城市軌道交通高架橋梁抗震設計分析

梁軍

摘 要：城市軌道交通能夠極大緩解城市交通壓力，對城市的發展起到了重要的作用，在對城市軌道交通高架橋梁的抗震設計分析時，必須要做好橋梁抗震設防分類、標準以及性能的有效確定，并進行深入研究，然而在實際的高架橋梁抗震設計分析中，由于難以得到橋梁抗震結構相應的精確值，使得抗震結構設計的內力和變形特征很難有效把握，所以只有加強對城市軌道交通高架橋梁的抗震設計分析，并結合設計工作的特點，才能設計出合理的抗震需求。

關鍵詞：軌道交通;橋梁抗震;設計分析

中圖分類號：U442.55 文獻標識碼：A

0 引言

在城市的快速發展中，城市軌道交通具有運量大和速度快等優點，所以能夠有效緩解當今城市的交通運輸壓力，然而在城市軌道交通高架橋梁的設計過程中，就必須做好高架橋梁的防震措施，這是因為城市軌道交通高架橋梁抗震設計中的相關結構尺寸和配筋都由地震的實際情況決定，在抗震分析中，只有使其具有合理的抵抗地震破壞能力，才能更好地推動城市軌道交通的發展。

1 城市軌道交通抗震的分類和目標

1.1 抗震設防的分類

根據地震后，城市軌道交通遭受的破壞程度、人員傷亡、直接損失、間接損失以及社會影響程度等，在抗震救災中對各類建筑進行設防劃分[1]。由于抗震設防分類關系到人們的生命安全以及社會等各方面的因素，所以在城市軌道交通抗震的接受程度、設計工作的實際操作中，合理界定城市軌道交通系統中不同的結構抗震類別，這也是抗震設計工作的必要前提條件。

1.2 抗震設防的標準

城市軌道交通隨著不斷的發展和衍變，在重要的區域設計大跨度的橋梁類型時，往往投資巨大，且設計和施工的難度又非常高，因此對地震作用下的結構安全也提出了更高的要求。基于此，在城市軌道交通的抗震設防中，需要做好抗震設防的標準，考慮到軌道交通線路的連續性和局限性的特點，在制定結構抗震設防的標準時，就需要嚴格考慮到線路的整體安全性。

1.3 抗震設防的目標

城市軌道交通高架橋梁結構抗震設計中常用的設防目標有單一設防水準、雙水準以及三水準等方式。針對正在完善和發展的基于性能抗震設計思路，可以針對不同結構采取多水準設防和多性能設防的設計目標，并對不同程度地采用基于性能的抗震思想設計。在地震作用下的結構抗震性能中，需要各類結構都達到標準的性能需求，做到小幅度地震不會損壞，大幅度地震不會倒塌，中幅度地震只需要維修即可的方式。

2 鋼筋混凝土本構關系

2.1 鋼筋混凝土墩柱模擬

使用鋼筋混凝土墩柱對高架橋梁混凝土墩柱進行計算，采取三維非線性梁柱纖維的方式，并以硬化的修正模型為主。然而在實際的鋼筋對主墩截面中進行纖維劃分時，還需要確保鋼筋混凝土纖維的約束性和非約束性材料模型構建[2]。為了更好地考慮到地震的隨機性，設計的加速時程不得少于三組，并根據工程地震的安全性進行評價報告分析。

2.2 支座模擬

由于高架橋梁抗震設計中，通過支座模擬的方式，采取減隔震效果的球形鋼支座，能夠使該支座的力學性能被簡化，最終為雙線性恢復力學模型，如圖1所示。在支座荷載中，K1是指滑移前水平剛度，K2是指屈后剛度，Kelf是指等效剛度，D是指水平位移，Dy是指靜摩擦屈服位移，Dd是指設計水平的位移，F是指水平回復力，Fd是指最大的回復力，Fly是指支座起滑力。

2.3 橋梁樁基的模擬

對橋梁樁基地震模擬分析中，需要考慮到樁、土結構之間的相互作用，當前在施工中采取的主要方法就是將地基和基礎離散作為質量、癱瘓、阻尼系統，能夠更好地實現與橋梁樁基結構系統的有效整合。在這個過程中，需要沿著深度方向輸入對應的土層進行地震反應分析，將各單樁按照不同的方式集中為質點，并將兩個不同水平方向的群樁節點加入其中，才能有利于對土層場地振動實現有效的加速效果，對基地彈簧的假定常用公式如下σzx=mzxz，公式中的σzx是指土體對樁的橫向抗力，z是指土層的深度，而xz則是指樁在z處的橫向位移[3]。因此可以得出分層土彈簧的剛度公式如下，，公式中的a是指土層的厚度，bp是指樁的計算寬度，m是指土的振動比例系數，一般取值2～3倍左右。

2.4 阻尼模擬

由于在地震作用下的彈塑性響應分析的結構黏滯阻尼耗能通常會采用瑞利阻尼比例，且阻尼系數是根據系統的質量和初始剛度決定的，其計算公式如下，C=aM+bK，其中a，b是指比例系數，并由兩個固定的特有頻率組成，分別是wi，wj和對應的振型阻尼比ξ i，ξ j并從以下兩個公式中可以得到對應的a和b的數據，其公式分別如下，。

3 基礎抗震設計

3.1 規范設計方法

在城市軌道交通高架橋梁抗震設計規范中，大部分情況下都需要按照保護原則進行基礎抗震設計進行[4]。隨著抗震設計逐漸變得規范化后，采用橋墩底部地震力參與最不利荷載組合，可以實現對基礎強度的驗算，當城市軌道交通高架橋梁抗震設計在允許地震范圍的情況下，才能將地震的基礎帶入到一定程度的非線性狀態，以此判定基礎的穩定水平。

3.2 傾斜樁抗震設計

當前大部分城市軌道交通橋梁中，很少采取傾斜樁基礎，但如果是跨海大橋的設計中，為了更好地增強基礎水平的剛度，就需要設置一定數量的傾斜樁。隨著我國經濟建設的發展速度越來越快，軌道交通線路也在不斷擴展，為了更好地滿足軌道交通的基礎運行剛度需求，依舊有可能采用傾斜樁基礎的抗震設計。針對抗震工程的設計研究，地震中高樁碼頭斜樁損壞較為明顯，和豎直樁相比，地震中傾斜樁的承受力比較大，并且還需要分擔著較大的水平地震力，因此屬于重要的抗側力構件。而在對樁群承受豎向與橫向載荷的過程中，斜樁通常也存在一定的優勢，能夠減少水平位移的情況發生，但如果有豎向或者水平土體位移的情況，群樁的工作特性就不會受到較大的影響。

4 城市軌道交通高架橋梁抗震反應分析

4.1 高架橋梁計算模型

城市軌道交通高架橋梁抗震反應分析時，必須對高架橋梁計算模型進行有效分析，采用有限元空間的方式，建立起模型分析，才能確保橋梁結構的質量。而在高架橋梁模型的建模過程中，還需要針對橋梁的主梁、橋墩和承臺等單元進行模擬，有利于更好地計算出高架橋梁的模型圖，如圖2所示。

4.2 高架橋梁結構動力特性

在高架橋梁結構動力特征的建模中，必須采取多重向量的方式對高架橋梁結構動力特征進行求解。但由于橋梁成橋前，一般會有10個階段的自振頻率以及振型周期性的特點。這10個階段的自振頻率周期一般都處于1.211 s～

2.055 s之間，所以能夠同時做到縱向與橫向振動。

4.3 常遇地震工況下強度驗算

首先是結構內力的計算中，在城市軌道交通高架橋梁抗震分析中，應分別計算順橋與橫橋的水平地震作用。其次是對結構強度的驗算時，如果遇到地震時，高架橋梁結構就必須處于彈性工作的階段中，有利于更好地控制墩底截面的強度，其中混凝土最大應力為13.7，鋼筋最大應力為112.71，混凝土容許壓應力為20.25，鋼筋容許應力為270。而各控制墩底截面強度驗算中，混凝土最大應力為11.8，鋼筋最大應力為98.48，混凝土容許壓應力為20.25，鋼筋容許應力為270。通常情況下，在對城市軌道交通高架橋梁抗震混凝土預應力的結構設計時，由于受彎矩的影響，使得偏心受壓構件的最小配筋率必須不低于0.15%，因此就必須考慮到橋墩作為偏心受壓構件，才能實現對墩身最小配筋率的有效驗算，而主筋直徑和根數分別是順橋向φ28/23和橫橋向φ28/16時，順橋向配筋率為0.31%，最小配筋率為0.15%，橫橋向配筋率為0.22%，最小配筋率為0.15%，同時能夠滿足墩身的需求。

5 結束語

城市軌道交通高架橋梁的抗震設計分析過程中，必須要遵循城市軌道交通的特點和社會因素，才能確保高架橋梁的抗震效果，同時結合國內外橋梁抗震設計規范的研究成果，計算地震反應的抗震設計內容，并采用能力保護原則明確的情況，最終完成結構既定的功能目標需求。

參考文獻：

[1]段昕智.強震區城市高架橋抗震設計的若干問題[J]. 中國市政工程，2019（1）：27-29.

[2]羅剛，劉志軍.城市軌道交通高架橋結構設計研究[J]. 現代城市軌道交通，2019（5）：100-104.

[3]何建梅.城市軌道交通預制節段拼裝單薄壁連續剛構抗震性能分析[J].城市建設理論研究（電子版），2019（3）：142.