雙柱偏心墩抗震性能研究

孫 兵

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市200092）

0 引言

本文以某高架建設工程為實例進行分析，高架主線道路等級為城市主干路，雙向六車道。高架全長約2.95 km，道路為東西走向。在XP42~XP45墩之間有古城墻保護遺址即永安堡遺址，橋墩布置應避開遺址保護區(qū)域，同時也要避開既有的防洪涵，因此橋墩布置偏離道路中心線。工程所處位置建設環(huán)境比較復雜，橋下立墩條件較差，抗震設計也比較復雜。橋墩布置偏離道路中心線，導致兩側(cè)墩柱受力差別較大。雙柱偏心墩如圖1所示，左側(cè)墩柱距道路中心線4.7m，右側(cè)橋墩距道路中心線9.3m。

本文對該工程中比較有代表性的一聯(lián)進行地震響應分析?？鐝讲贾脼?×30m預應力混凝土連續(xù)梁，橋?qū)?1.5m。下部橋墩為雙柱偏心墩，如圖2所示。

1 結(jié)構(gòu)分析模型

為了研究雙柱偏心墩的抗震力學性能，利用midas Civil建立空間有限元動力分析模型。在模型中，主梁、橋墩和承臺采用梁單元進行模擬；考慮到樁土相互作用，群樁基礎采用6×6彈簧模擬樁基礎的剛度[4]，將6×6彈簧剛度指定到相應的承臺底節(jié)點；支座為摩擦擺減隔震支座，在結(jié)構(gòu)分析中，采用一般連接模擬支座的雙線性力學特性。計算模型如圖3所示。

圖1 XP42 墩雙柱偏心墩構(gòu)造圖（單位：m）

圖2 3×30 m 預應力混凝土連續(xù)梁（單位：m）

圖3 3×30 m 預應力混凝土連續(xù)梁m idas Civil 空間計算模型

根據(jù)《城市橋梁抗震設計規(guī)范》（CJJ 166—2011）[1]規(guī)定，減隔震抗震體系可只進行E2地震作用下的抗震性能分析，因此本文只進行E2狀態(tài)下橋墩和樁基礎的縱橫向地震響應的計算分析。

2 地震響應分析

2.1 地震作用

根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范（2016年版）》（GB 50011—2010）[2]附錄A，擬建場地的抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.20g，設計地震分組為第二組。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015）[3]，確定反映譜特征周期為0.55 s。根據(jù)《城市橋梁抗震設計規(guī)范》（CJJ 166—2011）[1]第4章，結(jié)合剪切波速測試資料及區(qū)域地質(zhì)資料，綜合確定該橋擬建場地的場地土類型為中軟土，工程場地類別為Ⅲ類。根據(jù)《城市橋梁抗震設計規(guī)范》（CJJ 166—2011）[1]表3.1.1，結(jié)合該橋的實際情況，綜合確定該橋的抗震設防分類為乙類。

該橋進行分析的E2地震作用下反應譜曲線和地震動加速度時程分別如圖4、圖5所示。E2地震作用下采用非線性時程分析[5]，分析結(jié)果取七條地震動加速度時程結(jié)果的平均值。圖5僅示出一條地震動加速度時程的曲線。E2地震作用下的反應譜曲線根據(jù)《城市橋梁抗震設計規(guī)范》（CJJ 166—2011）[1]得到。E2地震作用下地震動加速度時程由E2地震作用下的反應譜擬合得到。

圖4 E2 地震作用下反應譜曲線

圖5 E2 地震作用下地震動加速度時程

2.2 承臺底地震響應

利用midas Civil對該橋進行E2地震作用下非線性時程分析，得到承臺底的縱橋向和橫橋向地震響應，見表1、表2。

表1 E2 地震作用下縱橋向承臺底地震響應

表2 E2 地震作用下橫橋向承臺底地震響應

表1、表2中L表示左側(cè)靠近道路中心線橋墩，R表示右側(cè)遠離道路中心線橋墩。從表1、表2地震作用下承臺底地震響應可以看出，縱橋向左側(cè)橋墩承臺底軸力、剪力和彎矩比右側(cè)橋墩承臺底相應地震響應大，橫橋向左側(cè)橋墩承臺剪力和彎矩比右側(cè)橋墩承臺底相應地震響應大，橫橋向左右兩側(cè)橋墩軸力響應差別較小。這表明由于雙柱偏心墩的雙柱相對于道路中心線不對稱，存在偏心，導致雙柱的地震響應出現(xiàn)巨大差異，靠近道路中心線側(cè)的橋墩受力極為不利。因此應對靠近道路中心線側(cè)的橋墩和樁基進行較高等級的抗震措施設計，以滿足結(jié)構(gòu)安全性的要求，相應遠離道路中心線側(cè)的橋墩和樁基采用相對較低等級的抗震措施，以同時滿足安全性和經(jīng)濟性的要求。

2.3 雙柱偏心墩墩底地震響應

利用midas Civil對該橋進行E2地震作用下非線性時程分析，得到雙柱偏心墩墩底的縱橋向和橫橋向地震響應，見表3、表4。

表3、表4中L表示左側(cè)靠近道路中心線橋墩，R表示右側(cè)遠離道路中心線橋墩。從表3、表4地震作用下雙柱偏心墩墩底地震響應可以看出，縱橋向墩底軸力不是特別大，但是橫橋向墩底軸

表3 E2 地震作用下縱橋向雙柱偏心墩墩底地震響應

表4 E2 地震作用下橫橋向雙柱偏心墩墩底地震響應

力比較大。這表明由于雙柱偏心墩偏離道路中心線，兩側(cè)橋墩的不對稱導致橫橋向橋墩地震軸力較大，因此雙柱偏心墩橋墩橫橋向受力較為不利。縱橋向左側(cè)橋墩墩底軸力、剪力和彎矩比右側(cè)橋墩墩底相應地震響應大，橫橋向左側(cè)橋墩墩底地震響應和右側(cè)橋墩墩底相應地震響應相比差別不大。因此縱橋向橋墩抗震措施應分別設計，橫橋向橋墩抗震措施可采用相同的設計，以滿足對結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟性的要求。

2.4 雙柱偏心墩樁基地震響應

由2.2節(jié)中得到的承臺底地震響應，利用承臺底的內(nèi)力來計算得到單樁的最不利地震響應。單樁最不利地震響應見表5、表6。

表5、表6中L表示左側(cè)靠近道路中心線橋墩，R表示右側(cè)遠離道路中心線橋墩。從表5、表6地震作用下雙柱偏心墩樁基地震響應可以看出，縱橋向樁基軸力很大，但是橫橋向樁基軸力不是很大。這表明雙柱偏心墩樁基縱向地震軸力較為不利?？v橋向左側(cè)橋墩樁基軸力、剪力和彎矩比右側(cè)橋墩樁基相應地震響應大，橫橋向左側(cè)橋墩樁基地震響應和右側(cè)橋墩樁基相應地震響應相比差別不大。因此縱橋向兩側(cè)橋墩樁基抗震措施應分別設計，橫橋向兩側(cè)橋墩樁基抗震措施可采用相同的設計。

表5 E2 地震作用下縱橋向雙柱偏心墩樁基地震響應

表6 E2 地震作用下橫橋向雙柱偏心墩樁基地震響應

3 結(jié) 語

經(jīng)過對雙柱偏心墩進行建模分析并對其橋墩墩底和樁基地震響應進行分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）雙柱偏心墩雙柱對于道路中心的不對稱，導致左右兩側(cè)立柱出現(xiàn)了地震響應的巨大差異。

（2）從承臺底的地震響應可以看出，左側(cè)靠近道路中心線橋墩比右側(cè)遠離道路中心線橋墩受力較為不利，縱橫向承臺底地震彎矩相差不大。

（3）從橋墩墩底地震響應可以看出，縱橋向左側(cè)靠近道路中心線橋墩墩底地震響應比右側(cè)遠離道路中心線橋墩墩底地震響應大，橫橋向左側(cè)靠近道路中心線橋墩墩底地震響應和右側(cè)遠離道路中心線橋墩墩底地震響應相比差別不大。

（4）從樁基地震響應可以看出，縱橋向左側(cè)靠近道路中心線橋墩樁基地震響應比右側(cè)遠離道路中心線橋墩樁基地震響應大，橫橋向左側(cè)靠近道路中心線橋墩樁基地震響應和右側(cè)遠離道路中心線橋墩樁基地震響應相比差別不大。

綜上，左右兩側(cè)橋墩應該分別進行抗震措施的設計，靠近道路中心線橋墩和樁基應采取較高等級的抗震措施，遠離道路中心線橋墩和樁基應采取相對較低等級的抗震措施，以滿足對結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟性的要求。