城市軌道交通橋梁抗震設(shè)計(jì)與研究

韓振

摘要 城軌橋梁的抗震設(shè)計(jì)，能直接影響整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。為在城軌橋梁工程中，不斷優(yōu)化橋梁的抗震性能。文章依據(jù)城軌橋梁及城市橋梁相關(guān)抗震設(shè)計(jì)的要求，分析當(dāng)下橋梁抗震設(shè)計(jì)的不足。為提高城軌橋梁使用的安全性，工程設(shè)計(jì)人員必須在設(shè)計(jì)中明確橋梁抗震設(shè)計(jì)的思路，以全面保證工程設(shè)計(jì)的合理化。

關(guān)鍵詞 城軌橋梁;抗震設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)優(yōu)化

中圖分類號(hào) TU71 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）03-0153-03

0 引言

在城軌橋梁工程的抗震設(shè)計(jì)中，工程設(shè)計(jì)人員必須制定抗震設(shè)計(jì)框架方案，保證設(shè)計(jì)工作的合理性和可行性。并按照工程抗震相關(guān)規(guī)定，嚴(yán)格遵循“小震完好、中震可修、大震不倒”的原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使城軌橋梁始終保持安全運(yùn)行狀況。

1 城軌橋梁抗震設(shè)計(jì)思路

城軌橋梁抗震設(shè)計(jì)，需要對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量進(jìn)行全面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，將橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的地震效應(yīng)控制在規(guī)定范圍內(nèi)。在遇到地震過(guò)程中，其結(jié)構(gòu)基本可以實(shí)現(xiàn)合理緩沖能量波動(dòng)。在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的動(dòng)能加以相互抵消，避免塑性變形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。由于地震的發(fā)生存在不確定性，以及設(shè)計(jì)模型與實(shí)際相差很大。在橋梁工程設(shè)計(jì)中，要以功能要求為出發(fā)點(diǎn)，以靜力分析來(lái)確定具體的設(shè)計(jì)參數(shù)，充分考慮抗震特性，選擇抗震系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)重視上部與下部結(jié)構(gòu)的重要連接，加強(qiáng)橋梁支座的合理選擇，確保設(shè)計(jì)的合理性。為使軌道交通橋梁工程設(shè)計(jì)具有良好的抗震效果，應(yīng)進(jìn)行動(dòng)力分析和地震評(píng)估等，并對(duì)薄弱部位進(jìn)行分析[1]。對(duì)城軌橋梁進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)分析，確定是否使用相關(guān)的加固措施，來(lái)改善其抗震特性。設(shè)計(jì)工作完成后，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)城軌橋梁整體抗震效率進(jìn)行評(píng)估，確定是否要修改相關(guān)抗震設(shè)計(jì)方案。

綜上所述，橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)包括抗震概念設(shè)計(jì)、抗震計(jì)算和抗震結(jié)構(gòu)措施。其中，抗震概念設(shè)計(jì)從概念上進(jìn)行，工程決策從總體結(jié)構(gòu)考慮;抗震計(jì)算主要包括地震反應(yīng)計(jì)算、強(qiáng)度驗(yàn)證計(jì)算和支撐變形驗(yàn)證計(jì)算。抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和措施應(yīng)從結(jié)構(gòu)措施方面考慮。

2 關(guān)于城軌橋梁工程抗震概念設(shè)計(jì)的思考

2.1 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算方法的確定

隨著地震對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的不斷增多，人們對(duì)抗震特性和地震動(dòng)力學(xué)、破壞機(jī)制加強(qiáng)了不斷地研究和探索，同時(shí)提高了認(rèn)識(shí)。由于經(jīng)濟(jì)原因，社會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)在不同級(jí)別地震下的預(yù)期性能有不同的具體要求。從最初的一級(jí)加固設(shè)計(jì)，到抗震設(shè)計(jì)和方法的發(fā)展，逐漸向二、三級(jí)設(shè)計(jì)演變。加強(qiáng)了多層次強(qiáng)化和多目標(biāo)維度的抗震設(shè)計(jì)等[2]。結(jié)合近年來(lái)設(shè)計(jì)及在建城軌高架的抗震設(shè)計(jì)論證報(bào)告框架（如表1所示），不難發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)速度120 km/h以下，抗震設(shè)計(jì)以鐵路標(biāo)準(zhǔn)及城軌標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù);設(shè)計(jì)速度120 km/h以上突破了城軌橋梁設(shè)計(jì)速度要求，目前各大設(shè)計(jì)院均以鐵路標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，其余標(biāo)準(zhǔn)為補(bǔ)充。隨著《市域（郊）鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》的發(fā)布，城軌橋梁基礎(chǔ)向著尺寸更小、結(jié)構(gòu)更輕薄進(jìn)一步發(fā)展，根據(jù)城市橋梁抗震標(biāo)準(zhǔn)對(duì)基礎(chǔ)能力保護(hù)的驗(yàn)算也變得越發(fā)重要了。

2.2 控制工程參數(shù)和指標(biāo)的選取

一般情況下，城軌橋梁設(shè)計(jì)中，其剛度、強(qiáng)度和延性對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能有重要影響。因此，工程設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮各指標(biāo)的應(yīng)用情況，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)工作，避免因工程設(shè)計(jì)強(qiáng)度不合理或延性不足，引起結(jié)構(gòu)抗震性能的缺陷。

在剛度設(shè)計(jì)中，要準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)在地震力作用下變化狀態(tài)，控制好變形量并做好估算，同時(shí)進(jìn)行科學(xué)比較負(fù)載對(duì)比。根據(jù)數(shù)據(jù)值對(duì)結(jié)構(gòu)變形分析，以確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合抗震標(biāo)準(zhǔn)的要求，避免在地震中發(fā)生結(jié)構(gòu)位移問(wèn)題。在校核結(jié)構(gòu)相關(guān)強(qiáng)度指標(biāo)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行全面的驗(yàn)證分析，明確不同強(qiáng)度下結(jié)構(gòu)工程性能，確保有效提高結(jié)構(gòu)的彈性反應(yīng)性能。延性指標(biāo)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)抗震設(shè)計(jì)要求，分析橋梁結(jié)構(gòu)在地震過(guò)程中的特性，明確地震發(fā)生時(shí)的變形過(guò)程，以滿足城軌橋梁初始強(qiáng)度要求。通過(guò)有效的延展性設(shè)計(jì)，防止橋梁發(fā)生倒塌，降低損壞程度。按照相關(guān)規(guī)范，要加強(qiáng)極端和罕見地震下橋梁的延展性，提升其抗震性能[3]。

（1）根據(jù)《城市軌道交通抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件和支座的抗震性能構(gòu)件按照震后無(wú)需修復(fù)、可修復(fù)的損傷、更新?lián)Q構(gòu)件劃分為1～3三個(gè)等級(jí)，而支座根據(jù)考慮是否更換劃分為1～2兩個(gè)等級(jí)。它們與結(jié)構(gòu)抗震關(guān)系應(yīng)滿足如表2所示要求。

（2）按《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)》的相關(guān)要求（如表3所示），根據(jù)地震頻發(fā)校核支柱、基礎(chǔ)、偏心度和穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度，根據(jù)設(shè)計(jì)地震進(jìn)行結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度校核;根據(jù)罕見地震檢查支柱的延性并進(jìn)行最大位移分析。

（3）為實(shí)現(xiàn)墩柱的延性性能，在發(fā)生塑性變形時(shí)，按超強(qiáng)彎矩及其對(duì)應(yīng)的剪力檢算樁基礎(chǔ)、蓋梁、結(jié)點(diǎn)、支座、墩柱強(qiáng)度承載力。根據(jù)《城市軌道交通橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)設(shè)防烈度為6度地區(qū)的A類橋梁、設(shè)防烈度為7 度及以上的A、B類橋梁，其基礎(chǔ)、結(jié)點(diǎn)和支座應(yīng)作為保護(hù)構(gòu)件，對(duì)于墩柱的抗剪宜按保護(hù)原則進(jìn)行有效地設(shè)計(jì)。

3 城軌橋梁抗震計(jì)算流程

3.1 城軌橋梁抗震設(shè)計(jì)的相關(guān)原則

進(jìn)行城軌橋梁抗震設(shè)計(jì)，應(yīng)遵循相關(guān)原則，不斷完善體系設(shè)計(jì)，提高橋梁抗震性能。橋梁動(dòng)力計(jì)算模型必須準(zhǔn)確反映上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)強(qiáng)度和阻尼特性[4]。分析直線地震反應(yīng)時(shí)，考慮沿橋梁方向和交叉口水平方向的運(yùn)動(dòng);在分析地震效應(yīng)時(shí)，建議遵循以下幾點(diǎn)：對(duì)于連接線的方向和相鄰軸豎向連接。多向地震輸入線性以確定地震輸入有利方向。在線性時(shí)程分析時(shí)，柱必須接受能夠指示動(dòng)態(tài)彈塑性運(yùn)動(dòng)的元素;接受地基計(jì)算模型考慮土體與堆積物作用，使用等代土彈簧進(jìn)行必要的模擬，剛度采用M法。

3.2 抗震模型設(shè)計(jì)

以無(wú)錫-宜興軌道交通工程單支雙線標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支橋跨為例，有限元軟件Midas Civil建立了35 m單支座空間有限元模型進(jìn)行抗震分析。考慮相鄰邊界條件的影響，建立3跨簡(jiǎn)支梁模型模擬邊界條件（如圖1所示）。立柱主梁采用空間梁?jiǎn)卧捎脧椈蓜偠染仃嚹M平臺(tái)底座。對(duì)于第二階段，恒載和梁用作承載元件。列類型包括A型墩（列高12 m，即沿列的平均高度）和D型墩（列高23 m，即全線的最大墩高）。

3.3 抗震反應(yīng)分析

（1）多遇地震工況。在多遇地震作用下，對(duì)于城市軌道交通橋梁樁基截面混凝土最大應(yīng)力小于容許應(yīng)力，樁基處于彈性階段，地震后可以保持其正常功能。

（2）設(shè)計(jì)地震工況。設(shè)計(jì)地震作用輸入時(shí)，支座抗剪承載力、抗拉承載力均滿足地震響應(yīng)需求，保證上下部結(jié)構(gòu)可靠連接。

（3）罕遇地震工況。在罕遇地震作用下，橋梁工程結(jié)構(gòu)未進(jìn)入塑性時(shí)，墩柱剪力設(shè)計(jì)值和支座設(shè)計(jì)值按罕遇地震計(jì)算;必須驗(yàn)證抗震抗剪強(qiáng)度，設(shè)計(jì)彎矩和剪力，取彎矩和剪力的值。

在罕見地震情況下，《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)》要求彈塑性橋墩的非線性位移小于4.8，但沒有對(duì)樁基提出具體要求。根據(jù)保護(hù)原理設(shè)計(jì)樁基時(shí)，應(yīng)小于樁基要求的等效屈服彎矩。等效屈服彎矩可以根據(jù)截面M-φ進(jìn)行分析，截面M-φ的曲線等效于雙線性，如圖2所示。

在罕遇地震下，橋墩未進(jìn)入塑性范圍，基礎(chǔ)的內(nèi)力設(shè)計(jì)值需要按罕遇地震計(jì)算結(jié)果，對(duì)于已屈服的樁基礎(chǔ)，按照保護(hù)方法進(jìn)行抗震驗(yàn)算。

4 抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)

為使區(qū)間結(jié)構(gòu)在不同地震動(dòng)水準(zhǔn)作用下達(dá)到滿足規(guī)范的性能要求，除滿足以上抗震計(jì)算和設(shè)計(jì)及規(guī)范要求的配筋構(gòu)造要求外，在實(shí)際工程中常采用減隔震裝置。以常見的波浪形彈塑性鋼阻尼支座為例，其支座性能應(yīng)滿足如下要求：

4.1 正常工作狀態(tài)下

安全銷調(diào)整及限位滑動(dòng)裝置可有效實(shí)現(xiàn)正常工作狀態(tài)。為了傳遞橋梁的水平力和支架因制動(dòng)力、收縮和滑動(dòng)等載荷而產(chǎn)生的有規(guī)律的主動(dòng)位移，支架處于彈性工作狀態(tài)，阻尼裝置不工作。

4.2 設(shè)計(jì)地震作用下

支座在彈性作用下處于相對(duì)彈性狀態(tài)。移動(dòng)支柱可正常分擔(dān)水平荷載。移動(dòng)支架的彈塑鋼減震器工作，同時(shí)可以彈性變形，起到隔震效果。

4.3 罕遇地震作用下

在罕見地震中，支架處于相對(duì)彈性狀態(tài)，剪力銷被切斷，波形彈塑性鋼阻尼器工作，處于彈塑性階段。地震能量通過(guò)變形消散，移動(dòng)柱可以與其他柱一起工作，減震的基本功能是實(shí)現(xiàn)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震協(xié)調(diào)。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，城軌橋梁抗震是城軌橋梁設(shè)計(jì)的重中之重，將嚴(yán)重影響其安全和正常使用，甚至存在倒塌和人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)。因此，工程設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行城軌橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須應(yīng)以抗震性能設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，全面優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震強(qiáng)度，防止地震造成的破壞性結(jié)構(gòu)問(wèn)題，滿足城軌橋梁安全標(biāo)準(zhǔn)和要求。

參考文獻(xiàn)

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