常規(guī)橋梁橋墩地震特性及塑性鉸分析設(shè)計

李 冰

中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川成都 610000

在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中，抗震設(shè)計主要有兩種，如果是結(jié)構(gòu)較為簡單的情況，橋梁設(shè)計通常采用的是彈性設(shè)計方案，該方案可以很好地滿足地震狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)處于一個彈性狀態(tài)。但是該設(shè)計方案只能有效應(yīng)對地震等級較小的情況，如果遇到較大的地震時，該方案所設(shè)計的橋梁就會受到損害。此時可以采用另一個設(shè)計方案，即彈塑性的設(shè)計，該方案的關(guān)鍵點就是在截面上可以允許橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生部分塑性變化的情況[1]，進(jìn)而可以有效改善橋梁節(jié)后所承受的極限變形情況，從而適應(yīng)較大地震所帶來的壓力。因此，在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，應(yīng)合理選用對應(yīng)的橋墩進(jìn)行塑性鉸設(shè)置。

1 模型建立

1.1 分析纖維單元的特性

所謂纖維單元是指大的單元可以繼續(xù)進(jìn)一步細(xì)分為幾個小單元，然后把梁單元具體劃分為幾個小段，每小段出現(xiàn)軸向變形的情況。在這種單元中，能夠準(zhǔn)確定出橋梁截面彎矩的曲率關(guān)系，盡管與真實結(jié)構(gòu)之間的反應(yīng)有誤差[2]，但是盡量控制好誤差范圍，在有限元軟件分析過程中還需要遵守如下三個假定：

第一，分析具體構(gòu)件發(fā)生變形的情況，能夠遵循制定的平截面假定，同時還可以掌握纖維變形具體方向以及構(gòu)件軸線的垂直性；第二，在理論上，主要需要考慮鋼筋與混凝土間的荷載作用；第三，結(jié)合模型分析而采用梁單元軸心方式連線，并保持一條直線。

在纖維模型單元實施分割過程中，纖維單元中的模型所發(fā)生變形與梁截面之間變形一一對應(yīng)，此外，纖維單元中軸向變形以及梁單元彎曲變形的情況與軸向變形也處于對應(yīng)狀態(tài)。但是，纖維單元中應(yīng)力的狀態(tài)與梁截面彎矩以及軸力之間的關(guān)系可以通過式（1）表示：

1.2 分析鋼纖維本構(gòu)的模型情況

鋼纖維中本構(gòu)模型通常采用的是雙折線型隨動硬化，荷載加載的路徑以及應(yīng)變硬化間有一個漸進(jìn)線區(qū)段，即一條曲線，同時還可以明確轉(zhuǎn)移區(qū)段中曲線變化情況，如漸近線的交點與加載方向，其在最大應(yīng)變點所出現(xiàn)的距離變化過程，即變大，然后逐漸平緩。該種本構(gòu)的關(guān)系可以用如下的公式確定：

1.3 分析混凝土本構(gòu)的模型情況

在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中，本模型主要是通過受壓的混凝土包絡(luò)曲線公式進(jìn)行控制，具體公式如下：

2 橋梁情況概述

某地需要建設(shè)一座橋梁，長度為455m，橋?qū)挒?1.7m，該橋梁在設(shè)計階段需要考慮橋墩地震抗震情況。在本次橋梁設(shè)計中可以運用橋梁所專用的有限元軟件（即Midas civil）而建立良好的橋梁模型，在本橋的上部結(jié)構(gòu)采用的是I型混凝土梁：3m×30m，下部的結(jié)構(gòu)是T型橋臺以及T型橋墩，計劃的抗震等級為一級，在完成之后，設(shè)計車道主要保障其可以三車進(jìn)行通行。但是，在設(shè)計過程中，橋梁可以很好地應(yīng)對地震作用所帶來整體反應(yīng)，這就需要設(shè)計中對橋梁荷載進(jìn)行簡化處理，并且能夠考慮其自重與上部結(jié)構(gòu)之間的二期恒荷載情況。在I型梁中沒有充分考慮鋼筋以及預(yù)應(yīng)力筋，在研究過程中，重點分析的是抗震中延性構(gòu)件的橋墩所具有地震反應(yīng)情況，即橋墩當(dāng)中的塑性鉸受力情況。

橋梁橋墩抗震分析過程中需要把橋梁的自重以及二期的恒載很好地轉(zhuǎn)換成質(zhì)量的荷載，同時在二號橋墩當(dāng)中墩柱設(shè)計塑性鉸區(qū)域，并通過纖維分割。在本文中重點分析二號橋墩的墩柱應(yīng)對地震作用時的具體反應(yīng)。

3 結(jié)果

3.1 分析自振特性情況

通過分析自振特性情況可知，即在本文中主要運用的是Midas軟件，具體計算出如下階段的模態(tài)周期與頻率，詳細(xì)分析見下表1。

3.2 分析時程情況

在分析過程中，為了可以更加準(zhǔn)確掌握橋梁結(jié)構(gòu)所具有抗震效果，即各個不同的部分發(fā)生變形以及內(nèi)力情況，此時就需要取下墩柱的單元實施時程分析。其中在墩頂處節(jié)點的位置按時位移的情況，通過曲線以及內(nèi)力（即彎矩）得到時程曲線進(jìn)行表示，橋墩受到地震力作用的影響，橋墩出現(xiàn)較大的晃動，橫向位移發(fā)生波動，最大的情況下為300mm，而縱橋方向上則為250mm。在上部結(jié)構(gòu)中，橫橋向的位移情況非常明顯，并且大于縱橋方向的位移，因此，在此大位移的波動之下，比較容易導(dǎo)致梁體的外側(cè)擋塊出現(xiàn)破壞的情況，同時還會導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)落梁事故。此外，在地震波逐漸減小的情況下，位移波動的情況會越來越小，此時對于橋墩而言就是延性構(gòu)件，并且在地震當(dāng)中就可以起到良好的塑性耗能效果[3]。

表1 自振特征分析

橋梁中的橋墩柱當(dāng)中有較大的彎矩，而且在很大彎矩作用之下，通常橋墩會進(jìn)入一個塑性狀態(tài)，在今后設(shè)計抗震過程中就需要充分考慮其塑性鉸，而且還可以充分地發(fā)揮出橋墩所具有的耗能作用，這就可以減少橋墩所受到的摧毀壓力。

如果橋梁受到較大地震力，此時橋墩頂部就會呈現(xiàn)線彈性的狀態(tài)，遇到這種情況，墩柱的底部就需要進(jìn)入一個塑性狀態(tài)，然后能夠在墩柱的中部保持一個緊接的狀態(tài)能夠進(jìn)入對應(yīng)的塑性狀態(tài)，通過塑性鉸位置則可以減少橋梁受到的壓力。

4 結(jié)語

通過上文分析可知，在橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，抗震設(shè)計需要進(jìn)一步規(guī)范，而且能夠結(jié)合橋梁有限元分析的軟件（Midas civil） 分析三跨預(yù)應(yīng)力所承受連續(xù)的梁橋壓力，可以提升橋梁在地震中其上部結(jié)構(gòu)的梁體橫橋，從而很好地提升橋墩抗震能力。