鋼筋混凝土矩形實(shí)體橋墩抗震分析

劉小軍

（山西交科公路勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030006）

鋼筋混凝土矩形實(shí)體橋墩抗震分析

劉小軍

（山西交科公路勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030006）

以某項(xiàng)目橋?yàn)槔榻B了矩形實(shí)體橋墩分別在E1和E2作用下橋墩的動(dòng)力彈塑性抗震分析，為以后類似橋梁的抗震驗(yàn)算作參考。

矩形墩，反應(yīng)譜，動(dòng)力彈塑性、塑性鉸，穩(wěn)定性

橋梁作為重要的社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施，具有投資大、公共性強(qiáng)、維護(hù)管理困難的特點(diǎn)。橋梁同時(shí)又是抗震防災(zāi)、危機(jī)管理系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，提高橋梁的抗震性能是減輕地震損失、加強(qiáng)區(qū)域安全的基本措施之一。特別是隨著我國(guó)交通建設(shè)事業(yè)的迅速發(fā)展，橋梁無(wú)論在數(shù)量上還是在延伸長(zhǎng)度上都在快速增長(zhǎng)，高速公路在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和居民生活中發(fā)揮著重要作用，提高橋梁的抗震能力是我國(guó)交通建設(shè)中所面臨的重大課題。[1]

地震對(duì)橋梁破壞的主要形式是落梁、地基失效、支座破壞、橋墩斷裂、梁間碰撞等。橋梁抗震設(shè)計(jì)理論經(jīng)歷了靜力彈性設(shè)計(jì)法、動(dòng)力彈性法以后，動(dòng)力彈塑性設(shè)計(jì)法的有效性已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)同，橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范也朝著彈性設(shè)計(jì)、彈塑性設(shè)計(jì)法并存的方向發(fā)展，彈塑性地震響應(yīng)設(shè)計(jì)方法在橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的重要性越來(lái)越顯著。本文以已經(jīng)建成的矩形實(shí)體墩橋?yàn)檠芯繉?duì)象，結(jié)合土木工程通用有限元分析軟件Midas分析地震力作用下橋結(jié)構(gòu)受力性能、變形性能及穩(wěn)定性的影響，從而為以后的設(shè)計(jì)作參考。[1]

1 工程概況

本橋上部采用10～30 m先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，5孔一聯(lián)，全橋共分為2聯(lián)。下部1～5號(hào)墩采用矩形截面墩接2.5 m厚承臺(tái)配4根D150鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，6～9號(hào)墩采用樁柱式墩，橋臺(tái)采用柱式臺(tái)。該橋分上、下行雙幅，本計(jì)算以右幅橋?yàn)榉治鰧?duì)象。

本橋設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)，根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306—2001，本橋位于地震基本烈度8度區(qū)，地震動(dòng)峰值加速度0.2 g，反應(yīng)譜特征周期0.35 s。本橋?yàn)橐患?jí)公路上的大橋，根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》，本橋按B類抗震設(shè)防類別進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，抗震重要性系數(shù)在E1和E2地震作用下分別為0.5和1.7。

2 基本模型

本橋依據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》6.3條建立全橋空間桿系模型，計(jì)算軟件為MIDAS Civil 2006。為準(zhǔn)確反應(yīng)橋梁的上下部結(jié)構(gòu)、支座、質(zhì)量分布及阻尼特性，全橋共分為433個(gè)桿件單元、65個(gè)彈性連接單元、5個(gè)非線性連接單元。由于在非線性分析時(shí)荷載不可線性相加，為正確反應(yīng)上部結(jié)構(gòu)傳遞給墩身的軸力，考慮3個(gè)施工階段模擬上部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支到連續(xù)的體系轉(zhuǎn)換過(guò)程，即上部箱梁按簡(jiǎn)支梁分配各墩反力，二期恒載按連續(xù)梁分配各墩反力。單元自重采用集中質(zhì)量法轉(zhuǎn)換為質(zhì)量，代表上部二期恒載的單元分布荷載轉(zhuǎn)換為等效質(zhì)量。

3 分析計(jì)算

3.1 E1地震作用下設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜分析

E1地震作用下設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜依據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》5.2條確定。抗震重要性系數(shù)0.5，場(chǎng)地系數(shù)1.0，特征周期0.35 s，阻尼系數(shù)0.05，阻尼調(diào)整系數(shù)1.0，地震動(dòng)峰值加速度0.2 g，反應(yīng)譜峰值Smax=0.225 g。

圖1 結(jié)構(gòu)的有限元模型

3.2 E1地震作用下邊界非線性時(shí)程分析

為進(jìn)行E2地震作用下的非線性動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，在沒(méi)有專門的地震安全性評(píng)價(jià)的條件下依據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》5.3條需合成與設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜兼容的設(shè)計(jì)加速度時(shí)程（即地震波），因此本計(jì)算調(diào)用歷史強(qiáng)震記錄進(jìn)行大量的試算，采用調(diào)整增幅系數(shù)和時(shí)域的方法尋找符合橋位場(chǎng)地特性的地震波，通過(guò)與E1反應(yīng)譜分析結(jié)果比較確定該地震波的有效性。

原始地震波為1971年San Fernando大地震的地震動(dòng)加速度時(shí)程記錄，最大峰值0.315 4 g，記錄時(shí)長(zhǎng)61.84 s。現(xiàn)調(diào)整增幅系數(shù)0.317，時(shí)域系數(shù)2.18，生成E1地震波。

3.3 地震波有效性評(píng)價(jià)

通過(guò)比較E1地震作用下反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法的內(nèi)力值可知時(shí)程分析法的彎矩值普遍要高出反應(yīng)譜法10%～30%，平均高出20%，本計(jì)算認(rèn)為該地震波有效。鑒于《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》對(duì)加速度反應(yīng)譜分析法論述較為詳盡，地震波的有效性也是以反應(yīng)譜法為參照（6.5.3條），因此，本計(jì)算以反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果作為E1地震作用強(qiáng)度驗(yàn)算的依據(jù)。

E1地震作用下墩身強(qiáng)度驗(yàn)算，見(jiàn)表1、表2。

3.4 E1地震作用下墩身強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)論

在常規(guī)配筋率下E1地震作用強(qiáng)度驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求，特別是橫橋向截面具有較大強(qiáng)度。但值得注意兩個(gè)現(xiàn)象：第一，地震荷載效應(yīng)依然比正常運(yùn)營(yíng)荷載效應(yīng)來(lái)得大，正常運(yùn)營(yíng)荷載往往是抗裂控制配筋，而地震作用是沒(méi)有抗裂要求的；第二，正常運(yùn)營(yíng)荷載作用下分聯(lián)墩認(rèn)為不參與水平力分配，但在地震荷載作用下分聯(lián)墩受力與中墩無(wú)區(qū)別。

表1 順橋向E1地震作用下強(qiáng)度驗(yàn)算

表2 橫橋向E1地震作用下強(qiáng)度驗(yàn)算

3.5 E2地震作用下動(dòng)力彈塑性分析

動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析采用直接積分法，阻尼計(jì)算按《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》6.3.2條采用瑞利阻尼，需引用前述動(dòng)力響應(yīng)特征值分析中的振型自振頻率。本計(jì)算采用一階振型和三階振型的自振頻率。彈塑性分析為材料非線性分析，自重和二期荷載需作為時(shí)變靜力時(shí)程荷載加載，計(jì)算方法為靜力法。[2]

依然選擇原始地震波為1971年San Fernando大地震的地震動(dòng)加速度時(shí)程記錄。現(xiàn)調(diào)整增幅系數(shù)1.078，時(shí)域系數(shù)2.18，生成E2地震波。

依據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》6.3.6條及其條文說(shuō)明，動(dòng)力彈塑性分析需采用鋼筋混凝土彈塑性梁?jiǎn)卧居?jì)算采用Bresier建議的屈服面來(lái)模擬鋼筋混凝土的彈塑性，在6.2.2條規(guī)定的塑性鉸區(qū)域設(shè)置塑性鉸單元。作順橋向分析時(shí)，由于墩身軸力在順橋向水平地震動(dòng)作用下變化較小因此采用PM鉸；作橫向向分析時(shí)，雙柱墩墩身軸力在橫橋向水平地震動(dòng)作用下是隨時(shí)程變化的，此時(shí)應(yīng)考慮變化的軸力對(duì)屈服面的影響，因此應(yīng)選擇PMM鉸。順橋向E2地震作用下塑性鉸區(qū)域的最大塑性轉(zhuǎn)角，見(jiàn)表3。

表3 潛在塑性鉸區(qū)域轉(zhuǎn)角統(tǒng)計(jì)

從表3可以看出，在順橋向E2地震荷載作用下所有墩底潛在塑性鉸區(qū)域均進(jìn)入塑性狀態(tài)。

3.6 E2地震作用下墩身變形驗(yàn)算

按《細(xì)則》7.4.2條應(yīng)對(duì)潛在塑性鉸區(qū)域的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力進(jìn)行驗(yàn)算，塑性鉸區(qū)域轉(zhuǎn)角應(yīng)小于最大容許轉(zhuǎn)角。塑性鉸最大容許轉(zhuǎn)角按公式7.4.3-1計(jì)算，屈服曲率和極限曲率按附錄B計(jì)算。

順橋向E2地震作用下墩身塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)能力驗(yàn)算，見(jiàn)表4。

表4 順橋向塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)能力驗(yàn)算

橫橋向E2地震作用下墩身塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)能力驗(yàn)算，見(jiàn)表5。

表5 橫橋向塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)能力驗(yàn)算

3.7 E2地震作用下墩身變形驗(yàn)算結(jié)論

E2地震作用下墩身變形均滿足細(xì)則要求。上述塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)能力驗(yàn)算可以看出矩形墩自身無(wú)論是在順橋向還是橫橋向均具有良好的抗震性能，表現(xiàn)在順橋向剛度較小潛在塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)能力較強(qiáng)，橫橋向剛度大在強(qiáng)震作用下依然能保持彈性狀態(tài)，個(gè)人認(rèn)為這是不符合能力保護(hù)設(shè)計(jì)原則的，可能墩身沒(méi)有絲毫損害而支座已經(jīng)在水平地震力的作用下剪切破壞了。

4 結(jié)束語(yǔ)

這些年來(lái)，由于地震災(zāi)害的頻發(fā)，許多橋梁在地震中倒塌，對(duì)橋梁地震的研究分析一直是一個(gè)重點(diǎn)關(guān)注的課題，但由于人類對(duì)地震認(rèn)識(shí)的局限性，所有的抗震分析和計(jì)算也是在逐步的積累，從失敗中汲取經(jīng)驗(yàn)。尤其位于地震烈度高的區(qū)域，橋梁抗震計(jì)算是必不可少的。

[1] 謝旭.橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析與抗震設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2] 王中秋，楊兵兵.某大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋抗震分析[J].山西交通科技，2010（1）：54-55，70.

The Rectangular Solid BridgePier’sSeism ic Analysis of Reinforced Concrete

Liu Xiaojun

The article takes a project bridge as an example,introduces the rectangular solid bridge pier's dynamic elastic-plastic seismic analysis respectively under the action ofE1 and E2.It can provide reference for the similar bridge's seismic checking in future.

rectangular pier;response spectrum;dynamic elastic-plastic;plastic hinge;stability

U443.22

A

1000-8136(2011)08-0081-03

劉小軍，男，1979年12月出生，山西孝義人，2002年畢業(yè)于南京林業(yè)大學(xué)，現(xiàn)太原理工大學(xué)在讀工程碩士，工程師。