地震作用下的橋墩結構抗震計算研究

頡元偉

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

1 工程概況

本文以成都軌道交通18號線二期工程太平隧道～絳溪河分界點高架區間(48+88+48) m懸灌預應力混凝土連續梁為研究對象，進行橋墩結構抗震計算研究。首先利用MIDAS軟件建立全橋模型，其次采用反應譜分析法得到E1地震作用下橋墩的內力情況，并對其進行強度驗算；最后對橋墩進行彎矩-曲率分析，進而對其進行非線性時程分析，驗算E2和E3地震作用下橋墩的延性。通過本文的分析，能清楚地了解地震作用下的橋墩結構驗算，具有一定的實際運用價值。詳細內容見下文。

2 地震作用

2.1 設防烈度及場地類別

本場區設防烈度7度，場地類別Ⅱ類，場地特征周期Tg=0.45 s，重點設防類。

2.2 抗震設計參數及反應譜曲線

(1)根據《城市軌道交通結構抗震設計規范》(GB50909)要求，抗震設計反應譜曲線表達式為：

式子中：S為加速度反應譜；αmax為峰值最大加速度；βm為動力放大系數；T為結構周期；Tg為特征周期；γ為下降段的衰減指數。

規范中反應譜設計參數如表1所示。

(2)規范的E1地震彈性反應譜曲線如圖1所示，其中50年超越概率為63%的彈性反應譜應考慮結構使用年限調整系數1.4，計算采用兩種反應譜分別計算，取計算結果包絡值進行設計驗算。

表1 規范反應譜參數

(3)E2地震作用和E3地震作用宜按非線性時程分析方法進行結構的地震作用計算。設計地震動加速度時程可人工生成，且不少于3組。本計算分析采用的加速度時程為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地震彈性反應譜曲線

圖2 E3地震作用加速度時程

3 分析方法與模型建立

3.1 抗震分析方法

本設計采用Midas 2015(Ver.8.3.2 R1)進行分析，不同地震水準地震作用下結構分析方法如表2所示。

表2 不同地震水準作用分析方法

3.2 全橋模型

該連續的橋墩為花瓶型獨柱墩，獨立承臺-群樁基礎；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。全橋整體力學模型如圖3所示。

圖3 計算模型

4 E1地震作用下橋墩驗算

分析地震作用下順橋向和橫橋向的橋墩內力情況，并根據《城市軌道交通結構抗震設計規范》對橋墩強度進行驗算，結果見表3，結果表明，該橋墩的強度均滿足設計要求。

表3 橋墩偏心壓彎構件強度驗算結果

5 E2、E3地震作用橋墩延性驗算

5.1 彎矩-曲率分析

根據《城市軌道交通結構抗震設計規范》中附錄G.1.1計算橋墩的截面彎矩-曲率關系。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，如圖5所示。

圖5 E3地震作用時程分析延性系數

E2地震作用下，橋墩基礎延性系數均小于1，結構仍處于彈性工作階段，結構構件性能等級為1，滿足設計要求。

E3地震作用下，主墩縱橫向均未發生屈服，邊墩縱向均未發生屈服，邊墩橫向均未發生屈服，主墩最大延性系數0.8，構件性能等級1，邊墩最大延性系數1.1，性能等級2，均滿足要求；橋墩先于樁基基礎屈服耗能，滿足能力保護構件設計原則，樁基基礎得以受到上部失效保護，處于彈性階段，滿足規范要求。

6 結論

實際工程中在分析地震作用下的橋墩結構是否滿足設計要求時，應注意以下幾方面：

(1)應建立全橋模型，不可只建立橋梁的下部結構；

(2)建立下部結構時，應模擬樁土相互作用，以便盡可能準確地反映結構與土體的相互作用；

(3)E1地震作用分析時，應首先驗算結構的內力；其次再對其進行強度驗算，主要包括計算混凝土的應力和鋼筋的應力，進而驗算順橋向和橫橋向所配鋼筋能滿足設計要求；

(4)E2、E3地震作用分析時，應首先對橋墩結構進行彎矩-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MIDAS軟件施加E2和E3作用對應的非線性時程曲線，進而計算得到橋墩的延性系數，以便分析其延性性能是否滿足設計要求。