厦门集美大桥及接线工程场地地震安全性评价》提供的50年超越概率10％水平和50年超越概率3％水平下残积土顶面（局部冲刷线位置附近）地震加速度时程曲线进行非线性地震时程分析。

图2.3水平方向加速度时程曲线（50年超越概率10%）

图2.4水平方向加速度时程曲线（50年超越概率3%）

分别计算地表面和基岩面50年超越概率10％水平下的地震响应，取该概率水平下相应的3条地震动时程曲线分别输入所得计算结果的平均值。

竖向地震动取对应的水平向地震动峰值的2/3作为其加速度峰值，计算时分别考虑两种工况：

纵桥向输入和横桥向输入。

工况一：

纵桥向地震输入+竖向地震输入；

工况二：

横桥向地震输入+竖向地震输入。

本报告分别对主桥、陆上引桥道路桥高墩联、陆上引桥道路桥低墩联、海上引桥高墩联、海上引桥低墩联进行动力特性、反应谱及非线性时程分析，且分五部分分别列出其计算结果。

第一部分主桥部分

1计算模型

采用Sap2000Nonlinear程序建立了集美大桥主桥的动力空间计算模型。

主桥混凝土箱梁、墩柱均采用三维弹性梁单元模拟，二期恒载等效为线质量均匀施加主梁上，承台质量等效为集中质量施加于承台重心处，群桩基础按局部冲刷线计算采用承台底弹簧模拟。

主桥计算模型见图1-1。

图1-1主桥计算模型示意图

主桥结构几何尺寸、质量、刚度基本呈对称分布，可以按对称结构建模，其墩梁连接形式见表1-1所示。

表1-1主桥墩梁连接形式

位置

x

y

z

Rx

Ry

Rz

22#墩

0

1

1

1

0

1

23#墩

0

1

1

1

0

1

24#墩

1

1

1

1

0

1

25#墩

0

1

1

1

0

1

26#墩

0

1

1

1

0

1

注：

1表中0表示自由，1表示主从。

2x表示纵桥向，y表示横桥向，z表示竖桥向，Rx表示绕x方向旋转，Ry表示绕y方向旋转，Rz表示绕z方向旋转。

2主桥动力特性

报告针对集美大桥主桥进行结构动力特性分析，并给出了对应的前20阶频率及部分振型图。

集美大桥主桥为55m+2×100m+55m预应力混凝土连续梁，主桥动力特性分析采用图1-1所示的计算模型，表2-1列出了主桥部分主要振型的周期、频率及振型特征。

图2-1～图2-10为主桥部分第1～10阶振型示意图。

表2-1主桥动力特性

振型阶数

周期（sec）

频率（Hz）

振型描述

1

2.062

0.485

BRT桥一阶纵弯

2

1.827

0.547

公路道路桥两幅一阶反对称纵弯

3

1.827

0.547

公路道路桥两幅一阶对称纵弯

4

1.285

0.778

BRT桥一阶横弯

5

1.085

0.922

公路道路桥左幅一阶横弯

6

1.085

0.922

公路道路桥右幅一阶横弯

7

1.077

0.929

BRT桥主梁一阶竖弯

8

1.057

0.946

BRT桥二阶横弯

9

1.032

0.969

公路道路桥主梁二阶对称竖弯

10

1.032

0.969

公路道路桥主梁二阶反对称竖弯

11

0.910

1.099

公路道路桥主梁二阶对称横弯

12

0.910

1.099

公路道路桥主梁二阶反对称横弯

13

0.866

1.155

14

0.788

1.269

15

0.788

1.269

16

0.741

1.349

17

0.661

1.512

18

0.661

1.512

19

0.643

1.555

20

0.617

1.620

图2-1第一阶振型

图2-2第二阶振型

图2-3第三阶振型

图2-4第四阶振型

图2-5第五阶振型

图2-6第六阶振型

图2-7第七阶振型

图2-8第八阶振型

图2-9第九阶振型

图2-10第十阶振型

3主桥反应谱分析结果

采用图2-1中谱曲线作为水平方向输入反应谱，图2-2中谱曲线作为竖直方向输入反应谱，分别计算纵桥向输入和横桥向输入两种工况下的结构响应。

3.1纵桥向地震50年超越概率10%

表3-1为主桥道路桥在50年超越概率10%纵桥向地震作用下墩柱墩底截面的剪力及弯矩值。

表3-1主桥道路桥墩底截面内力

位置

动轴力/kN

剪力/kN

弯矩/kN*m

22#墩

2641.35

2352.83

26586.84

23#墩

5159.13

2879.41

28663.30

24#墩

7493.59

16964.86

285708.57

25#墩

5158.91

2879.53

28664.77

26#墩

2641.21

2352.75

26585.51

表3-2为主桥BRT桥在50年超越概率10%纵桥向地震作用下墩柱墩底截面的剪力及弯矩值。

表3-2主桥BRT桥墩底截面内力

位置

动轴力/kN

剪力/kN

弯矩/kN*m

22#墩

2264.64

1970.13

24037.81

23#墩

4899.17

2528.35

27296.88

24#墩

6894.19

14132.09

252561.74

25#墩

4899.36

2528.36

27297.01

26#墩

2264.90

1970.15

24038.57

表3-3为主桥道路桥在50年超越概率10%纵桥向地震作用下的承台底反力。

表3-3主桥道路桥承台底反力

位置

竖向力/kN

水平力/kN

弯矩/kN*m

22#墩

3514.15

3608.07

34970.08

23#墩

6083.52

6161.27

46845.68

24#墩

8512.52

17550.39

354021.85

25#墩

6083.27

6161.12

46846.85

26#墩

3513.97

3608.04

34968.80

表3-4为主桥BRT桥在50年超越概率10%纵桥向地震作用下的承台底反力。

表3-4主桥BRT桥承台底反力

位置

竖向力/kN

水平力/kN

弯矩/kN*m

22#墩

2819.06

2950.66

30831.73

23#墩

5769.46

5586.84

43334.16

24#墩

7775.30

14736.78

309339.42

25#墩

5769.47

5586.91

43334.38

26#墩

2819.32

2950.73

30832.36

3.2横桥向地震50年超越概率10%

表3-5为主桥道路桥在50年超越概率10%横桥向地震作用下墩柱墩底截面的剪力及弯矩值。

表3-5主桥道路桥墩底截面内力

位置

动轴力/kN

剪力/kN

弯矩/kN*m

22#墩

2630.29

4121.01

66599.33

23#墩

5142.44

8975.58

174222.46

24#墩

7493.59

13853.55

286811.09

25#墩

5142.22

8975.67

174222.95

26#墩

2630.15

4120.96

66599.96

表3-6为主桥BRT桥在50年超越概率10%横桥向地震作用下墩柱墩底截面的剪力及弯矩值。

表3-6主桥BRT桥墩底截面内力

位置

动轴力/kN

剪力/kN

弯矩/kN*m

22#墩

2256.59

3223.08

58319.91

23#墩

4888.63

7012.11

141245.84

24#墩

6894.19

10915.15

232594.89

25#墩

4888.82

7012.13

141246.01

26#墩

2256.85

3223.12

58320.42

表3-7为主桥道路桥在50年超越概率10%横桥向地震作用下的承台底反力。

表3-7主桥道路桥承台底反力

位置

竖向力/kN

水平力/kN

弯矩/kN*m

22#墩

3505.82

4918.02

78788.30

23#墩

6069.22

9969.66

211146.51

24#墩

8512.52

15090.42

343650.72

25#墩

6068.97

9969.36

211147.38

26#墩

3505.64

4917.91

78788.53

表3-8为主桥BRT桥在50年超越概率10%横桥向地震作用下的承台底反力。

表3-8主桥BRT桥承台底反力

位置

竖向力/kN

水平力/kN

弯矩/kN*m

22#墩

2812.58

3833.49

67373.54

23#墩

5760.40

7970.29

169781.63

24#墩

7775.30

11954.13

276977.85

25#墩

5760.41

7970.23

169781.71

26#墩

2812.83

3833.48

67374.05

3.3纵桥向地震50年超越概率3%

表3-9为主桥道路桥在50年超越概率3%纵桥向地震作用下墩柱墩底截面的剪力及弯矩值。

表3-9主桥道路桥墩底截面内力

位置

动轴力/kN

剪力/kN

弯矩/kN*m

22#墩

3391.94

2995.84

33852.80

23#墩

6619.81

3666.33

36496.75

24#墩

9594.60

28480.62

479455.85

25#墩

6619.52

3666.48

36498.62

26#墩

3391.76

2995.74

33851.12

表3-10为主桥BRT桥在50年超越概率3%纵桥向地震作用下墩柱墩底截面的剪力及弯矩值。

表3-10主桥BRT桥墩底截面内力

位置

动轴力/kN

剪力/kN

弯矩/kN*m

22#墩

2906.89

2508.55

30607.15

23#墩

6281.48

3219.32

34756.90

24#墩

8827.14

23723.48

423843.07

25#墩

6281.73

3219.33

34757.06

26#墩

2907.22

2508.58

30608.12

表3-11为主桥道路桥在50年超越概率3%纵桥向地震作用下的承台底反力。

表3-11主桥道路桥承台底反力

位置

竖向力/kN

水平力/kN

弯矩/kN*m

22#墩

4506.99

4594.13

44527.12

23#墩

7801.27

7845.10

59648.23

24#墩

10899.21

29270.76

594298.66

25#墩

7800.94

7844.91

59649.72

26#墩

4506.75

4594.09

44525.50

表3-12为主桥BRT桥在50年超越概率3%纵桥向地震作用下的承台底反力。

表3-12主桥BRT桥承台底反力

位置

竖向力/kN

水平力/kN

弯矩/kN*m

22#墩

3615.33

3757.05

39257.80

23#墩

7394.49

7113.68

55177.04

24#墩

9955.30

24453.84

519283.78

25#墩

7394.51

7113.77

55177.31

26#墩

3615.65

3757.14

39258.59

3.4横桥向地震50年超越概率3%

表3-13为主桥道路桥在50年超越概率3%横桥向地震作用下墩柱墩底截面的剪力及弯矩值。

表3-13主桥道路桥墩底截面内力

位置

动轴力/kN

剪力/kN

弯矩/kN*m

22#墩

3367.75

5770.12

93976.20

23#墩

6584.24

14489.73

281947.74

24#墩

9594.60

23117.66

479519.81

25#墩

6583.96

14489.83

281948.63

26#墩

3367.58

5770.06

93977.01

表3-14为主桥BRT桥在50年超越概率3%横桥向地震作用下墩柱墩底截面的剪力及弯矩值。

表3-14主桥BRT桥墩底截面内力

位置

动轴力/kN

剪力/kN

弯矩/kN*m

22#墩

2889.27

4996.34

90408.22

23#墩

6259.27

11525.97

232742.63

24#墩

8827.14

18238.21

389325.43

25#墩

6259.52

11525.99

232742.93

26#墩

2889.61

4996.39

90408.88

表3-15为主桥道路桥在50年超越概率3%横桥向地震作用下的承台底反力。

表3-15主桥道路桥承台底反力

位置

竖向力/kN

水平力/kN

弯矩/kN*m

22#墩

4488.76

6869.99

111004.78

23#墩

7770.87

15856.55

341714.24

24#墩

10899.21

24914.35

574637.85

25#墩

7770.55

15856.16

341715.34

26#墩

4488.53

6869.82

111005.07

表3-16为主桥BRT桥在50年超越概率3%横桥向地震作用下的承台底反力。

表3-16主桥BRT桥承台底反力

位置

竖向力/kN

水平力/kN

弯矩/kN*m

22#墩

3601.15

5837.71

104597.79

23#墩

7375.46

12729.60

279837.25

24#墩

9955.30

19591.92

463660.53

25#墩

7375.48

12729.49

279837.41

26#墩

3601.48

5837.70

104598.45

4主桥非线性时程分析结果

活动盆式橡胶支座活动方向可用双线性理想弹塑性弹簧连接单元代表，其恢复力模式见图4-1。

活动盆式支座的临界滑动摩擦力按式（4-1）计算。

活动盆式支座临界滑动摩擦力

：

（4-1）

式中

滑动摩擦系数；

R支座所承担的上部结构重力。

图4-1活动盆式支座恢复力模式

采用非线性支座单元模拟单向活动盆式橡胶支座，主桥墩梁连接形式见表4-1所示。

表4-1主桥墩梁连接形式

位置

x

y

z

Rx

Ry

Rz

22#墩

2

1

1

1

0

1

23#墩

2

1

1

1

0

1

24#墩

1

1

1

1

0

1

25#墩

2

1

1

1

0

1

26#墩

2

1

1

1

0

1

注：

1表中0表示自由，1表示主从，2表示非线性支座单元。

2x表示纵桥向，y表示横桥向，z表示竖桥向，Rx表示绕x方向旋转，Ry表示绕y方向旋转，Rz表示绕z方向旋转。

4.1纵桥向地震50年超越概率10%

表4-2为主桥道路桥在50年超越概率10%纵桥向地震作用下墩柱墩底截面的剪力及弯矩值。

表4-2主桥道路桥墩底截面内力

位置

动轴力/kN

剪力/kN

弯矩/kN*m

22#墩

2020.59

2047.78

23179.34

23#墩

4941.86

2783.80

36022.57

24#墩

6388.82

10443.82

177830.81

25#墩

5160.45

2725.46

35840.58

26#墩

2092.96

2009.20

22017.28

表4-3为主桥BRT桥在50年超越概率10%纵桥向地震作用下墩柱墩底截面的剪力及弯矩值。

表4-3主桥BRT桥墩底截面内力

位置

动轴力/kN

剪力/kN

弯矩/kN*m

22#墩

1931.56

1592.79

18807.31

23#墩

4551.64

2364.28

33630.20

24#墩

6047.52

7875.84

145446.72

25#墩

4669.97

2374.86

33726.07

26#墩

2028.19

1597.24

18880.33

表4-4为主桥道路桥在50年超越概率10%纵桥向地震作用下的支座位移。

表4-4主桥道路桥支座位移

位置

Ux/m

Uy/m

Uz/m

22#墩

0.000

0.083

0.000

23#墩

0.000

0.068

0.000

24#墩（固定墩）

——

——

——

25#墩

0.000

0.068

0.000

26#墩

0.000

0.083

0.000

注：

Ux表示纵桥向位移，Uy表示横桥向位移，Uz表示竖桥向位移。

表4-5为主桥BRT桥在50年超越概率10%纵桥向地震作用下的支座位移。

表4-5主桥BRT桥支座位移

位置

Ux/m

Uy/m

Uz/m

22#墩

0.000

0.079

0.000

23#墩

0.000

0.065

0.000

24#墩（固定墩）

——

——

——

25#墩

0.000

0.066

0.000

26#墩

0.000

0.080

0.000

注：

Ux表示纵桥向位移，Uy表示横桥向位移，Uz表示竖桥向位移。

表4-6为主桥道路桥在50年超越概率10%纵桥向地震作用下的承台底反力。

表4-6主桥道路桥承台底反力

位置

竖向力/kN

水平力/kN

弯矩/kN*m

22#墩

3267.65

3287.65

30661.07

23#墩

6548.87

5472.71

51923.80

24#墩

7869.34

12287.37

217737.93

25#