双柱偏心墩抗震性能研究

孙 兵

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市200092）

0 引言

本文以某高架建设工程为实例进行分析，高架主线道路等级为城市主干路，双向六车道。高架全长约2.95 km，道路为东西走向。在XP42~XP45墩之间有古城墙保护遗址即永安堡遗址，桥墩布置应避开遗址保护区域，同时也要避开既有的防洪涵，因此桥墩布置偏离道路中心线。工程所处位置建设环境比较复杂，桥下立墩条件较差，抗震设计也比较复杂。桥墩布置偏离道路中心线，导致两侧墩柱受力差别较大。双柱偏心墩如图1所示，左侧墩柱距道路中心线4.7m，右侧桥墩距道路中心线9.3m。

本文对该工程中比较有代表性的一联进行地震响应分析。跨径布置为3×30m预应力混凝土连续梁，桥宽31.5m。下部桥墩为双柱偏心墩，如图2所示。

1 结构分析模型

为了研究双柱偏心墩的抗震力学性能，利用midas Civil建立空间有限元动力分析模型。在模型中，主梁、桥墩和承台采用梁单元进行模拟；考虑到桩土相互作用，群桩基础采用6×6弹簧模拟桩基础的刚度[4]，将6×6弹簧刚度指定到相应的承台底节点；支座为摩擦摆减隔震支座，在结构分析中，采用一般连接模拟支座的双线性力学特性。计算模型如图3所示。

图1 XP42 墩双柱偏心墩构造图（单位：m）

图2 3×30 m 预应力混凝土连续梁（单位：m）

图3 3×30 m 预应力混凝土连续梁m idas Civil 空间计算模型

根据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166—2011）[1]规定，减隔震抗震体系可只进行E2地震作用下的抗震性能分析，因此本文只进行E2状态下桥墩和桩基础的纵横向地震响应的计算分析。

2 地震响应分析

2.1 地震作用

根据《建筑抗震设计规范（2016年版）》（GB 50011—2010）[2]附录A，拟建场地的抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组为第二组。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）[3]，确定反映谱特征周期为0.55 s。根据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166—2011）[1]第4章，结合剪切波速测试资料及区域地质资料，综合确定该桥拟建场地的场地土类型为中软土，工程场地类别为Ⅲ类。根据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166—2011）[1]表3.1.1，结合该桥的实际情况，综合确定该桥的抗震设防分类为乙类。

该桥进行分析的E2地震作用下反应谱曲线和地震动加速度时程分别如图4、图5所示。E2地震作用下采用非线性时程分析[5]，分析结果取七条地震动加速度时程结果的平均值。图5仅示出一条地震动加速度时程的曲线。E2地震作用下的反应谱曲线根据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166—2011）[1]得到。E2地震作用下地震动加速度时程由E2地震作用下的反应谱拟合得到。

图4 E2 地震作用下反应谱曲线

图5 E2 地震作用下地震动加速度时程

2.2 承台底地震响应

利用midas Civil对该桥进行E2地震作用下非线性时程分析，得到承台底的纵桥向和横桥向地震响应，见表1、表2。

表1 E2 地震作用下纵桥向承台底地震响应

表2 E2 地震作用下横桥向承台底地震响应

表1、表2中L表示左侧靠近道路中心线桥墩，R表示右侧远离道路中心线桥墩。从表1、表2地震作用下承台底地震响应可以看出，纵桥向左侧桥墩承台底轴力、剪力和弯矩比右侧桥墩承台底相应地震响应大，横桥向左侧桥墩承台剪力和弯矩比右侧桥墩承台底相应地震响应大，横桥向左右两侧桥墩轴力响应差别较小。这表明由于双柱偏心墩的双柱相对于道路中心线不对称，存在偏心，导致双柱的地震响应出现巨大差异，靠近道路中心线侧的桥墩受力极为不利。因此应对靠近道路中心线侧的桥墩和桩基进行较高等级的抗震措施设计，以满足结构安全性的要求，相应远离道路中心线侧的桥墩和桩基采用相对较低等级的抗震措施，以同时满足安全性和经济性的要求。

2.3 双柱偏心墩墩底地震响应

利用midas Civil对该桥进行E2地震作用下非线性时程分析，得到双柱偏心墩墩底的纵桥向和横桥向地震响应，见表3、表4。

表3、表4中L表示左侧靠近道路中心线桥墩，R表示右侧远离道路中心线桥墩。从表3、表4地震作用下双柱偏心墩墩底地震响应可以看出，纵桥向墩底轴力不是特别大，但是横桥向墩底轴

表3 E2 地震作用下纵桥向双柱偏心墩墩底地震响应

表4 E2 地震作用下横桥向双柱偏心墩墩底地震响应

力比较大。这表明由于双柱偏心墩偏离道路中心线，两侧桥墩的不对称导致横桥向桥墩地震轴力较大，因此双柱偏心墩桥墩横桥向受力较为不利。纵桥向左侧桥墩墩底轴力、剪力和弯矩比右侧桥墩墩底相应地震响应大，横桥向左侧桥墩墩底地震响应和右侧桥墩墩底相应地震响应相比差别不大。因此纵桥向桥墩抗震措施应分别设计，横桥向桥墩抗震措施可采用相同的设计，以满足对结构安全性和经济性的要求。

2.4 双柱偏心墩桩基地震响应

由2.2节中得到的承台底地震响应，利用承台底的内力来计算得到单桩的最不利地震响应。单桩最不利地震响应见表5、表6。

表5、表6中L表示左侧靠近道路中心线桥墩，R表示右侧远离道路中心线桥墩。从表5、表6地震作用下双柱偏心墩桩基地震响应可以看出，纵桥向桩基轴力很大，但是横桥向桩基轴力不是很大。这表明双柱偏心墩桩基纵向地震轴力较为不利。纵桥向左侧桥墩桩基轴力、剪力和弯矩比右侧桥墩桩基相应地震响应大，横桥向左侧桥墩桩基地震响应和右侧桥墩桩基相应地震响应相比差别不大。因此纵桥向两侧桥墩桩基抗震措施应分别设计，横桥向两侧桥墩桩基抗震措施可采用相同的设计。

表5 E2 地震作用下纵桥向双柱偏心墩桩基地震响应

表6 E2 地震作用下横桥向双柱偏心墩桩基地震响应

3 结 语

经过对双柱偏心墩进行建模分析并对其桥墩墩底和桩基地震响应进行分析，可以得出以下结论：

（1）双柱偏心墩双柱对于道路中心的不对称，导致左右两侧立柱出现了地震响应的巨大差异。

（2）从承台底的地震响应可以看出，左侧靠近道路中心线桥墩比右侧远离道路中心线桥墩受力较为不利，纵横向承台底地震弯矩相差不大。

（3）从桥墩墩底地震响应可以看出，纵桥向左侧靠近道路中心线桥墩墩底地震响应比右侧远离道路中心线桥墩墩底地震响应大，横桥向左侧靠近道路中心线桥墩墩底地震响应和右侧远离道路中心线桥墩墩底地震响应相比差别不大。

（4）从桩基地震响应可以看出，纵桥向左侧靠近道路中心线桥墩桩基地震响应比右侧远离道路中心线桥墩桩基地震响应大，横桥向左侧靠近道路中心线桥墩桩基地震响应和右侧远离道路中心线桥墩桩基地震响应相比差别不大。

综上，左右两侧桥墩应该分别进行抗震措施的设计，靠近道路中心线桥墩和桩基应采取较高等级的抗震措施，远离道路中心线桥墩和桩基应采取相对较低等级的抗震措施，以满足对结构安全性和经济性的要求。