我國現行軌道交通橋梁抗震設計規范探討

徐艷玲

(北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082)

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我國現行軌道交通橋梁抗震設計規范探討

徐艷玲

(北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082)

從設計角度出發，對《地鐵設計規范》、《城市橋梁抗震設計規范》和《城市軌道交通結構抗震設計規范》在橋梁抗震設計標準、分析方法、設計加速度反應譜及設計方法等方面進行對比、分析，闡明各規范的設計原理及適用性。分析結果表明，《地鐵設計規范》和《城市橋梁抗震設計規范》的設計方法較為簡明，便于操作；《城市軌道交通結構抗震設計規范》的設計概念更加明確，設計方法更加具體，對結構在地震作用下的工作狀態把握也更加精準。

軌道交通；橋梁； 延性抗震設計； 規范 ；比較

橋梁抗震設計規范是橋梁抗震設計的依據，對橋梁的抗震安全至關重要。目前，我國可應用于指導軌道交通橋梁抗震設計的規范有《地鐵設計規范》(GB 50157—2013)、《城市橋梁抗震設計規范》(CJJ 166—2011)和《城市軌道交通結構抗震設計規范》(GB 50909—2014)3本。采用《鐵路工程抗震設計規范》和《城市橋梁抗震設計規范》設計的軌道交通高架橋梁已有多條線路建成并投入使用，《城市軌道交通結構抗震設計規范》由于出版時間較短，還未有其成功應用的案例，相信在后續的軌道交通線路中也會有應用。

《鐵路工程抗震設計規范》后文中簡稱《鐵規》，《城市橋梁抗震設計規范》后文中簡稱《城規》，《城市軌道交通結構抗震設計規范》后文中簡稱《城軌規范》。本文關于3本規范分別從橋梁抗震設計的標準、設計加速度反應譜、地震動分析方法以及對常規橋梁的延性抗震設計方法等方面進行比較研究，闡明各規范的設計原理及適用性，以期對此類橋梁的設計工作提供參考。

1 橋梁抗震設計標準比較(表1)

《鐵規》根據橋梁在地震作用時的整體反應提出3種抗震性能要求，并將其與設計對象和設計階段相對應，其中第一階段設計是關于墩柱及下部結構物基于強度的彈性設計，第二階段設計是針對彈性設計的橋跨結構其支座以及連接構件(如伸縮縫、抗震擋塊、限位裝置等)的設計，第三階段設計是關于鋼筋混凝土橋墩在強震下發生塑性反應的延性設計，所謂的性能要求只是一種說法，并未完全體現在結構設計中。

表1 抗震設計標準比較

《城規》將軌道交通橋梁列為丙類橋梁，對應小震和大震采用兩水平設防、兩階段設計，第一階段采用基于強度的彈性設計方法，第二階段采用基于變形的延性抗震設計方法，并對基礎結構引入能力保護設計原則。

《城軌規范》在原有延性抗震設計理論的基礎上提出了性能抗震設計理論，并據此提出性能抗震的設計方法，根據橋梁類型和設防等級的不同提出不同的性能要求，對墩柱和下部基礎采用三階段設防、三階段設計，各設計階段基于構件性能進行彈性或者彈塑性反應譜分析。引入容許塑性率的概念，對進入彈塑性工作階段的構件根據其破壞狀態判定其是否滿足各設計階段的性能要求。相比較前兩本規范，本規范將結構抗震設計與使用性能結合，對結構在地震作用下的工作狀態的把握更加精準。

2 橋梁延性抗震分析方法(表2)

表2 橋梁延性抗震分析方法比較

靜力非線性分析法、反應譜法和動力時程分析法是目前結構彈塑性地震反應分析的主流方法，在3本規范中均有不同程度的應用。

反應譜法將復雜的結構地震響應動力問題轉化為特定振型下的結構靜力問題，計算簡單易行，是目前橋梁抗震設計領域應用最廣泛的分析方法。對于軌道交通工程，高架區間結構多采用結構形式簡單的小跨徑預應力混凝土簡支梁作為標準梁，墩柱高度為8～15 m，結構大部分慣性質量來自于上部結構荷載和列車活荷載，以第1階振型對結構的地震反應起控制作用，通過第1階振型的計算可滿足橋梁結構抗震設計的要求。此外，在一般設計條件下，當高架區間結構因地震作用進入彈塑性工作階段時，塑性鉸一般發生于墩底(單柱墩或排架墩的順橋向振動)或者墩頂(排架墩橫橋向)，易于識別和預先設計。對于這種類型橋梁結構3本規范均將其列入規則橋梁或簡單結構，推薦采用反應譜法結合靜力非線性分析進行彈塑性地震分析。

《鐵規》和《城規》對規則橋梁推薦采用彈性反應譜進行分析，根據靜力非線性分析結果修正塑性鉸區域結構剛度，并結合經驗公式引入彈性反應譜分析的彈塑性修正系數進行橋梁延性抗震設計。

《城軌規范》對于簡單結構推薦采用彈塑性反應譜法進行橋梁延性抗震設計，該方法通過強度折減系數對原設計彈性反應譜進行折減，得到特定延性系數下的彈塑性反應譜，結合靜力非線性分析，通過結構等效周期和屈服地震加速度確定結構的延性系數，從而對橋梁進行延性抗震設計。

動力時程分析法可以考慮地基和結構的相互作用、結構的各種復雜非線性因素(包括幾何、材料、邊界連接條件非線性)以及分塊阻尼等問題，實現結構地震動的全過程仿真分析，使設計人員更清楚地把握結構地震動破壞機理，提高結構抗震設計的精準度。由于其計算過程冗繁，3本規范均將其列為非規則結構的抗震分析方法。

3 設計加速度反應譜

反應譜分析法是3本規范在規則橋梁或簡單結構進行抗震設計時推薦采用的分析方法，通過對規范中定義的設計加速度反應譜的比較可以看出各規范對結構在相應地震等級作用下的安全度的要求。

設計加速度反應譜的形成與基本地面加速度、場地特征周期、結構阻尼及結構重要性程度等參數有關，下面對各規范中地震動設計反應譜參數進行比較。

以北京地區地鐵線路30 m跨徑標準梁橋為例，地震基本烈度為8度，地震動峰值加速度0.2g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，Tg=0.35 s，比較適用不同規范得到地震動設計參數如表3所示。

表3 水平加速度反應譜參數比較

注：Ci為重要性系數或調整系數；A為水平地震動峰值加速度；βm為動力放大系數；Smax為設計地震動加速度反應譜峰值

各規范在水平地震動加速度反應譜計算參數選取中有些許不同，最終形成反應譜線形基本一致，計算加速度反應譜峰值的水平段均在0.1 s～Tg之間，各條頻譜平臺寬度一致，隨后進入下降段，在1.6 s之后逐漸趨于平穩。就圖1所示，3條水平地震動加速度反應譜而言，3條曲線中《城軌規范》中定義加速度反應譜峰值最大，為1.0 m/s，主要是由于其動力放大系數的取值為2.5，大于其他2本規范中2.25的取值；《城規》和《鐵規》中定義加速度峰值基本接近，約為0.9 m/s，設防水平相當。

圖1 水平地震動加速度反應譜

4 橋梁延性抗震設計

軌道交通橋梁多以簡支梁作為標準梁設計，屬于3本規范中的規則橋梁或簡單橋梁的范疇，可按延性結構進行抗震設計。分析以往簡支梁橋的震害，主要產生于下部結構，上部結構的破壞多是由于下部結構產生過大位移而造成的，因此，橋梁抗震設計的重點在墩柱、支座及下部結構設計上。表4給出3本規范在規則橋梁或簡單橋梁延性抗震設計時的主要設計過程。

表4 橋梁延性抗震設計過程比較

概括起來說，各規范在橋梁抗震設計的思路就是小震彈性設計，對各構件進行強度驗算；大震延性設計，通過延性指標評價結構的工作狀態是否滿足設計要求。在驗算指標的選取上各規范各有不同，如《鐵規》以位移延性比作為構件延性性能的評價指標，《城規》選取進入彈塑性工作階段的墩柱的墩頂位移或者塑性鉸區域塑性轉角作為延性設計評價指標，《城軌規范》根據構件塑性鉸區轉角判定其工作性能。

在設計塑性鉸潛在發生區域時，《鐵規》和《城規》均將塑性鉸潛在發生區域定在通過塑性變形能夠確保能量吸收且易于檢測和修復的墩柱上，以保障橋梁在震后方便修復，迅速恢復通行能力。《城軌規范》除了規定塑性鉸出現在墩柱頂部或底部外，對于延性較差的板式墩等情形，允許在保證基礎穩定性的前提下，將塑性鉸變形區域設置在樁基頂部，允許樁頂產生有限的塑性變形，以消耗地震能量，減輕地震對整體結構的損傷，與前述兩本規范相比，該規范更為靈活、全面。墩柱塑性鍍區域分布如圖2所示。

圖2 墩柱塑性鉸區域分布

關于延性墩柱的下部結構設計方面，《地鐵設計規范》中雖然對延性設計的結構，其蓋梁、結點和基礎提出按能力保護構件設計的要求，但其要求執行的《鐵規》中沒有能力保護構件設計的相關內容，《地鐵設計規范》也未說明該部分內容參照哪本規范執行，但為確保塑性鉸在強震作用下發生于墩柱上，基礎設計強度應高于墩柱設計強度。《城規》規定對于延性墩柱的下部結構應按基于墩柱材料強度標準值的能力保護構件設計。《城軌規范》基于性能設計，對于地下結構要求其設計性能比墩柱低一級，即當墩柱處于性能要求Ⅱ級(局部彈塑性階段)時，基礎應按性能要求Ⅰ級(彈性階段)設計；當墩柱處于性能要求Ⅲ級(彈塑性階段)時，基礎按性能要求Ⅱ級(局部彈塑性階段)設計，即允許構件局部進入彈塑性工作階段，但需控制塑性變形。3本規范有關橋梁延性評價指標的比較見表5。

表5 橋梁延性性能評價指標比較

5 實例分析

以北京某軌道交通線路30 m標準小箱梁橋為例，墩柱為矩形實心截面，墩高10 m，墩底截面橫橋向寬2.3 m，順橋向寬1.8 m，采用C40混凝土現澆，墩柱截面鋼筋布置如圖3所示。墩柱下接5.5 m×5.5 m×2.15 m鋼筋混凝土承臺，承臺下設4根φ1.2 m鉆孔灌注樁，樁間距3.3 m。承臺采用C40混凝土，樁基采用C35混凝土，均按普通鋼筋混凝土構件設計。

圖3 墩柱潛在塑性鉸區域截面鋼筋布置(單位：mm)

橋址處場地抗震設防烈度為8度，設計地震動加速度為0.2g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。其計算結果比較見表6。

《鐵規》和《城規》采用彈性反應譜方法分析，計算模型是考慮塑性鉸截面開裂后的有效剛度修正的線彈性計算模型，塑性性能通過經驗修正系數體現。《城軌規范》采用彈塑性反應譜方法分析，該方法以單質點彈塑性體系為出發點，繪制等延性強度譜，結合結構等效周期和屈服加速度計算延性系數。根據上述計算結果，《城規》計算得到墩柱延性系數為1.83，《 城軌規范》計算得到延性系數為1.62，2種方法計算結果基本接近，《鐵規》設計墩柱延性系數，即非線性位移延性比為2.15，計算結果偏大。

表6 計算結果比較

注：采用《城規》算法得到墩柱的非線性位移延性比為μ=Δmax/Δy=1.83。

6 結論及建議

(1)3本規范中的抗震設計標準均是：“小震”時，結構處于彈性工作階段，構件需具有一定的強度保證；“大震”時，結構可處于彈塑性工作階段，構件通過一定的變形能力耗散地震能量，但需控制變形，使結構不致發生倒塌。

(2)3本規范中規定的設計加速度反應譜平臺段均處于0.1 s～Tg之間，《城軌規范》中定義加速度反應譜峰值最大，其對結構安全度要求更高。

(3)靜力非線性分析法、反應譜法、動力時程分析法是目前橋梁彈塑性抗震分析的主流方法，這3種方法在3本規范中均有不同程度的應用。對于簡單規則橋梁，《鐵規》和《城規》均推薦采用彈性反應譜法結合靜力非線性法的分析方法，《城軌規范》推薦采用彈塑性反應譜法結合靜力非線性法的分析方法，對于復雜或大跨度橋梁，3本規范均推薦采用計算結果更加精準的非線性動力時程分析方法。

(4)在設計流程方面，《鐵規》和《城規》中關于橋梁延性抗震設計的思路及流程基本一致，都是基于非線性靜力分析計算塑性鉸區域有效剛度，再結合彈性反應譜法進行強震下的抗震能力驗算，再計入經驗彈塑性修正系數，確定結構的延性工作能力，設計流程簡單，便于操作。《鐵規》最終以位移延性比作為結構延性設計性能的評價指標，《城規》以墩頂位移或塑性鉸區域轉動能力作為延性評價指標，操作起來更加靈活。

《城軌規范》基于性能對結構進行抗震設計，將進入彈塑性工作階段的構件依據其彈塑性變形能力的不同劃分為不同的性能狀態，將“量化標準”的形式應用于基于性能的橋梁抗震設計思想中，雖然設計過程較為復雜，但是設計概念更加明確，設計方法更加具體，對結構在地震作用下的工作狀態把握也更加精準。

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An Approach to Current Codes for Seismic Design of Rail Transit Bridge

XU Yan-ling

(Beijing General Municipal Engineering Design & Research Institute， Beijing 100082， China)

From the view of design， this paper compares and analyzes some key points in bridge seismic design， such as seismic design standard， analysis method， seismic acceleration response spectra and design method， based on Code for Design of Metro， Code for Seismic Design of Urban Bridges， and Code for Seismic Design of Urban Rail Transit， and also clarifies the design theory and the applicability of the code. The results indicate that the design methods of Code for Design of Metro and Code for Seismic Design of Urban bridges are concise and operational. Meanwhile， the design concepts of Code for Seismic Design of Urban Rail Transit are explicit and its design method is more specific and accurate in illustrating structure working state during earthquake.

Rail transit; Bridge; Seismic Ductility Design; Code; Comparison

2016-03-01；

2016-05-05

徐艷玲(1982—)，女，高級工程師，2008年畢業于長安大學橋梁與隧道工程專業，工學碩士，E-mail:xuyanling@bmedi.cn。

1004-2954(2016)11-0066-04

U239.5； U442.5+5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.016