雙柱式橋墩橫向抗震能力pushover分析

【摘要】本文以某雙柱式圓形橋墩為研究對象，介紹了pushover的分析方法和步驟。利用有限元分析軟件Midas-Civil對其進行在罕遇地震作用下橫橋向pushover分析，得出了結構在強震作用下的整體變形和屈服后的響應，同時分析結構局部的塑性變形機制和塑性鉸位置發生屈服的先后順序。

【關鍵詞】雙柱墩；pushover分析；抗震性能；塑性鉸；

采用Pushover法可以有效地對雙柱式橋墩的橫向抗震能力進行評估，該方法假定雙柱式橋墩由單一振型控制，作用于結構的地震荷載等效為單調遞增的側向力，將橋墩推至一個給定的目標位移，從而掌握雙柱式橋墩在大震作用下耗能能力和位移需求。

1、數值算例

1.1 基本資料

合肥南站站前廣場配套工程G3號墩為雙柱式橋墩，按地震烈度7度設防，場地為Ⅱ類場地，墩底到蓋梁頂的高度H = 4.5 m，墩蓋梁的高度h = 1.2 m，兩墩柱中心距離為5m，墩柱的橫截面為直徑1 m的圓形，墩柱墩帽均采用C40鋼筋混凝土。結構模型示意圖見圖 1.

本算例采用有限元軟件Midas civil 2010進行分析計算，模型中的墩柱和蓋梁均采用梁單元來模擬，墩底固結，塑性鉸采用分布塑性鉸。

1.2 分析方法

結構目標位移的確定和水平荷載模式的選擇，是靜力彈塑性分析方法的兩個關鍵環節。本分析模型采用基于目標位移的位移控制法，即指定蓋梁端部的橫橋向最大位移值。

目前確定結構的目標位移有以下幾種方法：一是時程分析法；二是能力譜方法；三是位移系數法。能力譜法是首先通過pushover分析得到結構的剪力-位移曲線，并將它等效轉換成單自由度體系的能力譜曲線。需求譜曲線是由地震運動的反應譜曲線轉換而來，它反應的是地震荷載對結構的需求。地震需求譜曲線和結構能力譜曲線有交點，則說明結構的抗震能力滿足要求。若無交點則須修改設計直至滿足要求，如圖2所示。

1.3 塑性鉸區域及特性

當地震力作用在雙柱式橋墩的橫橋向時，墩柱的頂部和底部為潛在塑性鉸區。本文采用目標位移法對雙柱式橋墩進行橫向的pushover分析，鉸的特性采用FEMA鉸，其特性如圖3所示。

AB段為構件的彈性受力階段，此時構件的剛度為其初始剛度；當荷載達到屈服點B后，構件進入強度硬化階段，此區段構件剛度為初始剛度的10%左右；CD區段時構件卸載，鋼筋拉斷或混凝土壓碎，構件抵抗能力下降并進入初始破壞階段；構件在DE區段強度大幅度降低，直至到達最大變形能力的E點，此時結構已不能繼續承受荷載作用。

1.4 計算結果分析

彎矩-曲率關系是進行橋梁結構彈塑性分析的最基本的一步。本文利用Midas civil有限元軟件計算出塑性鉸區的彎矩-曲率關系，如圖4所示。其中，混凝土采用Mander本構模型，而鋼筋采用雙折線本構模型。

由墩柱彎矩-曲率關系圖可以得出墩柱的屈服彎矩和等效屈服曲率，根據規范《公路橋梁抗震設計細則（JTG/T B02-01-2008）》中6.1.6條，則可以計算出墩柱截面的有效抗彎剛度為Ieff，進而算出結構在罕遇地震下的位移。

由圖5可知，地震需求曲線和結構能力曲線有交點，則說明結構的抗震能力滿足要求，結構尺寸及相應配筋是合適的。找到了結構的功能點，即可以進行結構的抗震性能評估。由圖可知，功能點處于能力曲線的彈性段，因此可以宏觀的評估該雙柱墩結構在地震作用下具有較充足的抗震能力。

由圖5可知，第二折線末端為塑性鉸達到其最大轉角，結構的容許位移△u介于0.065m～0.07m之間。

特征周期Tg=0.35，橫橋向結構自振周期T=0.265

計算表明，E2地震作用墩頂位移滿足要求，墩柱塑性鉸區域的塑性變形能力滿足規范要求。

由圖6可以很直觀看到各塑性鉸位置的屈服順序。變形開始階段各塑性鉸位置均處在彈性狀態，隨著彎矩的增加，右側墩頂塑性鉸區在第14加載步驟時率先開始屈服，然后左側墩頂、右側墩底和左側墩底的塑性鉸區相繼發生屈服。當右側墩頂塑性鉸區達到極限彎矩時（即第二段折線末端，對應第84加載步驟），其余塑性鉸區并未達到各自的極限彎矩，但此時結構已開始進入初始破壞狀態，故應以此點的極限彎矩來控制設計并驗算結構。圖7～圖8為第14和第84加載步驟時橋墩的橫橋向位移圖。

結論：

（1）采用pushover法對雙柱式橋墩的橫向抗震能力進行評估是簡單有效的，利用有限元分析軟件Midas Civil對雙柱式橋墩進行pushover分析能大大簡化設計計算工作，并且可以清晰地反映結構在強震作用下的性能。

（2）通過Pushover分析不僅可以獲得雙柱式橋墩的整體變形，還可以得出構件屈服后的響應和極限承載能力，同時可獲得結構局部的塑性變形機制和塑性鉸位置發生屈服的先后順序。

參考文獻：

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