抗震计算—xxx村大桥抗震计算书

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一、工程概况

K16+930桥位于楚雄连汪坝至南华县城一级公路3合同双坝段,为主线上跨箐沟而设。孔跨布置为19孔30m结构连续预应力混凝土箱形梁桥。

本桥平面分别位于圆曲线(起始桩号:K16+633.96,终止桩号:K16+710.207,半径:1000m,右偏)、缓和曲线(起始桩号:K16+710.207,终止桩号:K16+855.207,参数A:380.789,右偏)、直线(起始桩号:K16+855.207,终止桩号:K17+063.157)和缓和曲线(起始桩号:K17+063.157,终止桩号:K17+210.04,参数A:498.15,左偏)上,纵断面纵坡-1%;墩台径向布置。采用4、5孔一联连续结构,按半幅计全桥共设8联,全桥共设10道伸缩缝。

上部构造为30m预应力混凝土箱形梁。下部为钢筋混凝土盖梁,双柱方墩、挖孔灌注桩基础,根据实际地质情况,1~13号墩按摩擦桩设计。

上部箱梁采用强度等级C50混凝土;双柱式桥墩盖梁、墩柱、系梁、桩基采用C30混凝土。

根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)及《云南省地震动峰值加速度区划图》、《云南省地震动反应谱特征周期区划图》,桥位处中硬场Ⅲ类场地,地震动峰值加速度值为0.15g,地震动反应谱特征周期为0.45s,地震基本烈度值为Ⅶ度,分组为第二组。

本计算书对大桥左幅第二联进行计算,桥型布置图如下图所示。

1

图1.1 桥型布置图

图1.2 桥墩断面示意图

二、自振特性分析

全桥有限元计算模型示于图2.1,从左到右依次是5号墩、6号墩、7号墩、8号墩,7号墩为固定墩。

其自振周期及相应振型列于表2.1,示于图2.2。

图2.1 有限元模型

2

表2.1 自振特性一览表

模态号 1 2 3 4 5 6 频率/Hz 0.425726 1.143499 1.261916 1.277688 1.322891 1.866331

周期/s 2.348927 0.874509 0.792446 0.782663 0.75592 0.535811

第一阶振型 第二阶振型

第三阶振型 第四阶振型

第五阶振型 第六阶振型

图2.2 振动模态

三、地震输入

E1、E2水准地震时,均按反应谱输入。E1、E2反应谱函数分别如下图3.1、3.2所示。

3

桥位处中硬Ⅲ类场地,地震动峰值加速度值为0.15g,地震动反应谱特征周期为0.45s,地震基本烈度值为Ⅶ度。

图3.1 E1反应谱输入函数

4

图3.2 E2反应谱函数

四、抗震性能验算

4.1 E1作用下桥墩的抗震强度验算

桥墩截面尺寸如图4.1所示。

图4.1 桥墩截面

4.1.1 E1作用下桥墩抗压能力验算

5号墩底单元截面使用阶段正截面轴心抗压承载能力验算: 1)、截面偏心矩为0,做轴心抗压承载力验算: γ0Nd =4243.9kN Nn = 0.90φ(fcdA+fsd'As')

=0.90×1.00×(13.80×4680000.00+330.00×57909.60) = 75324.8kN γ0Nd ≤ 0.90φ(fcdA+fsd'As'),轴心受压满足要求。 2)、5号墩底单元Fx最小时(My)的偏心受压验算:

?? 0= ????/????= 7976381198.40/4243954.36 = 1879.47 mm ?? = ????0+?/2?????=1.00×1879.47+2600.00/2-76.00 = 3103.47 mm

5

??′ = ????0+????′??/2=1.00×1879.47+76.00-2600.00/2 = 655.47mm Nd =4738.7kN,??0????= 4738.7kN. ??0??????=4243.9kN·m,γ0Nde' =4243.9kN·m

假定大偏压,对γ0N0作用点力矩取零,得到 x 计算的方程为:

fcd×b/2×x^2 +fcd×b×(e-h0)×x +fcd×(bf'-b)hf'(e-h0+hf'/2)-fsdAse+fsd'As'e' = 0

求得x =527.39 mm. ξ= x/h0 = 0.21

Nn =fcdbx+fsd'As'- σsAs

=13.80×1800.00×527.39+330.00×13673.10-330.00×13673.10 = 13100.3kN Nne = fcd[bx(h0-x/2)+(bf'-b)hf'(h0-hf'/2)]+fsd'As'(h0-as') =40656.3kN·m

综上,Nn取13100.3kN

γ0Nd ≤ Nn, 偏心受压满足验算要求 。 3)、5号墩底单元My最大时的偏心受压验算:

?? 0= ????/????= 7976381198.40/4243954.36 = 1879.47 mm

?? = ????0+?/2?????=1.00×1879.47+2600.00/2-76.00 = 3103.47 mm ??′ = ????0+????′??/2=1.00×1879.47+76.00-2600.00/2 = 655.47mm Nd =4738.7kN,??0????= 4738.7kN. ??0??????=4243.9kN·m,γ0Nde' =4243.9kN·m

假定大偏压,对γ0N0作用点力矩取零,得到 x 计算的方程为:

fcd×b/2×x^2 +fcd×b×(e-h0)×x +fcd×(bf'-b)hf'(e-h0+hf'/2)-fsdAse+fsd'As'e' = 0

求得x =527.39 mm. ξ= x/h0 = 0.21

Nn =fcdbx+fsd'As'- σsAs

=13.80×1800.00×527.39+330.00×13673.10-330.00×13673.10 = 13100.3kN Nne = fcd[bx(h0-x/2)+(bf'-b)hf'(h0-hf'/2)]+fsd'As'(h0-as') =40656.3kN·m

综上,Nn取13100.3kN

γ0Nd ≤ Nn, 偏心受压满足验算要求 4)、5号墩底单元My最小时的偏心受压验算:

e0 = Md/Nd =7904251156.27/13165137.54 = 600.39 mm e = ηe0+h/2-as =1.00×600.39+2600.00/2-76.00 = 1824.39 mm e' = ηe0+as'-h/2=1.00×600.39+76.00-2600.00/2 = -623.61 mm Nd =13165.1kN, γ0Nd =13165.1kN. γ0Nde = 24018.4kN·m,γ0Nde' = -8209.9kN·m

假定大偏压,对γ0N0作用点力矩取零,得到

6

x 计算的方程为:

fcd×b/2×x^2 +fcd×b×(e-h0)×x +fcd×(bf'-b)hf'(e-h0+hf'/2)-fsdAse+fsd'As'e' = 0

求得x =1873.83 mm.

此时 x > ξbh0,为小偏压,应重新计算 x :

取对γ0N0作用点力矩为零的条件,得到 x 计算的方程为:

fcd×b/2×x^2 +fcd×b×(e-h0)×x+[fcd×(bf'-b)hf'(e-h0+hf'/2) +(εcuEsAse-fsd'As'e')]x-εcuEsβh0Ase = 0

求得x = 1529.00 mm

σs= εcuEs(βh0/x-1) =0.0033×200000.00×(0.80×2524.00/1529.00-1) = 211.60 ξ= x/h0= 0.61

Nn =fcdbx+fsd'As'- σsAs

= 13.80×1800.00×1529.00+330.00×13673.10-211.60×13673.10 = 39599.2kN Nne = fcd[bx(h0-x/2)+(bf'-b)hf'(h0-hf'/2)]+fsd'As'(h0-as') =77872kN·m

重新计算e1 = h/2-e0-a'=623.61 mm 综上,Nn取39599.2kN

γ0Nd ≤ Nn, 偏心受压满足验算要求 。

表 4.1 E1作用下桥墩承载力验算 墩号 类型 x(mm) 0.5274 0.5274 1.529 0 0.1064 0.1064 1.5756 0 0.0863 0.0863 1.4096 0 0.5129 0.5129 1.5054 0 rNd(kN) 4243.954 4243.954 13165.14 4243.954 1476.094 1476.094 14780.35 1476.094 1708.189 1708.189 14800.4 1708.189 4172.164 4172.164 13308.46 4172.164 e(mm) 3.1035 3.1035 1.8244 0 6.6223 6.6223 1.7603 0 7.5556 7.5556 1.9415 0 3.0843 3.0843 1.8001 0 e'(mm) 0.6555 0.6555 -0.6236 0 4.1843 4.1843 -0.6777 0 5.1326 5.1326 -0.4815 0 0.6735 0.6735 -0.6107 0 Nn(kN) 13100.29 13100.29 39599.18 75324.75 2629.016 2629.016 41155.51 75101.19 2130.069 2130.069 35751.17 74765.85 12739.28 12739.28 39004.57 74493.11 rNd<Nn 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是否通过验算 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 偏心Fxmin(My) 5 偏心-Mymax 偏心-Mymin 轴心-Fxmin 偏心Fxmin(My) 6 偏心-Mymax 偏心-Mymin 轴心-Fxmin 偏心Fxmin(My) 7 偏心-Mymax 轴心-Fxmin 偏心Fxmin(My) 8 偏心-Mymax 偏心-Mymin 轴心-Fxmin (固定) 偏心-Mymin 4.1.2 E1作用下桥墩受弯承载力验算

5号墩桥墩截面承载力:

7

x Mu?fsdAs(h0?as')?fcdbx(h0?)2.2?(1724?76)?14.3?2617?151.2?(1724?151.2/2) ?330?16888?18513kN?m桥墩墩底最大弯矩Mmax=5419 kN·m<Mu=11021kN·m,满足设计规范。 6号墩桥墩截面承载力:

x Mu?fsdAs(h0?as')?fcdbx(h0?)2?330?16888.2?(1724?76)?14.3?2606?151.2?(1724?151.2/2) ?18474kN?m7号墩桥墩截面承载力:

x Mu?fsdAs(h0?as')?fcdbx(h0?)2?330?16888.2?(1724?76)?14.3?2590?151.2?(1724?151.2/2)?18416kN?m

8号墩桥墩截面承载力:

x Mu?fsdAs(h0?as')?fcdbx(h0?)2?330?16888.2?(1724?76)?14.3?2577?151.2?(1724?151.2/2) ?18372kN?m5号墩、6号墩、7号墩、8号墩计算结果见下表:

表4.2 E1地震作用下桥墩弯矩验算 墩号 5 6 7 8 墩底弯矩Mmax(kN·m) 8230 8266 7941 8108 Mu (kN·m) 18513 18474 18416 18372 Mmax< Mu 是 是 是 是 是否通过验算 是 是 是 是 因此,桥墩在E1水准地震作用下,墩底的最大弯矩小于桥墩的初始屈服弯矩,桥墩处于弹性状态,桥墩满足《公路桥梁抗震细则》的E1条件下抗震设防要求。 4.1.3 E1作用下桥墩抗剪能力验算

5号墩最大容许剪力 ????=0.1

??????????

?????=0.1×9.05×260×330.00/10.00 = 7763.2 kN

′≤0.067 ????????=0.067× 20.1×40343.04=12118.29 kN

所以Vs=7763.2KN

Vcu??(0.0023fc'Ae?Vs)?0.85?(0.002320.1?39729.98?7763.2)?6952.3KN

8

在E1作用下桥墩最大剪力V=671kN<????=6952.3kN,故满足设计规范。

表4.3 E1地震作用下桥墩剪力验算 墩号 5 6 7 8 墩底剪力Vmax(kN) 401 404 386 394 Vu (kN·m) 6952.3 6925.5 6852.5 6852.5 Vmax< Vu 是否通过验算 是 是 是 是 是 是 是 是 4.2.1 E2作用下位移验算与塑性铰转动能力验算

1)、墩顶位移的验算

图4.2 5号墩轴力弯矩曲率曲线

5号墩墩顶容许位移

桥墩截面弯矩曲率曲线如上图4.2所示 由上图的弯矩曲率曲线可知 Φy=0.0015 Φu=0.039

Lp=0.08H+0.022fyds=0.08×3270.35+0.022×400×3.2=289.7cm≥0.044fyds=56.32cm Lp=2/3×b=2/3×180=120cm 因此Lp=120cm=1.2m 塑性铰区域最大容许转角:

??Lp(?u??y)/K=1.2×(0.039-0.0015)/2=0.0225

uLp1??H2??(H?)?=1/3×32.70352×0.0015+(32.7035-1.2/2)×0.0225=1.25m u3yu2Δd=0.186<Δu故满足设计规范

9

图4.3 6号墩轴力弯矩曲率曲线

6号墩墩顶容许位移

桥墩截面弯矩曲率曲线如上图4.3所示 由上图的弯矩曲率曲线可知 Φy=0.00158 Φu=0.037

Lp=0.08H+0.022fyds=0.08×3225.9+0.022×400×3.2=286.2cm≥0.044fyds=56.32cm Lp=2/3×b=2/3×180=120cm 因此Lp=120cm=1.2m 塑性铰区域最大容许转角:

??Lp(?u??y)/K=1.2×(0.037-0.00158)/2=0.0214

uLp12??H??(H?)?=1/3×32.2592×0.00158+(32.259-1.2/2)×0.0214=1.23m u3y2uΔd=0.183<Δu故满足设计规范

图4.4 7号墩轴力弯矩曲率曲线

7号墩墩顶容许位移

桥墩截面弯矩曲率曲线如上图4.4所示 由上图的弯矩曲率曲线可知 Φy=0.00159 Φu=0.037

Lp=0.08H+0.022fyds=0.08×3161.5+0.022×400×3.2=281cm≥0.044fyds=56.32cm Lp=2/3×b=2/3×180=120cm

10

因此Lp=120cm=1.2m 塑性铰区域最大容许转角:

??Lp(?u??y)/K=1.2×(0.037-0.00158)/2=0.0214

uLp1??H2??(H?)?=1/3×31.6152×0.00158+31.615-1.2/2)×0.0214=1.226m u3yu2Δd=0.272<Δu故满足设计规范

图4.5 8号墩轴力弯矩曲率曲线

8号墩墩顶容许位移

桥墩截面弯矩曲率曲线如上图4.5所示 由上图的弯矩曲率曲线可知 Φy=0.00158 Φu=0.039

Lp=0.08H+0.022fyds=0.08×3111.5+0.022×400×3.2=277cm≥0.044fyds=56.32cm Lp=2/3×b=2/3×180=120cm 因此Lp=120cm=1.2m 塑性铰区域最大容许转角:

??Lp(?u??y)/K=1.2×(0.039-0.00158)/2=0.0225

uLp12??H??(H?)?=1/3×31.1152×0.00158+31.115-1.2/2)×0.02225=1.199m u3y2uΔd=0.194<Δu故满足设计规范

下表4.4为5-8号墩墩顶位移与桥墩容许位移的比较:

表4.4 墩顶位移比较 墩号 方向 顺桥向 墩顶位移Δd(m) 0.19 0.069 容许位移Δu(m) 1.34 0.222 Δd<Δu 是 是 是否通过验算 是 是 5 横桥向 11

顺桥向 6 横桥向 顺桥向 7 横桥向 顺桥向 8 横桥向 0.188 0.063 0.196 0.068 0.193 0.070 1.23 0.215 1.226 0.238 1.199 0.232 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 是 2)、塑性铰区域塑性转动能力的验算: 5号墩塑性铰转动能力的验算:

在E2作用下,潜在塑性铰区域塑性转角:????=0.0088

在E2作用下,潜在塑性铰区域塑性转角:????=0.0088

在E2作用下,潜在塑性铰区域塑性转角:????=0.0127

在E2作用下,潜在塑性铰区域塑性转角:????=0.0088

表4.5 塑性铰区域塑性铰转动能力的验算 墩号 5 6 7 8 ???? 0.0088 0.0088 0.0127 0.0088 ???? 0.0225 0.0214 0.0214 0.0225 ????

1)、桥墩的验算 5号桥墩由图4.2,有 顺桥向

x墩底极限弯矩 Mzc= 36149.1 kN

公式(6.8.2-1)有:

xMzc=1.2×36149.1/32.7035=1326.4kN Vc0??Hn012

横桥向

s墩顶极限弯矩 Mhc= 22716.1kN x墩底极限弯矩 Mhc= 19640.4kN

公式(6.8.2-4)有:

xsMhc?Mhc=1.2×(22716.1+ 19640.4)/32.7035=1554.2kN Vc0??Hn0根据规范公式7.3.4对桥墩塑性铰区域抗剪强度进行验算, 5号桥墩 顺桥向: ????=0.1

??????????

?????=0.1×9.05×260×330.00/10.00 = 7763.2 kN

′≤0.067 ????????=0.067× 20.1×40343.04=12118.29 kN

所以Vs=7763.2KN

Vcu??(0.0023fc'Ae?Vs)?0.85?(0.002320.1?39729.98?7763.2)?6952.3KN

横桥向: ????=0.1

??????????

?????= 0.1×6.79×180.00×330.00/10.00 = 4030.88 kN

′≤0.067 ????????=0.067× 20.1×40343.04 =12118.29 kN

所以Vs= 4030.88 KN

Vcu??(0.0023fc'Ae?Vs)?0.85?(0.002320.1?40343.04?4030.88 )?3779.8KN

下表4.6为5-8号墩塑性铰剪力与桥墩容许剪力的比较:

表4.6 剪力比较 墩号 方向 顺桥向 塑性铰剪力Vco(kN) 1326.4 1554.2 1278.9 1764.3 1300.8 容许剪力Vcu(kN) 6952.3 3779.8 6925.5 3778.4 6885.2 Vco<Vcu 是 是 是 是 是 是否通过验算 是 是 是 是 是 5 横桥向 顺桥向 6 横桥向 7 顺桥向 13

横桥向 顺桥向 8 横桥向 1805.3 1331.9 1846.4 3776.2 6852.5 3774.48 是 是 是 是 是 是 由上表可知桥墩的设计满足能力保护构件要求。 2)、盖梁的验算

根据配筋计算出桥墩截面横向抗弯承载能力Mh

xMu?fsdAs(h0?as')?fcdbx(h0?)2?330?12064.5?(1724?76)?14.3?1800?154.6?(1724?154.6/2)?13144kN?m 盖梁计算公式(6.8.3)得:

??????0=??0???13144+3848=19606.8kN·m ??+????=1.2×

根据盖梁配筋对盖梁正截面抗弯能力计算:

hhhxMu?fskAs(?as)?f'skA's(?as')?fckbx(?)2222?400×30559.6×(950?108)?400×15279.8×(950?108)?20.1?2100?144.8?(950?97/2)?21440kN·m ????0

由公式6.8.4得盖梁剪力设计值: Vco=

????

0?????+????????=1.2×21440×2/6.7=7680kN

??0

根据规范JTG D62-2004公式5.2.7-2计算盖梁斜截面抗剪承载能力:

?3

??????=??1??2??30.45×10???0 (2+0.6??) ??????,??????????????

=1.1×0.45×10?3×2100×1840 2+0.6×30157 × 30×0.0032×330 =7214kN

??????=0.75×10?3?????? ??????sin????=0.75×10?3×360×15279.8×sin45=2673kN Vco≤??????+??????=9887kN满足设计要求 4.2.3基础验算

5号墩桩底入岩,中风化,碎块状,按端承桩计算,5号墩入岩深度0.36mm。

??1=0.45,??????=6000kPa,??2=0.375,????=0.8

5号墩单桩轴向受压承载力计算如下:

??

??

[????]=??1??????????+?? ??2?????????????+1/2?????? ??????????

??=1

??=1

=0.45×2.0106×6000+5.0265×(0.0375×6×6000)+1/2×0.8×5.0265 ×(4.138×

14

180+21.47×100+0.39×160) =18154kN

6-8号墩桩底入岩,强风化,碎块状,按摩擦桩计算。

????=??0??[ ????0 +??2??2 ??3 ]

其中,??0=0.7 ??=0.7 ????0 =350kPa,??2=5, ??2=19kN/m3

????=0.7×0.7×(350+5×19× 26?3 )=1242.15kPa>1000??????,故????取1000kPa。 根据抗震规范,抗震验算时 ????=1000×1.5=1500kPa 6号墩单桩轴向受压承载力计算如下:

??

[????]=????????+1/2?? ??????????

??=1

=2.0106×1500+1/2×5.0265×(4.209×180+21.791×100) =10396kN

7号墩单桩轴向受压承载力计算如下:

??

[????]=????????+1/2?? ??????????

??=1

=2.0106×1500+1/2×5.0265×(2.562×160+23.438×100) =10065kN

8号墩单桩轴向受压承载力计算如下:

??

[????]=????????+1/2?? ??????????

??=1

=2.0106×1500+1/2×5.0265×(2.761×160+23.239×100) =10105kN

5-8号墩桩顶轴力如表4.7所示,从表中可以看出,6-8号墩桩基承载力不满足设计要求。

表4.7 基础承载力比较 墩号 5 6 7 8 桩顶轴力 考虑桩身自重与置(kN) 14582 14038 13952 14582 换土重后R(kN) 14948 14404 14318 14948 单桩承载力 [Ra](kN) 18154 10396 10065 10105 R<[Ra] 是 否 否 否 是否通过验算 是 否 否 否 注:桩顶轴力直接提取E2地震作用效应与永久作用效应组合的轴力。其中地震作用按??= ????+????来计算。

按桩顶轴力反推之后建议6号墩加长6m,7号墩加长7.9m,8号墩加长6.7m,9号墩加长3.2m。

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4.3 构造细节设计

桥墩箍筋直径为12mm,满足规范箍筋直径不小于10mm,加密区间距为10cm,满足规范不大于10cm,最小加密区长度为600cm大于150cm满足设计规范。 塑性铰区域箍筋最小含箍率: ρs,min

????′

= 0.1????+4.17 ?????0.1 ?????0.01 +0.02 ?????

14.3330

= 0.1×0.482+4.17× 0.482?0.1 × 0.0125?0.01 +0.02 × =0.003128<0.004 所以ρs,min=0.004

表4.8 桥墩构造细节 名称 柱尺村 (cm) 主筋 主筋直径主筋根主筋间距(mm) 32 - - 数 60 - - (cm) 10.3 ≤20 是 配筋率 0.012 0.006-0.04 是 (mm) 12 ≥10 是 箍筋 箍筋直径 箍筋加密加密区间距(cm) 长度(cm) 10 ≤10 是 600 ≥150 是 箍筋率 0.005 0.004 是 实际配筋 180/261 设计规范 是否满足 - - 五、小结

通过对K16+930詹家村大桥的抗震计算分析,可得到一下结论:

(1)、在E1水准地震作用下,桥墩处于弹性状态,桥墩满足《公路桥梁抗震细则》的E1条件下抗震设防要求;

(2)、在E2作用下,墩顶位移小于墩顶容许位移,满足抗震规范要求; (3)、在E2作用下,桥墩塑性铰区域最大剪力小于容许剪力,满足抗震要求; (4)、在E2作用下,基础承载力不满足设计要求;

(5)、在E2作用下,盖梁正截面抗弯强度与斜截面抗剪强度均满足设计要求; (6)、桥墩构造措施也满足设计规范要求。

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4.3 构造细节设计

桥墩箍筋直径为12mm,满足规范箍筋直径不小于10mm,加密区间距为10cm,满足规范不大于10cm,最小加密区长度为600cm大于150cm满足设计规范。 塑性铰区域箍筋最小含箍率: ρs,min

????′

= 0.1????+4.17 ?????0.1 ?????0.01 +0.02 ?????

14.3330

= 0.1×0.482+4.17× 0.482?0.1 × 0.0125?0.01 +0.02 × =0.003128<0.004 所以ρs,min=0.004

表4.8 桥墩构造细节 名称 柱尺村 (cm) 主筋 主筋直径主筋根主筋间距(mm) 32 - - 数 60 - - (cm) 10.3 ≤20 是 配筋率 0.012 0.006-0.04 是 (mm) 12 ≥10 是 箍筋 箍筋直径 箍筋加密加密区间距(cm) 长度(cm) 10 ≤10 是 600 ≥150 是 箍筋率 0.005 0.004 是 实际配筋 180/261 设计规范 是否满足 - - 五、小结

通过对K16+930詹家村大桥的抗震计算分析,可得到一下结论:

(1)、在E1水准地震作用下,桥墩处于弹性状态,桥墩满足《公路桥梁抗震细则》的E1条件下抗震设防要求;

(2)、在E2作用下,墩顶位移小于墩顶容许位移,满足抗震规范要求; (3)、在E2作用下,桥墩塑性铰区域最大剪力小于容许剪力,满足抗震要求; (4)、在E2作用下,基础承载力不满足设计要求;

(5)、在E2作用下,盖梁正截面抗弯强度与斜截面抗剪强度均满足设计要求; (6)、桥墩构造措施也满足设计规范要求。

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本文来源:https://www.bwwdw.com/article/mws.html

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