城市軌道交通高架橋橋墩延性抗震設計分析

錢　光，李　靜（.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢　430063；.武漢二航路橋特種工程有限責任公司，湖北武漢　43007）

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城市軌道交通高架橋橋墩延性抗震設計分析

錢光1，李靜2
（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢430063；2.武漢二航路橋特種工程有限責任公司，湖北武漢430071）

摘要橋梁延性抗震理論及設計方法已被國內外工程界廣泛接受，國內外關于橋梁延性抗震設計的研究成果也很多。本文結合一軌道交通線獨柱墩的設計，建立結構-樁-土相互作用力學模型，并采用約束混凝土的概念，按《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166—2011）進行橋墩延性抗震分析，為今后同類橋梁設計提供借鑒。

關鍵詞抗震；延性設計；城市軌道交通；高架橋

1　延性抗震設計

軌道交通高架橋多位于城市交通密集處，對安全性的要求非常高。我國屬于地震多發區，在興建城市軌道交通時，都會涉及到結構抗震問題。

對組成城市交通要道的工程結構，要求其在遭受地震災害時，盡管可能嚴重損壞，但要免于倒塌破壞，這是結構抗震設防的最低目標，也是延性抗震設計的基本思想。

延性抗震理論不同于強度理論，其通過結構選定部位的塑性變形（形成塑性鉸）來抵抗地震作用。利用選定部位的塑性變形，不僅能消耗地震作用產生的能量，還能延長結構振動周期，從而減小地震反應。它反映了一種非彈性變形的能力，即結構從屈服到破壞的后期變形能力，這種能力能保證結構強度不會因為發生非彈性變形而急劇下降，從而保證結構在遭遇設計預期地震作用時，即使發生嚴重破壞，也能避免結構倒塌。

2　工程實例

本文以某軌道交通線雙線簡支梁15 m高獨柱式橋墩為例，簡支梁采用單箱單室，梁高1. 80 m，跨高比16. 67，橋面寬9. 20 m，底部寬4. 10 m。成橋效果見圖1。橋墩底部截面橫橋向寬2. 80 m，順橋向寬2. 00 m，詳細尺寸見圖2。主筋配置直徑為28 mm的HRB400鋼筋，間距12. 50 cm，橫橋向主筋根數為21根，順橋向主筋根數為14根，全截面配筋率為0. 673％。底部塑性鉸區域箍筋配置直徑為12 mm的HRB400鋼筋，順橋向箍筋肢數為10肢，橫橋向箍筋肢數為8肢，其體積配箍率為0. 788％，均滿足規范要求。

圖1　成橋效果

圖2　橋墩截面尺寸（單位：cm）

3　計算分析

3. 1模型建立

該地區位于7度地震區，反應譜擬合的相關參數見表1。擬合后的場地水平加速度反應譜曲線見圖3。

表1　E2地震反應譜擬合參數

圖3　場地水平加速度反應譜

本文以雙線簡支梁15 m高獨柱式橋墩為例，采用MIDAS/CIVIL建立結構模型，采用反應譜法，在E2地震作用下對橋墩進行延性抗震分析。墩身、承臺、基礎采用梁單元模擬，將橋墩混凝土定義為PM塑性鉸。

利用程序自帶的功能計算橋墩彎矩-曲率關系，并按規范要求得到橋墩有效截面抗彎慣性矩。圖4和圖5為橋墩2個方向M -Φ曲線。表2為截面有效剛度系數等計算參數。

圖4　順橋向M -Φ曲線

圖5　橫橋向M -Φ曲線

表2　有效剛度參數

3. 2計算結果

3. 2. 1強度驗算

根據程序彎矩-曲率曲線計算，得到橋墩截面的極限彎矩，計算得到橋墩在E2地震作用下塑性鉸區域的剪力設計值。同時根據規范要求，按實際配筋對其進行能力保護抗震驗算，其計算結果見表3。

表3　抗剪強度驗算

計算結果表明，橋墩底部可能出現塑性鉸區域的剪切強度大于其在地震中可能承受的最大剪力，滿足截面抗剪強度要求，即在地震力作用下不會發生剪切脆性破壞。

3. 2. 2變形驗算

利用計算得到橋墩截面的極限曲率及屈服曲率，根據規范相關要求，計算得到橋墩2個方向的容許位移，將其與地震作用下墩頂位移進行比較，具體結果見表4。

表4　墩頂位移及容許位移

計算結果表明，橋墩在地震作用下墩頂可能產生的最大位移能滿足構件變形要求。

4　結論與建議

本文通過工程實例，按CJJ 166—2011要求，對軌道交通高架橋簡支梁獨柱式橋墩進行延性抗震設計，總結得出了如下結論，可為今后該類地區同類橋梁的設計提供借鑒。

1）在地震作用下，橋墩底部區域可能出現塑性鉸。采用能力保護設計方法進行延性抗震設計，對塑性鉸區域鋼筋配置進行相關驗算，能有效確保結構構件不發生剪切脆性破壞，充分發揮構件的延性能力。

2）構件中縱向鋼筋的配置需要滿足一定范圍，縱向受拉鋼筋的增加，總體上對延性有不利的影響。

3）在塑性鉸區域適當加密箍筋配置，可以有效提高橋墩延性，避免因箍筋失效或不足而引起的剪切破壞。在設計中應對塑性鉸位置箍筋的配置引起足夠的重視。

參考文獻

［1］范立礎.橋梁抗震［M］.上海：同濟大學出版社，1997.

［2］中華人民共和國住房和城鄉建設部. CJJ 166—2011城市橋梁抗震設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2012.

［3］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.

［4］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.

［5］李國豪.橋梁結構穩定與振動［M］.北京：中國鐵道出版社，1992.

［6］包立新，李小珍，衛星，等.宜賓長江公路大橋斜拉橋抗震性能評價［J］.工程力學，2008，25（2）：174-182.

［7］范立礎，李建中.高架橋梁抗震設計［M］.北京：人民交通出版社，2001.

（責任審編趙其文）

Seismic Design Analysis of Viaduct Pier Ductility for Urban Rail Transit

QIAN Guang1，LI Jing2
（1. China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430063，China；2. CCCC Road & Bridge Special Engineering Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430071，China）

AbstractT he ductility seismic theory and design method of bridge have been widely conducted in this field. In this paper，ductility seismic design of single column pier of urban rail transit was introduced. A model was built with consideration of interaction of structure，piles and soil. Concrete confinement effect was analyzed. T he ductility seismic design was based on the provisions in Code for Seismic Design of Urban Bridges（C JJ 166—2011）.

Key wordsSeismic resistance；Ductility design；Urban rail transit；Viaduct

中圖分類號U442. 5+5

文獻標識碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 08

文章編號：1003-1995（2016）06-0031-03

收稿日期：2016-02-18；修回日期：2016-03-22

作者簡介：錢光（1984—），男，工程師，碩士。