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].

作者简介：刘渐成（1979—），男，中山市规划设计院工程师。

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].

作者简介：刘渐成（1979—），男，中山市规划设计院工程师。

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].

作者简介：刘渐成（1979—），男，中山市规划设计院工程师。