罕遇地震下U形梁高架车站延性抗震设计

徐学斌

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

延性抗震设计是指通过塑性变形来吸收地震能量，延长结构振动周期，减小地震荷载效应的设计方法[1-2]。因此，对桥梁结构进行弹塑性地震响应分析和延性抗震设计具有重要的工程价值[3-4]。

以天津市滨海新区Z4线某U形梁高架车站为研究对象，建立轨道梁下部结构纤维模型，对其进行弹塑性分析[5-6]，并对桥墩进行延性抗震设计。

1 弹塑性分析模型

1.1 工程实例

研究对象为路中高架三层侧式车站，主体结构为钢筋混凝土框架结构，地上两层，抗震设防烈度为8度，地震动峰值加速度为0.20g，车站内轨道梁为U形梁，圆弧形桥墩，钻孔桩基础，如图1。

1.2 计算模型

采用Midas/Civil软件，建立车站轨道梁1～6号墩有限元分析模型。U形轨道梁、站台梁荷载、车站结构外力利用集中节点质量实现。桥墩墩底采用纤维梁单元(塑性铰)，即墩底1倍墩身顺桥向长度单元被赋予非弹性铰特征，墩身采用梁单元。1号和6号墩为联接墩，分别接连续梁与道岔梁，2号和5号墩不承受站厅层荷载(但考虑楼梯荷载)，3号和4号墩同时承受站厅层荷载。地基与基础对结构作用按照群桩模拟，采用RB程序计算墩顶单位力、单位弯矩作用下承台底位移与转角，群桩刚度见表1。

图1 车站布置(单位：cm)

墩号墩底纵宽/m墩底横宽/m墩总高/mSDX/(kN/m)SDY/(kN/m)SDZ/(kN/m)SRX/(kN·m/rad)SRY/(kN·m/rad)SRZ/(kN·m/rad)1号34.5156.65×1056.70×1059.32×1069.51×1075.27×1071.00×1092号34.5149.88×1059.88×1051.24×1071.28×1081.28×1081.00×1093号34.5141.02×1061.02×1061.24×1071.28×1081.28×1081.00×1094号34.5149.79×1059.79×1051.24×1071.28×1081.28×1081.00×1095号34.5141.01×1061.01×1061.24×10671.28×1081.28×1081.00×1096号34.515.247.14×1057.21×1059.40×1069.60×1075.32×1071.00×109

1.3 材料本构关系

纤维单元本构关系的选择对于计算精度影响显著[7-8]，本研究对象的钢筋本构关系选取双折线模型，假定钢筋达到屈服应力fy之前接近理想弹性体，屈服后塑性应变范围很大而应力保持不变，接近理想塑性体(忽略应变硬化)。混凝土本构关系选取Mander模型，通过计算箍筋的有效约束力并利用极限强度准则计算约束混凝土的峰值强度，以保证非线性地震反应分析结果的准确可靠[9]。

1.4 桥墩截面纤维离散化

根据桥墩墩身配筋检算结果，墩身均采用HRB500钢筋，C50混凝土，截面钢筋布置形式如表2。

表2 墩身配筋

以1号墩为例，墩身截面尺寸及钢筋布置形式如图2所示。箍筋均采用φ20HRB400钢筋，间距为10 cm。

图2 1号墩截面钢筋布置(单位：cm)

为了方便计算，将墩身截面等效为矩形，外缘7 cm区域为保护层混凝土，钢筋以内区域为核心混凝土，墩底截面离散化如图3所示。

图3 1号墩截面离散化

2 罕遇地震时程响应分析

2.1 地震动输入

根据地震安全评估报告提供的桥址基岩处加速度时程曲线，经过计算分析，选取罕遇地震作用(50年超越概率2%)的第三个样本作为地震动输入，如图4所示。

图4 地震动加速度时程曲线

2.2 自振特性分析

图5 罕遇地震下1号墩内力及位移时程

采用多重Ritz向量法对桥墩进行自振特性分析，部分模态自振频率及振型见表3。

表3 桥墩自振特性

2.3 地震时程响应分析结果

假设E3地震作用下，桥墩处于弹性工作阶段，不进行刚度折减[10]。弹性状态下，桥墩控制截面的内力组合结果见表4。

表4 桥墩控制截面的内力组合

由计算结果可知：E3地震作用下，简支U形梁桥墩顺桥向及横桥向均进入弹塑性工作阶段，对各屈服处设塑性铰进行非线性时程分析。以1号墩为例，图5给出了部分墩底弯矩、剪力、墩顶位移时程。

3 罕遇地震下桥墩延性抗震验算

3.1 钢筋和钢筋混凝土构件验算

根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》，钢筋和钢骨混凝土柱式构件的破坏形态应按公式(1)进行判定。

弯曲破坏形式

Vmu≤Vyd

(1)

剪切破坏形式

Vmu>Vyd

(2)

沿顺桥向和横桥向的抗剪强度及其钢骨混凝土柱式构件破坏形态判定见表5、表6。

表5 桥墩顺桥向斜截面抗剪强度验算

表6 桥墩横桥向斜截面抗剪强度验算

由计算结果可知，E3地震下，桥墩剪切强度满足规范要求。

3.2 桥墩变形验算

根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》，判别为弯曲破坏的小轴压比柱式构件，其性能等级可按构件转角或塑性铰区转角划分，并针对各性能等级界限值验算构件转角变形。沿顺桥向和横桥向的桥墩转角界限值验算见表7、表8。

表8 桥墩横桥向塑性铰转角界限值验算

由计算结果可知，E3地震作用下，桥墩的塑性铰区转角均小于转角界限值，满足抗震设计规范要求。

3.3 延性比验算

根据《铁路工程抗震设计规范》[12]，延性系数计算公式为

(3)

顺桥向和横桥向延性比计算见表9。

由计算结果可知，E3地震作用下，桥墩非线性位移延性比满足抗震设计规范要求。

表9 桥墩延性比验算

4 结论

(1)纤维梁单元用于城市轨道交通轨道梁下桥墩非线性弹塑性地震响应分析时，应考虑箍筋对混凝土的约束作用，其求解精度满足工程需求，为城市轨道交通桥墩延性抗震设计提供了实用的分析手段及设计思路。

(2)在罕遇地震作用下，轨道梁下桥墩顺桥向及横桥向均进入弹塑性工作阶段，应对各屈服处塑性铰进行非线性时程分析。

(3)非线性时程分析结果表明，桥墩的剪切强度、塑性铰区转角、桥墩延性比、桩基础整体抗震性能均小于界限值，满足抗震设计规范要求。

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