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基于Midas/Civil的桥梁下部结构抗震计算分析与研究

 基于Midas/Civil的桥梁下部结构抗震计算分析与研究

摘要:文章以中山市石岐区广丰工业大道南六涌桥为工程背景,运用有限元软件Midas/Civil建立模型,根据抗震规范要求,运用反应谱法对桥梁下部墩柱分别进行E1、E2地震力作用下的受力分析,以指导结构设计。 

  关键词:Midas/Civil;桥梁下部结构;抗震计算 

  中图分类号:U442 文献标识码:A 文章编号:1009-2374(2014)09-0005-03 

  1 工程概况 

  本工程位于中山市石岐区岐港片区,广丰工业大道(石岐段)上,跨越现状南六涌,河涌宽约38m。根据水利及航道部门技术要求,南六涌无通航要求,水位受水系的水闸控制,设计洪水位取2.3m。根据现状河道走向、地形及周边环境,拟建桥梁与主河道斜交,约成30度角。桥跨布置为3×16m预应力砼简支空心板梁桥,共两幅,每幅桥宽20m。下部结构采用桩柱式桥墩,直径1m的柱接1.2m的钻孔灌注桩,桥台采用薄壁式台,桩基础,台前设4m长的M7.5浆砌片石铺砌,台后用碎石与粗砂混合料回填。 

  图1 广丰工业大道南六涌桥立面图 

  拟建桥梁两侧均有水泥路到达场地,交通较方便,原始地貌单元为珠江三角洲海陆交互沉积平原,地形开阔,无池塘、坑道、土洞等不良地质。区域内水网密布,地表水系发育,地下水对混凝土结构无腐蚀性。 

  2 技术指标 

  安全等级:二级; 

  设计基准期:100年; 

  环境类别:Ⅰ类环境; 

  设计速度:50; 

  设计荷载:公路-Ⅰ级; 

  净空:无通航净空要求; 

  地震动峰值加速度:0.1g。 

  3 结构荷载取值 

  3.1 永久作用 

  桥梁永久荷载考虑上部板梁自重及二期恒载,二期恒载包括桥面铺装和栏杆等,以均布荷载形式加载,合计95.4KN/m。下部桥墩自重。混凝土容重取26kN/m3,计算时将荷载转化为质量。 

  3.2 地震计算参数 

  根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)、《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)等相关资料,本项目区域地震基本烈度Ⅶ度(加速度取0.10g)。按《中国地震动参数区划图(GB18306-2001)》表3.1.2判定本桥梁按照B类桥梁进行抗震设防设计。 

  本桥所在地抗震设防烈度为Ⅶ度,场地类型为Ⅱ类,根据《抗震细则》的9.3.6条规定:“混凝土梁桥、拱桥的阻尼比不宜大于0.05”,因此在这里取阻尼比为0.05。 

  按《公路桥梁抗震设计细则》6.1.3,本桥属于规则的常规桥梁,抗震分析采用多振型反应谱法,水平设计加速度反应谱S由下式(规范5.2.1)确定: 

  式中: 

  Tg—特征周期(s) 

  T—结构自振周期(s) 

  —水平设计加速度反应谱最大值 

  Ci—抗震重要性系数 

  Cs—场地系数 

  Cd—阻尼调整系数 

  A—水平向设计基本地震加速度峰值 

  反应谱拟合的相关参数见表1: 

  4 工况组合 

  永久作用,主要考虑:上部结构重力(恒载)、预应力作用、土压力。 

  地震作用,地震动作用以及地震土压力。 

  E1地震作用:永久作用+地震作用; 

  E2地震作用:永久作用+地震作用+支座摩阻力; 

  图2 E1地震作用加速度反应谱 

  图3 E2地震作用加速度反应谱 

  4.1 计算软件及模型 

  本次计算选取Midas/Civil2013有限元软件,建立全桥整体有限元模型,考虑结构整体抵抗纵、横向地震作用的影响,模态组合采用CQC法。利用软件土弹簧工具模拟桩-土之间的相互作用,以达到最大限度真实的模拟下部桩基础;全桥模型如图4所示: 

  图4 广丰工业大道南六涌桥桥midas有限元模型 

  5 计算结果 

  5.1 E1地震作用纵、横桥向桥墩强度计算(抗震规范7.3.1) 

  根据计算结果,在最不利荷载组合工况下,E1地震顺桥向弯矩包络图及最大受力情况如图5和表2所示。 

  从桥墩顺桥向验算结果表中可以看出在E1地震作用下:桥墩强度满足现行规范要求。 

  根据计算结果,在最不利荷载组合工况下,E1地震横桥向弯矩包络图及最大受力情况如图6和表3所示。 

  图5 E1地震顺桥向弯矩包络图 

  图6 E1地震横桥向弯矩包络图 

  从桥墩横桥向验算结果表中可以看出在E1地震作用下:桥墩强度满足现行规范要求。 

  5.2 E2地震作用下墩柱抗震强度验算(抗震规范7.3.4) 

  根据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/TB02-01-2008))第7.3.4条进行墩柱顺桥向、横桥向斜截面抗剪强度验算。柱顶、底塑性加密区箍筋采用直径14mm钢筋,间距8cm; 

  =0.1×(2×1.5390)×200×280/8=2154.6kN 

  =0.067××22166.4=7184.2kN 

  < 

  =0.85×(0.0023××22166.4+2154.6)=2041.0kN 

  < 

  根据计算结果可以看出,墩柱塑性铰区域斜截面抗剪强度满足规范要求。 

  5.3 E2地震作用墩顶位移验算(抗震规范第7.4.6条) 

  在E2地震作用下,属于规则类的常规桥梁可按下式验算桥墩墩顶位移: 

  Δd≤Δu 

  式中: 

  Δd——在E2地震作用下墩顶的位移(cm) 

  Δu——桥墩容许位移(cm); 

  E2地震作用下,墩顶的顺桥向和横桥向水平位移按抗震规范第6.7.6条计算,。计算结果如表4 

  所示。 

  计算表明,E2地震作用墩顶位移满足要求,墩柱塑性铰区域的塑性变形能力满足规范要求。 

  6 计算结论 

  通过进行结构有限元分析表明,在规范地震荷载作用下,现设计图纸下部墩柱的结构构造及配筋满足规范要求,达到设防目标,结构设计安全可靠。 

  参考文献 

  [1] 公路工程技术标准(JTGB01-2003)[S]. 

  [2] 公路桥涵设计通用规范(JTGD60-2004)[S]. 

  [3] 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 

  (JTGD62-2004)[S]. 

  [4] 公路桥梁抗震设计细则(JTG/TB02-01-2008)[S]. 

  [5] 公路桥涵地基与基础设计规范(JTGD63-2007)[S]. 

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