罕遇地震下U形梁高架車站延性抗震設計

徐學斌

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

延性抗震設計是指通過塑性變形來吸收地震能量，延長結構振動周期，減小地震荷載效應的設計方法[1-2]。因此，對橋梁結構進行彈塑性地震響應分析和延性抗震設計具有重要的工程價值[3-4]。

以天津市濱海新區Z4線某U形梁高架車站為研究對象，建立軌道梁下部結構纖維模型，對其進行彈塑性分析[5-6]，并對橋墩進行延性抗震設計。

1 彈塑性分析模型

1.1 工程實例

研究對象為路中高架三層側式車站，主體結構為鋼筋混凝土框架結構，地上兩層，抗震設防烈度為8度，地震動峰值加速度為0.20g，車站內軌道梁為U形梁，圓弧形橋墩，鉆孔樁基礎，如圖1。

1.2 計算模型

采用Midas/Civil軟件，建立車站軌道梁1～6號墩有限元分析模型。U形軌道梁、站臺梁荷載、車站結構外力利用集中節點質量實現。橋墩墩底采用纖維梁單元(塑性鉸)，即墩底1倍墩身順橋向長度單元被賦予非彈性鉸特征，墩身采用梁單元。1號和6號墩為聯接墩，分別接連續梁與道岔梁，2號和5號墩不承受站廳層荷載(但考慮樓梯荷載)，3號和4號墩同時承受站廳層荷載。地基與基礎對結構作用按照群樁模擬，采用RB程序計算墩頂單位力、單位彎矩作用下承臺底位移與轉角，群樁剛度見表1。

圖1 車站布置(單位：cm)

墩號墩底縱寬/m墩底橫寬/m墩總高/mSDX/(kN/m)SDY/(kN/m)SDZ/(kN/m)SRX/(kN·m/rad)SRY/(kN·m/rad)SRZ/(kN·m/rad)1號34.5156.65×1056.70×1059.32×1069.51×1075.27×1071.00×1092號34.5149.88×1059.88×1051.24×1071.28×1081.28×1081.00×1093號34.5141.02×1061.02×1061.24×1071.28×1081.28×1081.00×1094號34.5149.79×1059.79×1051.24×1071.28×1081.28×1081.00×1095號34.5141.01×1061.01×1061.24×10671.28×1081.28×1081.00×1096號34.515.247.14×1057.21×1059.40×1069.60×1075.32×1071.00×109

1.3 材料本構關系

纖維單元本構關系的選擇對于計算精度影響顯著[7-8]，本研究對象的鋼筋本構關系選取雙折線模型，假定鋼筋達到屈服應力fy之前接近理想彈性體，屈服后塑性應變范圍很大而應力保持不變，接近理想塑性體(忽略應變硬化)。混凝土本構關系選取Mander模型，通過計算箍筋的有效約束力并利用極限強度準則計算約束混凝土的峰值強度，以保證非線性地震反應分析結果的準確可靠[9]。

1.4 橋墩截面纖維離散化

根據橋墩墩身配筋檢算結果，墩身均采用HRB500鋼筋，C50混凝土，截面鋼筋布置形式如表2。

表2 墩身配筋

以1號墩為例，墩身截面尺寸及鋼筋布置形式如圖2所示。箍筋均采用φ20HRB400鋼筋，間距為10 cm。

圖2 1號墩截面鋼筋布置(單位：cm)

為了方便計算，將墩身截面等效為矩形，外緣7 cm區域為保護層混凝土，鋼筋以內區域為核心混凝土，墩底截面離散化如圖3所示。

圖3 1號墩截面離散化

2 罕遇地震時程響應分析

2.1 地震動輸入

根據地震安全評估報告提供的橋址基巖處加速度時程曲線，經過計算分析，選取罕遇地震作用(50年超越概率2%)的第三個樣本作為地震動輸入，如圖4所示。

圖4 地震動加速度時程曲線

2.2 自振特性分析

圖5 罕遇地震下1號墩內力及位移時程

采用多重Ritz向量法對橋墩進行自振特性分析，部分模態自振頻率及振型見表3。

表3 橋墩自振特性

2.3 地震時程響應分析結果

假設E3地震作用下，橋墩處于彈性工作階段，不進行剛度折減[10]。彈性狀態下，橋墩控制截面的內力組合結果見表4。

表4 橋墩控制截面的內力組合

由計算結果可知：E3地震作用下，簡支U形梁橋墩順橋向及橫橋向均進入彈塑性工作階段，對各屈服處設塑性鉸進行非線性時程分析。以1號墩為例，圖5給出了部分墩底彎矩、剪力、墩頂位移時程。

3 罕遇地震下橋墩延性抗震驗算

3.1 鋼筋和鋼筋混凝土構件驗算

根據《城市軌道交通結構抗震設計規范》，鋼筋和鋼骨混凝土柱式構件的破壞形態應按公式(1)進行判定。

彎曲破壞形式

Vmu≤Vyd

(1)

剪切破壞形式

Vmu>Vyd

(2)

沿順橋向和橫橋向的抗剪強度及其鋼骨混凝土柱式構件破壞形態判定見表5、表6。

表5 橋墩順橋向斜截面抗剪強度驗算

表6 橋墩橫橋向斜截面抗剪強度驗算

由計算結果可知，E3地震下，橋墩剪切強度滿足規范要求。

3.2 橋墩變形驗算

根據《城市軌道交通結構抗震設計規范》，判別為彎曲破壞的小軸壓比柱式構件，其性能等級可按構件轉角或塑性鉸區轉角劃分，并針對各性能等級界限值驗算構件轉角變形。沿順橋向和橫橋向的橋墩轉角界限值驗算見表7、表8。

表8 橋墩橫橋向塑性鉸轉角界限值驗算

由計算結果可知，E3地震作用下，橋墩的塑性鉸區轉角均小于轉角界限值，滿足抗震設計規范要求。

3.3 延性比驗算

根據《鐵路工程抗震設計規范》[12]，延性系數計算公式為

(3)

順橋向和橫橋向延性比計算見表9。

由計算結果可知，E3地震作用下，橋墩非線性位移延性比滿足抗震設計規范要求。

表9 橋墩延性比驗算

4 結論

(1)纖維梁單元用于城市軌道交通軌道梁下橋墩非線性彈塑性地震響應分析時，應考慮箍筋對混凝土的約束作用，其求解精度滿足工程需求，為城市軌道交通橋墩延性抗震設計提供了實用的分析手段及設計思路。

(2)在罕遇地震作用下，軌道梁下橋墩順橋向及橫橋向均進入彈塑性工作階段，應對各屈服處塑性鉸進行非線性時程分析。

(3)非線性時程分析結果表明，橋墩的剪切強度、塑性鉸區轉角、橋墩延性比、樁基礎整體抗震性能均小于界限值，滿足抗震設計規范要求。

[1] 禚一，王菲.罕遇地震下城際鐵路連續梁橋延性抗震設計[J].鐵道工程學報，2012(4):66-71

[2] 錢光，李靜.城市軌道交通高架橋橋墩延性抗震設計分析[J].鐵道建筑，2016(6):31-32

[3] 禚一，李忠獻.鋼筋混凝土纖維梁柱單元實用模擬平臺[J].工程力學，2011(4):102-108

[4] 胡松松，王毅娟，王健.城市軌道交通橋梁墩柱延性抗震設計方法[J].北京建筑大學學報，2015(1):47-51

[5] 范立礎.橋梁抗震[M].上海:同濟大學出版社，1997

[6] 范立礎，卓衛東.橋梁延性抗震設計[M].北京:人民交通出版社，2001

[7] 孫卓，李建中，閆貴平，等.鋼筋混凝土單柱式橋墩抗震性能試驗研究[J].同濟大學學報(自然科學版)，2006(2):160-164

[8] 赫永峰，禚一.城際鐵路連續梁橋抗震計算方法對比分析[J].鐵道工程學報，2017(6)：43-49

[9] 譚冠生.罕遇地震作用下高墩大跨連續剛構橋地震響應分析[J].鐵道建筑，2016(6):27-30

[10] 毛玉東，李建中.大跨度連續梁橋延性和減隔震設計[J].橋梁建設，2016(3)：92-97

[11] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50909—2014 城市軌道交通結構抗震設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2014

[12] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50111—2006 鐵路工程抗震設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2009