孟加拉國鐵路橋梁抗震設計研究

李秀華 曹海靜 王玉玨

（1.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都610031；2.中鐵西南科學研究院有限公司，成都610031）

孟加拉國基礎設施建設非常落后，已經嚴重影響了該國經濟和社會發展。在中國共建“一帶一路”的倡議下，中孟兩國在公路、鐵路、水利、電力等多方面開展了深入合作，根據2011—2030年規劃，孟加拉國將修建4 500 km鐵路［1］。孟加拉國的地質條件和自然環境復雜，且缺乏鐵路設計規范。因此，本文以孟加拉帕德瑪大橋鐵路連接線項目為依托，通過合理選用規范體系，開展鐵路橋梁抗震設計研究。

1 孟加拉國地質構造基本特征

孟加拉國位于南亞次大陸的東北部，是世界上最大的三角洲，全境約75%的國土面積是由恒河、布拉馬普特拉河、梅格納河以及許多支流的沖積層、洪積層組成的平原地區，僅東南部為丘陵和山地。孟加拉國位于世界最活動的大地構造區之一，受印度板塊和西藏、緬甸次板塊的互相碰撞推沖，導致北部和東部地震活動頻繁。全國河流縱橫交織，沼澤多，河水流量充沛，主要災害為洪災，洪水期持續3～4個月［2-3］。

三角洲沉積環境獨特，廣泛分布著超深厚的沖積成因地層，主要為淤泥、黏土、粉細砂、細砂等軟弱土層。在深厚覆蓋層地區尤其是軟土地區開展工程建設，不可避免地會遇到軟土的低強度、高壓縮性、低承載力、觸變性、蠕變性、軟土震陷等地質問題。帕德瑪河兩岸均為深厚的第四系河流沖積物（Q4al），以粉質砂土層為主；在深度130 m未能揭示到基巖［4-5］。

孟加拉帕德瑪大橋鐵路連接線為連接孟加拉國東西部鐵路的主要通道，是孟中印緬通道的一部分，該線路為單線客貨共線鐵路［6］。線路始于既有達卡中心車站，經過馬瓦、跨帕德瑪大橋抵達邦嘎樞紐，與福里德布爾—邦嘎鐵路相連，再經卡西亞尼樞紐與馬杜克哈里—卡西亞尼鐵路相連，最終到達杰索爾與西南部鐵路干線網相連，新建鐵路全長168.8 km［7］。孟加拉帕德瑪大橋鐵路連接線區域的主要不良地質為砂土液化，特殊巖土為人工填土、軟土及軟黏土。

2 孟加拉國抗震規范研究

2.1 地震區劃

孟加拉國規范沿用了美國抗震的理念，與印度規范類似，以50年超越概率2%的最大考慮地震（Maximum Considered Earthquake，MCE）作為編圖基準，將MCE乘以2/3得到設計基準地震（Design Basis Earthquake，DBE）。為保證全國具有統一的抗倒塌水準，依據MCE把全國分成4個區（圖1）。地震作用計算時以DBE為基礎，并考慮場地類別、重要性系數、結構延性等因素加以修正［8］。區域系數Z見表1。帕德瑪大橋鐵路連接線主要穿越范圍為Z=0.20和Z=0.12的2個區域。

2.2 場地類別與設計地震反應譜

孟加拉國規范以場地土平均剪切波速、平均標準貫入擊數和不排水抗剪強度來綜合確定場地類別，分為SA，SB，SC，SD，SE，S1和S27類場地，見表2。帕德瑪大橋鐵路連接線場地類型主要為SD類。

圖1 孟加拉國地震動參數區劃圖

表1 孟加拉國地震分區及區域系數

表2 孟加拉國場地類別劃分

孟加拉國規范的設計反應譜形狀與中國規范接近，只是參數有所區別。決定反應譜取值的因素主要包括區域地震動水平、結構重要性、結構類型、阻尼比以及場地類別。

孟加拉國設計加速度反應譜函數Sa表達式為

式中：I為結構重要性系數；R為結構響應折減系數，與結構延性有關；Cs為標準加速度反應譜，計算式為

式中：S為場地系數；TB，TC，TD均為由場地土決定的常數（表3）；T為結構自振周期，s；η為阻尼修正系數，當阻尼比ξ為5%時η=1，阻尼比為其他值時，η=。

表3 場地類別對應參數

孟加拉國規范不同場地類別下設計加速度反應譜見圖2。可知，隨著場地土的密實度、堅硬程度的下降，Cs呈上升趨勢（SC類除外），其中SE類場地土Cs峰值最高，SD類場地土Cs峰值平臺段最長。所有場地類別峰值平臺段周期均介于0.15～0.80 s。

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圖2 孟加拉國規范不同場地類別下設計加速度反應譜

關于I和R，孟加拉國規范中只有建筑結構的取值，而橋梁結構無相關規定。因此，建議參考與孟加拉國規范相近的印度橋梁規范進行取值［9］，結構重要性系數I見表4，結構響應折減系數R見表5。由于孟加拉國規范要求I/R≤1，可參考表中取值，但應限制I/R≤1。

表4 結構重要性系數

表5 結構響應折減系數R

2.3 地震力組合

孟加拉國規范依據重要性程度、區域系數和場地類別將結構分為B，C，D 3類。對于B類結構，允許以2個正交方向單獨作用地震力，并且可忽略其正交組合作用的影響。對于C，D類結構，應在對于B類結構要求的基礎上，同時考慮一個主要方向100%地震力與其正交方向30%的地震力作用進行組合，并考慮其最不利情況組合。對于鐵路橋梁，可認為是生命線工程，因此建議按照C，D類結構相同標準要求設計。

3 孟加拉鐵路橋梁抗震設計

對于風荷載、地震荷載等與結構所在地區的自然條件息息相關的荷載只能采用當地規范，但孟加拉國建筑規范僅適用于建筑結構，對于鐵路橋梁缺乏相應的結構響應系數、結構驗算等規定，孟加拉國沒有鐵路和橋梁的相關設計規范，無法完成鐵路橋梁抗震設計和驗算，因此只能用世界范圍內成熟的橋梁抗震規范進行設計。考慮到中國設計人員更熟悉中國規范，因此以孟加拉國建筑抗震規范劃定的地區地震動水平和場地類別作為輸入條件，參考相近體系印度規范的參數取值和中國成熟的橋梁抗震規范體系（JTGT B02-01—2008《公路橋梁抗震設計細則》、GB 50111—2006《鐵路工程抗震設計規范》、CJJ 166—2011《城市橋梁抗震設計規范》等）進行設計和驗算，以保證橋梁工程的安全性和經濟性。

3.1 設計加速度時程

正確選擇地震加速度時程曲線，要滿足地震動三要素的要求，即頻譜特性、有效峰值和持續時間。地震動幅值包括加速度、速度和位移的峰值、最大值或某種意義上的有效值。因為地面峰值加速度（Ground Peak Acceleration，GPA）并非描述地震動的最理想參數，由高頻成分所組成的個別尖銳峰值對結構的影響并不明顯［10］，因此采用有效峰值加速度（Effective Peak Acceleration，EPA）。有效峰值加速度的定義是阻尼比為5%的加速度反應譜高頻段的平均值除以放大系數β。美國抗震設計樣板規范ATC3-06定義5%阻尼比的加速度反應譜高頻段（0.1～0.5 s）的平均值除以2.5為EPA；中國建筑抗震設計規范定義EPA為阻尼比為5%的加速度反應譜相應平臺段的加速度反應譜平均值除以放大系數（約2.25）［11］。根據孟加拉國反應譜函數特點，取阻尼比為5%的加速度反應譜相應平臺段的加速度反應譜平均值除以放大系數2.5。因此，EPA取決于結構重要性系數I、橋址處的區域系數Z、結構響應折減系數R、場地系數S和結構阻尼比ξ，在確定場地后可以通過查閱區劃圖和相關取值表后計算得到EPA，按式（3）計算。

對于頻譜特性和持續時間，可按照孟加拉國設計地震反應譜，通過反應譜與功率譜的近似關系式，求出相應的功率譜再合成人工地震波［12］，人工地震波應保證有效持時并考慮場地類別的影響。帕德瑪大橋鐵路連接線擬合的地震波曲線（圖3）可直接導入有限元分析軟件進行抗震設計，解決了國內有限元軟件不包含孟加拉國反應譜的問題。

圖3 帕德瑪大橋鐵路連接線某橋設計地震波

3.2 抗震計算和驗算

帕德瑪大橋鐵路連接線項目橋梁類型包括鋼板梁、鋼桁梁和混凝土箱梁的簡支梁橋，對應的橋墩類型有雙柱墩、圓端形墩和矩形墩，特殊情況下還有門式墩。考慮橋墩類型、經濟性等因素，采用能力保護設計思想進行抗震設計。

4 結論

1）孟加拉國三角洲地層具有天然含水量較大、空隙比大、高液限、含有機質、壓縮性較高、承載力極低、滲透性差等特點，主要存在地基沉降變形量大、不均勻沉降等問題。地震活動較為強烈，地基土易發生液化和震陷。

2）對于風荷載、地震荷載等與結構所在地區的自然條件相關的荷載應采用當地規范，但孟加拉國建筑規范僅適用于建筑結構，難以保證設計的安全和合理性。因此，將孟加拉國的地震動烈度水平和場地類別作為輸入條件，參考印度規范取值并采用中國抗震規范體系進行設計和驗算，從而保證橋梁工程的安全性和經濟性。

3）地面峰值加速度GPA并非描述地震動的最理想參數，因此采用有效峰值加速度EPA作為描述地震動水準指標。設計采用阻尼比為5%的加速度反應譜高頻段的平均值除以放大系數2.5計算得出EPA，按照孟加拉國設計反應譜擬合地震波，以綜合反映頻譜特性和場地的影響。

4）我國GB 50111—2006《鐵路工程抗震設計規范》采用經典的強度設計方法，未在不同性質的構件之間形成適當的強度安全等級級差。考慮到本項目設計的橋墩剛度相比國內偏小，結合橋墩類型和構造特點，采用能力保護設計思想指導抗震設計，保證橋梁結構的安全和經濟性。