基于 MIDAS 桥梁墩柱抗震验算分析

基于 MIDAS 桥梁墩柱抗震验算分析

摘 要：以郑州市某跨河桥为工程背景，以现行规范为基础，运用有限元软件 midas 建立模型，结合反应谱法对该桥桥墩进行 E1 和 E2 地震作用下的抗震验算。通过桥梁抗震验算可知，满足抗震设防目标，满足规范要求，其方法可为同类桥梁抗震验算提供参考。

0 引 言

随着我国城市化进程的加快，桥梁作为城市交通基础设施中的重要枢纽，迎来了高速建设期。地震是一种破坏严重的自然灾害，在地震时，桥墩作为桥梁主要的承重构件，受到破坏会导致桥梁坍塌、交通中断。进行正确有效的抗震设计，使桥梁在可能发生的地震作用下能继续安全可靠地运行，是我国桥梁设计人员桥梁抗震设计的目标。

本文以郑州市某主干路跨河 V 形刚构景观桥为例，运用有限元软件 MIDAS Civil 建立有限元模型，结合反应谱分析方法，进行该桥梁的动力特性及地震响应分析，并进行抗震性能验算，可为同类桥梁抗震计算提供参考。

1 基本概况

1. 1 桥梁概况

桥梁上部结构为跨经（20+30+20）m 等截面连续梁，分左、右两幅设计，左幅桥宽 25.5 m，右幅桥宽 28.5 m，单箱五室直腹板截面。中心梁高 1.6 m，两幅桥悬臂长度外侧 1.87 m。每幅箱梁梁顶设置1.5%的横坡，梁底水平。桥墩采用 V 形墩，每个墩由交角约 80°的 V 腿构成，V 腿均为等高度矩形断面，墩垂直高度 4.5 m，尺寸（B×H）均为 16 m×1 m，钢筋混凝土结构。顺桥向 V 墩顶部与上部箱梁相接；V 墩底部与承台相接，两 V 腿之间设 R=0.8 m圆弧段相连。基础采用桩基础。

1.2 抗震计算基本参数

根据 《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）[1]的划分，该区地震基本烈度为 7 度，设计基本地震加速度值为 0.15g，场地特征周期为 Tg=0.55 s，场地类别按Ⅲ类考虑。根据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166—2011）[2]，该桥抗震设防类别为标准设防类（丙类），该桥抗震设计用 A 类设计方法，混凝土结构阻尼比采用 ξ=0.05。主要针对 V 墩应进行 E1 和 E2 地震作用下的抗震分析和验算，并应满足《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166—2011）中结构抗震体系及相关构造和抗震措施的要求。

2 有限元模型的建立及动力特性分析

采用有限元分析软件 MIDAS，按照设计图纸建立全桥空间有限元模型，二期恒载和横隔板等荷载作为梁单元附加质量作用于整体模型。在桥梁地震反应分析中，一般考虑桩 - 土 - 结构相互作用[3]，采用节点弹性支撑来模拟桩土作用，采用“m”法确定土弹簧的水平刚度[4]，桩底固结。计算模型以纵桥向为 X 轴，横桥向为 Y 轴，竖桥向为 Z 轴。有限元模型如图 1 所示。

图 1 桥梁有限元模型

采用多重 Ritz 向量法进行特征值分析。提取桥梁结构前 10 阶振型（篇幅有限，仅列前 5 阶），在计算方向上的有效振型参与质量均大于结构质量的90%，满足规范关于振型阶数的要求。桥梁前 5 阶周期和频率见表 1。

表 1 桥梁前 5 阶振型特性

3 地震响应及抗震性能分析

3.1 地震动反应谱

一般情况下，城市桥梁可只考虑水平向地震作用[2]，该桥只分析水平向地震作用。根据前述场地地震基本参数，采用基于随机振动理论的 CQC 法，拟合场地在 E1、E2 地震作用下水平加速度反应谱曲线[5]，如图 2、图 3 所示。

图 2 E1 地震加速度反应谱曲线

图 3 E2 地震加速度反应谱曲线

3.2 抗震性能分析

该工程桥梁墩高较矮，地震发生时，V 墩最大响应发生在墩底截面。利用 MIDAS 软件自带功能，计算 V 墩截面弯矩曲率关系，得到 V 墩验算截面初始屈服弯矩及理想屈服弯矩。图 4 和图 5 分别为 V 墩两个水平方向截面的 M-φ曲线。

图 4 顺桥向 M-φ 曲线

图 5 横桥向 M-φ 曲线

依据规范中要求的抗震验算方法[2]，对 V 墩分别输入 E1 及 E2 地震下的水平加速度反应谱，进行反应谱分析和抗震性能验算[6]。

E1 地震作用下 V 墩底部截面顺桥向响应如图6 所示，横桥向响应如图 7 所示。在水平地震力作用下，桥墩最不利地震响应出现在墩底，分别提取出顺桥向和横桥向最不利截面弯矩值，通过表 2的数据值可以看出，在 E1 地震作用下，V 墩截面顺桥向弯矩和横桥向弯矩均小于其截面初始屈服弯矩，处于弹性状态，强度满足现行规范要求。

图 6 E1 地震作用下顺桥向 V 墩截面弯矩包络图

图 7 E1 地震作用下横桥向 V 墩截面弯矩包络图

表 2 E1 地震作用下 V 墩截面内力响应 kN•m

E2 地震作用下 V 墩底部截面顺桥向响应如图8 所示，横桥向响应如图 9 所示。在水平地震力作用下，桥墩最不利地震响应仍然出现在墩底，分别提取出顺桥向和横桥向最不利截面弯矩值，通过表 3 的数据值可以看出，在 E2 地震作用下，V 墩截面顺桥向弯矩和横桥向弯矩均小于其截面初始屈服弯矩，也小于截面理想屈服弯矩，说明墩身处于弹性状态，未进入塑性阶段，可以不需要进行桥墩在弹塑性阶段的塑性铰抗剪强度和塑性铰转动能力验算，强度满足现行规范要求。

图 8 E2 地震作用下顺桥向 V 墩截面弯矩包络图

图 9 E2 地震作用下横桥向 V 墩截面弯矩包络图

表 3 E2 地震作用下 V 墩截面内力响应 kN•m

4 结 语

通过桥梁抗震验算可知，该桥在 E1 地震作用下，桥墩处于弹性受力状态，满足“小震不坏”的抗震设防目标，满足规范要求，桥梁可在不需要修复的情况下继续使用；E2 地震作用下，桥墩未进入塑性变形阶段，仍然处于弹性状态，满足“大震不倒”的抗震目标，满足规范要求，桥梁可在不需要修复的情况下继续使用[2，7]。

摘自：城市道桥与防洪