轨道交通简支梁钢筋混凝土圆墩地震反应分析

皮景坤　朱君卿

(1. 郑州市轨道交通有限公司　郑州　450000； 2. 北京城建设计发展集团股份有限公司　北京　100037)



轨道交通简支梁钢筋混凝土圆墩地震反应分析

皮景坤1朱君卿2

(1. 郑州市轨道交通有限公司郑州450000； 2. 北京城建设计发展集团股份有限公司北京100037)

摘要结合郑州市第一条城市轨道交通高架桥的工程实例，通过建立有限元计算模型，对简支梁不同墩高的钢筋混凝土圆形桥墩进行结构动力特性分析、E1地震作用下的多振型反应谱分析以及E2地震作用下基于纤维模型的弹塑性非线性时程地震反应分析，研究不同墩高桥墩的抗震性能和地震响应变化规律。结果表明，桥墩在地震作用下满足抗震设计要求，希望为城市轨道交通桥梁钢筋混凝土圆形桥墩抗震设计提供参考。

关键词城市轨道交通；钢筋混凝土圆墩；能力保护；反应谱分析；纤维模型；延性

目前随着国内外震害资料的不断增加，人们对地震动特性以及地震作用下各类结构的动力响应、破坏机理、构件能力的研究和认识也在不断加深[1-3]。城市轨道交通桥梁[4-7]是永久性城市建筑，在不同区域场地地震效应和不同水准地震作用下，对桥梁结构的预期抗震性能会有不同的要求。由于城市轨道交通采用整体道床无缝线路，从下部结构受力合理性考虑，桥梁结构主要以简支梁结构为主，正确研究城市轨道交通桥梁的抗震性能对指导同类工程的设计具有重要的参考意义。

1工程概况

1.1工程简介

笔者以郑州市南四环至郑州南站城郊铁路工程为例进行分析，该工程结构体系采用预制简支U梁体系，标准跨度为30 m，标准墩采用钢筋混凝土圆形桥墩，基础采用钻孔灌注桩，轻型抗震盆式现浇支座。桥墩采用C40混凝土，HRB400钢筋，最小保护层厚度45 mm，尺寸参数如图1和表1所示。

图1　简支梁墩柱立面、侧面

表1　简支梁墩柱类型

1.2工程地质和场地地震效应

拟建场地主要以粉土、粉质黏土，粉砂，黏土，钙质胶结砂土，泥质胶结黏性土为主。场地范围内未发现膨胀土、风化岩及残积土等特殊性岩土分布；场地附近没有断裂经过，场地无滑坡、泥石流、岩溶等不良地质作用。

根据地震安评报告，工程场地不存在坡体地震稳定性问题以及地震液化及软土震陷。本工程抗震设防烈度为7度，场地类别为 Ⅱ 类，地震加速度参数见表2所示。

表2　地震加速度反应谱参数

2有限元模型

2.1全桥计算模型

简支梁桥墩抗震分析采用MIDAS CIVIL软件建立全桥力学模型进行分析计算，E1地震工况采用多振型反应谱分析模型，E2地震采用非线性时程纤维模型，考虑到桥梁结构的刚度和质量分布的影响，采用四跨来模拟，建模时主梁、桥墩、承台均采用空间梁单元来模拟，在承台底用6个弹簧刚度模拟群桩基础的刚度[8-11]，如图2所示。

图2　计算模型

其中边界条件，固定盆式支座可用刚度较大的弹簧单元模拟，一般刚度取值为1×108kN/m，活动盆式支座可模拟为如图3所示的双线性理想弹塑性弹簧单元。

图3　理想双线性弹簧单元恢复力模型

2.2E2地震纤维模型

计算模型墩底塑性角区域采用三维非线性梁柱纤维单元，是钢筋混凝土结构非弹性分析中接近实际结构受力性能的分析模型，其原理是将构件纵向分割成若干段，以每一段中间某一截面的变形代表该段的变形，把横截面按约束混凝土、非约束混凝土、纵向钢筋双向划分为平面网格，每一网格的中心为数值积分点，网格的纵向微段即定义为纤维。通过计算每个纤维的应力，并在断面内进行数值积分，即可求解每个微段的内力变化过程，见图4。

图4　纤维单元模型示意

本次分析钢筋纤维采用考虑了Bauschinger效应和硬化阶段的修正的Menegotto-Pinto本构，如图5所示。

图5　Menegotto-Pinto模型

混凝土纤维采用mander本构，考虑了箍筋对核心混凝土的约束效果，如图6所示。

图6　mander模型

图7　墩底纤维截面划分

对墩底塑性区高度范围内的单元，按照实配钢筋对墩柱截面进行纤维划分，分别对钢筋纤维、约束混凝土和非约束混凝土纤维赋予上述弹塑性材料本构模型。其中，灰色区域即为约束核心混凝土区域，粉红色区域即为非约束混凝土区域，黑色为纵筋，如图7所示。

2.3能力保护设计

由于钢筋混凝土构件的剪切破坏属脆性破坏，是一种危险的破坏模式，对于抗震结构来说，墩柱剪切破坏还会大大降低结构的延性能力。因此，为了保证钢筋混凝土墩柱不发生剪切破坏，从保证结构的抗震安全性角度出发，对于轨道交通桥梁在E2地震作用下按照能力保护设计原则进行抗震设计，桩基础、支座和墩柱抗剪等作为能力保护构件的内力设计值，应根据墩柱塑性铰区域截面的超强弯矩确定。基本思想在于：通过设计，使结构体系中的延性构件和能力保护构件形成强度等级差异，确保结构构件不发生脆性的破坏模式。

桩基础、支座和墩柱抗剪的内力设计值按照能力保护原则设计时，要求设计需求小于其等效屈服弯矩。等效屈服弯矩的计算可根据截面M-φ分析(考虑相应轴力)，把截面M-φ曲线等效为双线性关系，如图8所示。

图8　弯矩曲率曲线关系

3动力特性分析

通过有限元程序，对简支梁进行了模态分析，模态分析采用Lanczos向量法，如表3所示。

4E1地震反应分析

E1地震工况要求结构处于弹性阶段，采用多振型反应谱分析法，振型组合方法采用SRSS法，常数阻尼比值选为0.05，分析时振型阶数应在计算方向获得90%以上的有效质量，以保证分析的正确性。

表3　动力特性

4.1地震反应谱曲线输入

根据工程场地不同超越概率水准下水平加速度时程，根据表2提供的地震加速度反应谱参数计算加速度反应谱(阻尼比5%)，给出50年63%、50年10%、50年2%的概率水平下的地震动加速度放大系数反应谱曲线，如图9所示。

图9　反应谱曲线

4.2E1地震作用下桥墩内力分析

桥梁抗震计算时应分别计算顺桥向和横桥向的水平地震作用，见表4。

表4　简支梁桥墩地震内力响应

通过以上MIDAS计算结果可见，在E1地震作用下，弯矩、剪力随着桥墩墩高的增加有逐渐增大的趋势。

4.3E1地震作用下桥墩强度分析

表5　墩底截面强度分析

通过以上计算结果可见，墩柱的混凝土和钢筋的应力随着墩高的增加逐渐降低，同时，横向地震力产生的效应要大于纵向地震力产生的效应，桥墩在E1地震作用下满足抗震要求。

5E2地震反应分析

E2地震作用下容许结构进入塑性，在钢筋混凝土桥墩抗震延性设计中，为了提高钢筋混凝土墩柱的延性性能，应提高混凝土的横向约束，而混凝土的横向约束依靠箍筋和纵筋来提供，表6为本次分析中桥墩钢筋的配筋率。

5.1地震动时程波输入

采用地震局提供的人工拟合地震波进行时程分析，为考虑地震动的随机性，设计加速度时程不得少于3组，人工时程波曲线如图10所示。

表6　桥墩钢筋配筋率

图10　人工时程波曲线

5.2延性能力分析

以上为MIDAS纤维模型的计算结果，并根据《铁路工程抗震设计规范》7.3.3条[9]进行验算。通过以上延性比计算分析可知，一方面，桥墩的延性比均满足抗震要求，低墩比高墩的延性更为不利；另一方面，由于纵向钢筋配筋率、配箍率以及刚度随着墩高的增加逐渐减低，从表7可以看出，延性比也随着墩高的增加逐渐降低。

表7　标准墩延性计算

5.3能力滞回曲线分析

从能力滞回曲线(见图11)可知，墩柱的非线性最大弯矩随着墩高的增加有增大的趋势，墩柱截面具有一定的耗能能力，表明钢筋屈服后，由于存在一定的剪力、滑移影响滞回曲线，出现了明显“捏拢”现象，也可以看出钢筋屈服后刚度退化较为明显。

5.4能力保护计算

图11　弯矩曲率能力滞回曲线

在E2地震作用下，应按能力保护的设计原则，进行桥墩抗剪、桩基最不利单桩截面承载能力以及支座水平承载力验算，其中桥墩抗剪能力验算依据《城市轨道交通结构抗震设计规范》7.2.1条[10]，桩基能力保护验算依据《城市桥梁抗震设计规范》7.4.3条[11]，支座能力保护验算依据《城市轨道交通结构抗震设计规范》7.5.2条[10]，如表8～10所示。

通过以上分析可知，墩柱抗剪和支座水平承载力验算均满足抗震要求，矮墩剪力较大；桩基在E2地震作用下受拉，其受力模式应按照偏拉构件进行设计，且矮墩配筋量较高墩要多一些。

表8　桥墩控制部位抗剪强度验算

表9　墩柱对应桩基能力保护计算

表10　支座能力保护验算

6结语

本文通过建立有限元计算模型，在地震作用下对不同高度的圆墩进行了地震响应分析，主要结论如下：

1) 通过E1地震作用下的强度分析可知，墩柱的混凝土和钢筋的应力随着桥墩墩高的增加逐渐降低，且横向地震力产生的效应要大于纵向地震力产生的效应，桥墩在E1地震作用下满足抗震性能要求。

2) 通过E2地震作用下的延性能力分析可知，所有桥墩在地震作用下均进入屈服状态，桥墩延性比均满足抗震要求，低墩比高墩的延性更不利；由于纵向钢筋配筋率、配箍率以及刚度随着墩高的增加而逐渐减低，延性比也逐渐降低；从能力滞回曲线分析可知，墩柱的非线性最大弯矩随着墩高的增加有增大的趋势，墩柱截面具有一定的耗能能力，表明钢筋屈服后，由于存在一定的剪力,滑移影响滞回曲线，出现了明显“捏拢”现象，钢筋屈服后刚度退化较为明显。因此，在桥墩设计中应适当增加横向箍筋,不但可以防止纵向钢筋在外侧保护层破损后发生压屈失稳，而且还与纵筋一起形成钢筋笼,限制内部混凝土受压时发生的侧向变形，对内部混凝土产生套箍效应，进而提高混凝土结构的延性。

3) 在E2地震作用下的能力保护计算可知，墩柱抗剪和支座水平承载力验算均满足抗震要求，墩柱剪力和支座剪力随着墩高增加有逐渐下降的趋势，矮墩剪力较大，因此应加强对矮墩的抗剪能力保护设计；桩基在E2地震作用下出现受拉，其受力模式应按照偏拉构件进行设计，且矮墩桩基的配筋量较高墩要多一些。

参考文献

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(编辑：郝京红)

Seismic Responses of Reinforced Concrete Circular Pier for Rail Transit Simply Supported Beam

Pi Jingkun1Zhu Junqing2

(1. Zhengzhou Rail Transportation Co.,Limited, Zhengzhou 450000;2. Beijing Urban Construction Design &Development Group Co., Limited, Beijing 100037)

Abstract:The first urban rail transit viaduct bridge of Zhengzhou city is used as an engineering example for analysis in the paper. A finite element computation model is established to analyze dynamic characteristics of the reinforced concrete circular pier of simply supported beam of different heights; multi-modal response spectrum to E1 earthquake influences, and elastoplastic nonlinear time history seismic response based on fiber model to E2 earthquake influences are studied to find out the variation law of seismic response and seismic performance of piers with different heights. Results show that the bridge piers under seismic influence meets the requirements of anti-seismic design. The research is expected to be used as a reference for the anti-seismic design of reinforced concrete circular bridge pier for bridges of urban rail transit in the future.

Key words:urban rail transit; reinforced concrete circular pier; capacity protection; seismic response spectrum analysis; fiber model; ductility

doi:10.3969/j.issn.1672-6073.2016.03.018

收稿日期:2015-06-11修回日期: 2016-03-21

作者简介:皮景坤，男，硕士，高级工程师，长期从事地铁建设技术和管理工作,549709499@qq.com

中图分类号U233

文献标志码A

文章编号1672-6073(2016)03-0075-06