多维地震作用下高铁桥梁圆端形桥墩易损性分析.docx

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多维地震作用下高铁桥梁圆端形桥墩易损性分析

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沈惠军王浩郑文智梁瑞军沙奔许俊红

摘要：圆端形桥墩在高铁桥梁中应用广泛，为研究其在多维地震动作用下的易损性，首先基于OpenSees建立了某典型三跨高铁连续梁桥的非线性动力分析模型;然后以相对位移延性比为桥墩的损伤指标，确定了固定中墩各破坏状态的相对位移延性比界限值;最后，在考虑地震动输入角的基础上，基于易损性分析方法，对比分析了固定中墩顺桥向和横桥向的地震响应。结果表明：①同一地震动输入角下，固定中墩顺桥向的墩顶峰值位移平均值远大于横桥向;②当PGA值和地震动输入角都相同时，固定中墩顺桥向达到各破坏状态的概率明显大于横桥向，因此，在设计时应优先考虑顺桥向的破坏概率;③固定中墩顺桥向各破坏状态易损性云图的波动性明显大于横桥向，所以地震动输入角对固定中墩顺桥向的影响不容忽视。

关键词：高铁桥梁;圆端形桥墩;地震易损性;多维地震动;相对位移延性比;地震动输入角

：U442.5+5??：A??：1000-0666（2021）02-0225-08

0引言

近年来，我国高铁里程不断增加，线路跨越地域广，地理环境复杂多变，且多条线路位于地震多发区。在已开通的高速铁路中，桥梁里程占总线路里程的比重较高，京津、京沪高铁的桥梁里程比重都达到了80%以上（郑健，2018），因此研究高铁桥梁的抗震性能意义重大。大量的桥梁抗震资料显示，桥梁在地震荷载作用下主要为下部结构的破坏，如墩柱开裂、钢筋外露或屈曲、箍筋破坏等（陈惠发，段炼，2008）。因此，保证墩柱的抗震性能对高铁桥梁的抗震安全性尤为重要。

与公路桥梁相比（Zhengetal，2019a，b），高速铁路桥梁墩柱厚重，纵横向宽度比较大，纵筋率普遍较低，一般低于1%，为满足列车平稳运行和舒适度的要求，桥跨结构的纵横向刚度要求较一般铁路更高，因此需要在设计中充分控制桥墩的刚度。我国高速铁路借鉴了欧洲、日本、韩国和我国台湾地区的桥墩形式，综合我国的特有环境，主要有圆端形墩、矩形墩、单圆柱式墩、双柱式墩等几种形式（徐勇等，2010），其中又以圆端形墩最为常见。针对该类型桥墩，国内很多学者进行了相关研究。鞠彦忠等（2003）对圆端形桥墩进行了拟静力与拟动力试验，得到了纵筋率为0.1%和0.2%桥墩的滞回、耗能特性及延性。孙卓等（2006）进行了纵筋率为0.78%～2%的圆端形桥墩模型的拟静力试验，得到了纵筋率对该类桥墩抗震性能参数的影响。陈令坤等（2011）分析了圆端型墩高速铁路桥梁的弹塑性地震反应，结果表明设计地震作用下桥墩处于弹性状态，罕遇地震作用下墩底进入弹塑性状态。李秉南等（2014）研究了纵筋采用500MPa级细晶粒钢筋的高速铁路圆端形桥墩的抗震性能，结果表明配置HRBF500钢筋的圆端形桥墩具有良好的抗震性能，可在高速铁路工程中安全应用。以上均是关于高铁圆端形桥墩的抗震性能及地震响应的研究，然而，考虑地震动输入角的多维地震作用下圆端形桥墩高铁桥梁地震易损性尚需进一步研究。

为此，本文以某典型三跨高铁连续梁桥为背景，首先基于OpenSees建立了该桥的空间有限元模型;然后以相对位移延性比为桥墩的损伤指标，确定了固定中墩各破坏状态的相对位移延性比界限值;最后，在考虑地震动输入角的基础上，对比分析了固定中墩顺桥向和横桥向的墩顶峰值位移和易损性。

1高铁连续梁桥分析模型

以某（48+80+48）m跨预应力混凝土高铁连续梁桥为工程背景进行分析，如图1所示。主梁为单箱单室截面，桥墩为圆端形截面。中墩和边墩的纵筋配筋率分别为0.87%和0.55%，箍筋配筋率分别为0.41%和0.34%。P1墩和P4墩底部的桩基由12根直径为1.25m的圆形桩组成，桩长57m;P2墩和P3墩底部的桩基由12根直径为2m的圆形桩组成，桩长78m。支座采用球形钢支座，其中固定支座位于P2墩处，具体布置如图2所示。主梁、桥墩和桩基分别采用C50、C35和C30混凝土。

基于OpenSees平台建立了该桥的空间有限元模型。主梁采用弹性梁柱单元模拟，桥面附属结构和轨道系统质量赋予给该弹性梁柱单元，不考虑附属结构的刚度（Wangetal，2019）。桥墩采用非线性纤维梁柱单元模拟，其单元划分如图3所示。钢筋采用以Giuffre-Menegotto-Pinto本构为基础的Steel02单轴材料模拟，可以同时考虑钢筋拉压方向的各向同性强化，其本構如图4a所示，fy和εy分别为屈服应力和屈服应变，fu和εu分别为极限应力和极限应变。约束混凝土和非约束混凝土采用Concrete02单轴材料模拟，其受压段为Kent-Scott-Park本构模型，可以通过混凝土峰值应力、峰值应变和退化斜率等参数来考虑横桥向箍筋的约束影响，受拉段则考虑了混凝土的受