基于能力保護原則的軌道交通橋梁下部結構設計

張欣欣

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海市 200070）

基于能力保護原則的軌道交通橋梁下部結構設計

張欣欣

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海市 200070）

《地鐵設計規范》（GB50157-2013）新增規定：橋墩抗震設計時，蓋梁、節點和基礎應作為能力保護構件，按能力保護原則設計。總結了軌道交通高架橋梁的能力保護設計方法。以某軌道交通標準獨柱墩為例進行抗震設計，采用能力保護設計后樁基配筋明顯增加，并對能力保護設計的影響參數進行分析，研究表明，軌道交通橋墩宜適當減小墩柱尺寸、增大樁間距，以取得最優的下部結構設計。

軌道交通橋梁；下部結構；抗震設計；能力保護

0　引　言

《地鐵設計規范》（GB50157-2013）（以下簡稱新《地鐵規》）于2014年3月實施，其關于軌道交通橋梁抗震方面較《地鐵設計規范》（GB50157-2003）新增規定：（1）跨越大江大河且技術復雜、修復困難的特殊結構橋梁應屬于A類工程，其他橋梁抗震設防類別為B類；（2）橋梁抗震設計時，蓋梁、節點和基礎應作為能力保護構件，按能力保護原則設計。

目前各國橋梁抗震設計規范大都按能力保護原則進行基礎的抗震設計，我國《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T B02-01-2008）、《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166—2011）和美國AASHTO規范均體現了該思想，基本思路即是延性抗震設計，地震下主動選擇墩柱潛在的塑性鉸位置并進行配筋設計，利用墩柱塑性鉸發生塑性變形，延長結構周期，耗散地震能量。不希望發生非彈性變形的構件，墩柱抗剪、支座、蓋梁、基礎均應作為能力保護構件，使結構中的延性構件和能力保護構件形成強度等級差異。

新《地鐵規》要求按能力保護原則設計，但對能力保護設計未作詳細介紹，本文通過對新《地鐵規》的理解，結合《鐵路工程抗震設計規范》、《城市橋梁抗震設計規范》，總結了能力保護原則的抗震設計方法，并結合工程實例的能力保護設計的參數分析，提出下部結構宜減小橋墩尺寸、增大基礎尺寸的設計優化方法。

1　能力保護設計方法簡述[1-5]

（1）選擇潛在塑性鉸。對于常見的獨柱墩，塑性鉸一般為墩底。雙柱墩縱橋向的潛在塑性鉸也在墩底，而橫橋向一般選擇在墩頂和墩底部位。

（2）計算罕遇地震作用下地震力及橋墩最大彎矩。

（3）根據實配截面鋼筋，計算塑性鉸區的等效屈服彎矩。等效屈服彎矩為按截面實配鋼筋，采用材料強度標準值，計算出恒載作用下的截面抗彎承載力，其有兩種計算方法：

方法一：壓彎構件反算法，假定混凝土和鋼筋應力都達到強度標準值，采用公路鋼筋混凝土規范中偏壓構件計算方法，反算得到最大彎矩。（參見《城抗規》P99“屈服彎矩采用JTGD62-2004中偏心受壓構件的受彎承載力近似代表，采用材料標準值”。）

方法二：采用彎矩-曲率曲線方法，一般使用軟件計算（如UCFyber、Midas/Civil）。

（4）判斷墩柱是否屈服，計算塑性鉸區彎矩。

當罕遇地震作用下塑性鉸區的墩柱彎矩小于等效屈服彎矩，則墩柱未進入塑性，蓋梁、基礎、支座的內力設計值采用罕遇地震作用下的計算結果。

當罕遇地震作用下塑性鉸區的墩柱彎矩大于等效屈服彎矩，則墩柱發生屈服。蓋梁、基礎、支座和墩柱抗剪作為能力保護構件設計，其內力設計值根據墩柱塑性鉸區的截面超強彎矩確定。其中超強彎矩=1.2×等效屈服彎矩。

（5）進行能力保護設計。

墩柱抗剪驗算：墩柱剪力設計值應根據塑性鉸區的截面超強彎矩來計算。以獨柱墩為例，墩柱剪力設計值為塑性鉸區的超強彎矩除以墩高。

蓋梁設計：按橋墩塑性鉸區的截面超強彎矩來計算內力進行強度檢算。

支座設計：根據塑性鉸區的截面超強彎矩來計算墩柱沿橫橋向和順橋向的水平剪力設計值，對彈性支座進行支座厚度和抗滑移穩定性驗算，對固定支座進行強度驗算。

基礎設計：墩柱超強彎矩換算到承臺底，計算出基礎的彎矩、剪力和軸力的設計值，驗算樁基的承載能力。

2　軌道交通橋梁下部結構概念設計

軌道交通高架橋梁的抗震設計中，應結合軌道交通系統的特點，確定合理的下部結構尺寸。與市政橋梁相比，梁部較窄，上部結構恒載豎向力較小，軌道交通橋梁下部結構需承受通過軌道結構傳遞的軌道力，且橋墩剛度有一定要求，故同等橋寬時軌道交通下部結構尺寸較大；與鐵路相比，軌道交通設計速度較低，剛度要求偏低，軌道交通梁部截面相比鐵路偏小，梁部恒載小，故下部結構較鐵路也更纖細，軌道交通橋墩剛度介于市政公路、鐵路橋梁之間。

表1中列舉了墩高10 m獨柱墩對應幾個不同類型項目的橋墩結構形式和尺寸，可見軌道交通橋墩尺寸一般介于市政、鐵路橋梁之間。

表1　不同類型項目橋墩形式及尺寸

3　工程實例

高架區間雙線標準段采用30 m單箱單室簡支預應力混凝土簡支箱梁結構，下部結構為花瓶型獨柱墩，基礎為鉆孔灌注樁，見圖1。抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10 g，設計地震為第一組，Ⅲ類場地，特征周期為0.45 g。

3.1能力保護設計對樁基設計的影響

初步擬定不同墩高時的下部結構尺寸（見表2），分別按兩種工況進行抗震設計：工況1僅進行多遇地震下橋墩、樁基強度驗算和罕遇地震作用下橋墩延性計算，未進行能力保護設計。工況2采用新《地鐵規》進行抗震設計，在工況1基礎上需補充能力保護計算。

圖1　橋墩構造示意圖（單位：cm）

表2　是否進行能力保護計算結果比較

計算結果表明：工況2采用能力保護設計后，中低墩樁基主筋配筋率較工況1明顯增大，9 m、12 m、16 m橋墩的樁基配筋率增加88%、111%、17%。可見采用新《地鐵規》進行抗震設計后，樁基主筋配筋率增加較多。

3.2能力保護設計影響參數分析

根據能力保護設計的特點，在確定樁根數、直徑后，橋墩的屈服彎矩、樁間距決定樁身內力，進而決定樁基配筋量。

3.2.1橋墩尺寸和主筋配筋率對屈服彎矩的影響

影響橋墩屈服彎矩的因素主要為橋墩尺寸和主筋配筋率，以墩高H=12 m為例，圖2為橋墩配筋數量相同時，不同橋墩尺寸對應的橋墩屈服彎矩，橋墩尺寸減小時屈服彎矩相應減小。圖3為橋墩尺寸為2.2 m×2.0 m（橫橋向×縱橋向）時，配筋率分別為0.5%、0.7%、0.9%時橋墩屈服彎矩，橋墩配筋增加時屈服彎矩增加較少。橋墩尺寸和主筋配筋率對橋墩屈服彎矩均有影響，但影響程度不同，設計時在滿足規范要求的條件下，宜選取合理的橋墩尺寸，盡量減小屈服彎矩，但橋墩需要滿足線剛度要求。

圖2　橋墩尺寸對屈服彎矩的影響

圖3　橋墩配筋率對屈服彎矩影響

3.2.2基礎尺寸對樁基配筋的影響

以墩高H=12 m橋墩尺寸2.2 m×2.0 m為例，樁基為4根直徑1.2 m鉆孔灌注樁，取不同樁間距：3.2 m、3.6 m、4 m，根據樁基抗彎能力驗算，計算樁基配筋結果見表3。

表3　不同樁間距時樁基配筋率

根據表3可見加大樁間距可以減小樁基配筋率，但承臺尺寸加大，承臺造價增加。另外，增加樁基根數和加大樁直徑，可明顯增加整個橋墩基礎的抗彎能力。下部結構設計時需要權衡墩柱、承臺和樁基的工程量，以確定最優的設計方案。

4　采用能力保護設計時下部結構優化

由于初步擬定的尺寸采用能力保護設計后，樁基主筋配筋率太高，故對下部結構進行優化設計。本橋墩墩柱主筋配筋率很小，故采用減小橋墩截面尺寸、增大樁間距的方式進行優化設計。

表4為優化后下部結構尺寸（尺寸二）和按能力保護計算配筋結果，可見墩柱截面尺寸減小后，混凝土方量減少，配筋率增大。優化后墩高9 m、12 m的樁基增大、承臺尺寸增大，樁基主筋配筋率明顯下降。樁間距增大后，樁基配筋較合理。

表4　優化后下部結構尺寸和按能力保護計算配筋結果

5　結語

根據《地鐵設計規范》（GB50157-2013）對軌道交通橋梁抗震的規定，采用能力保護原則進行軌道交通橋梁抗震設計時，主要是對樁基礎要求更高，同樣條件下，采用能力保護設計后樁基配筋明顯增加。設計時應權衡墩柱、承臺和樁基的工程量，宜適當減小墩柱尺寸，加大樁間距，合理配置下部結構尺寸。

[1]韓鵬,王君杰,董正方.城市軌道交通高架橋梁抗震設計中的關鍵問題[J].震災防御技術,2010,5(1):32-42.

[2]殷鵬程,葉愛君.作為能力保護構件的橋梁群樁基礎設計地震力簡化計算方法[J].城市道橋與防洪,2011(12):34-42.

[3]倪曉博,李闖,葉愛君.城市與公路橋梁抗震設計規范的實例比較[J].公路,2013(5):1-5.

[4]張娜,楊圣超.基于兩種規范的軌道交通橋梁抗震設計[J].市政技術,2014,2(32):67-69.

[5]葉愛君,管仲國.橋梁抗震（第二版）[M].北京:人民交通出版社, 2011.

U443.2

A

1009-7716（2016）04-0077-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.024

2015-12-24

張欣欣（1987-），女，安徽人，工程師，從事橋梁設計工作。