地震作用下的橋墩結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算研究

頡元偉

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

1 工程概況

本文以成都軌道交通18號(hào)線二期工程太平隧道～絳溪河分界點(diǎn)高架區(qū)間(48+88+48) m懸灌預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁為研究對(duì)象，進(jìn)行橋墩結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算研究。首先利用MIDAS軟件建立全橋模型，其次采用反應(yīng)譜分析法得到E1地震作用下橋墩的內(nèi)力情況，并對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算；最后對(duì)橋墩進(jìn)行彎矩-曲率分析，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行非線性時(shí)程分析，驗(yàn)算E2和E3地震作用下橋墩的延性。通過(guò)本文的分析，能清楚地了解地震作用下的橋墩結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，具有一定的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)下文。

2 地震作用

2.1 設(shè)防烈度及場(chǎng)地類別

本場(chǎng)區(qū)設(shè)防烈度7度，場(chǎng)地類別Ⅱ類，場(chǎng)地特征周期Tg=0.45 s，重點(diǎn)設(shè)防類。

2.2 抗震設(shè)計(jì)參數(shù)及反應(yīng)譜曲線

(1)根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50909)要求，抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線表達(dá)式為：

式子中：S為加速度反應(yīng)譜；αmax為峰值最大加速度；βm為動(dòng)力放大系數(shù)；T為結(jié)構(gòu)周期；Tg為特征周期；γ為下降段的衰減指數(shù)。

規(guī)范中反應(yīng)譜設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

(2)規(guī)范的E1地震彈性反應(yīng)譜曲線如圖1所示，其中50年超越概率為63%的彈性反應(yīng)譜應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)使用年限調(diào)整系數(shù)1.4，計(jì)算采用兩種反應(yīng)譜分別計(jì)算，取計(jì)算結(jié)果包絡(luò)值進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算。

表1 規(guī)范反應(yīng)譜參數(shù)

(3)E2地震作用和E3地震作用宜按非線性時(shí)程分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的地震作用計(jì)算。設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度時(shí)程可人工生成，且不少于3組。本計(jì)算分析采用的加速度時(shí)程為6條人工擬合地震波，圖2為E3地震作用下的地震波。

圖1 E1地震彈性反應(yīng)譜曲線

圖2 E3地震作用加速度時(shí)程

3 分析方法與模型建立

3.1 抗震分析方法

本設(shè)計(jì)采用Midas 2015(Ver.8.3.2 R1)進(jìn)行分析，不同地震水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)分析方法如表2所示。

表2 不同地震水準(zhǔn)作用分析方法

3.2 全橋模型

該連續(xù)的橋墩為花瓶型獨(dú)柱墩，獨(dú)立承臺(tái)-群樁基礎(chǔ)；1#主墩墩底尺寸4.2 m(順橋向)×4.716 m(橫橋向)，墩高為4 m；2#主墩尺寸4.2 m(順橋向)×4.6 m(橫橋向)，墩高為15.5 m，3#邊墩墩底尺寸2.8 m(順橋向)×3.716 m(橫橋向)，墩高為3.5 m；4#號(hào)邊墩尺寸2.8 m(順橋向)×3.6 m(橫橋向)，墩高為19.5 m。全橋整體力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型

4 E1地震作用下橋墩驗(yàn)算

分析地震作用下順橋向和橫橋向的橋墩內(nèi)力情況，并根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)橋墩強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果見(jiàn)表3，結(jié)果表明，該橋墩的強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 橋墩偏心壓彎構(gòu)件強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

5 E2、E3地震作用橋墩延性驗(yàn)算

5.1 彎矩-曲率分析

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中附錄G.1.1計(jì)算橋墩的截面彎矩-曲率關(guān)系。圖4為主墩在順橋向和橫橋向的M-曲線。

圖4 橋墩M-曲線

分析得到E2和E3地震作用下橋墩的延性系數(shù)，如圖5所示。

圖5 E3地震作用時(shí)程分析延性系數(shù)

E2地震作用下，橋墩基礎(chǔ)延性系數(shù)均小于1，結(jié)構(gòu)仍處于彈性工作階段，結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能等級(jí)為1，滿足設(shè)計(jì)要求。

E3地震作用下，主墩縱橫向均未發(fā)生屈服，邊墩縱向均未發(fā)生屈服，邊墩橫向均未發(fā)生屈服，主墩最大延性系數(shù)0.8，構(gòu)件性能等級(jí)1，邊墩最大延性系數(shù)1.1，性能等級(jí)2，均滿足要求；橋墩先于樁基基礎(chǔ)屈服耗能，滿足能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)原則，樁基基礎(chǔ)得以受到上部失效保護(hù)，處于彈性階段，滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)論

實(shí)際工程中在分析地震作用下的橋墩結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，應(yīng)注意以下幾方面：

(1)應(yīng)建立全橋模型，不可只建立橋梁的下部結(jié)構(gòu)；

(2)建立下部結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)模擬樁土相互作用，以便盡可能準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)與土體的相互作用；

(3)E1地震作用分析時(shí)，應(yīng)首先驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力；其次再對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，主要包括計(jì)算混凝土的應(yīng)力和鋼筋的應(yīng)力，進(jìn)而驗(yàn)算順橋向和橫橋向所配鋼筋能滿足設(shè)計(jì)要求；

(4)E2、E3地震作用分析時(shí)，應(yīng)首先對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行彎矩-曲率分析，獲得其屈服曲率、屈服彎矩、極限曲率和極限彎矩；其次再通過(guò)MIDAS軟件施加E2和E3作用對(duì)應(yīng)的非線性時(shí)程曲線，進(jìn)而計(jì)算得到橋墩的延性系數(shù)，以便分析其延性性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。