城市軌道交通橋梁抗震設(shè)計研究

摘 要 城市軌道交通運行速度快，安全要求高。在城市軌道交通橋梁工程設(shè)計中，抗震安全對于橋梁工程運行秩序會產(chǎn)生較大影響。對此，本文首先對城市軌道交通橋梁抗震設(shè)計原則進(jìn)行介紹，然后以某軌道交通橋梁工程為研究對象，對橋梁抗震設(shè)計要點進(jìn)行詳細(xì)探究。

關(guān)鍵詞 軌道交通橋梁;抗震;原則;設(shè)計

引言

在城市建設(shè)中，通過優(yōu)化軌道交通規(guī)劃設(shè)計，可構(gòu)建完善的公共交通系統(tǒng)，進(jìn)而促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展。在軌道交通橋梁設(shè)計中，應(yīng)合理配置橋梁工程結(jié)構(gòu)尺寸，加強(qiáng)配筋設(shè)計，提升橋梁工程抗震性能。因此，亟須對城市軌道交通橋梁抗震設(shè)計要點進(jìn)行深入研究。

1城市軌道交通橋梁抗震設(shè)計原則

（1）選擇適當(dāng)?shù)膱龅亍Ｔ谶x擇橋梁工程建設(shè)位置時，應(yīng)選擇抗震力比較強(qiáng)、堅硬程度比較高的區(qū)域。另外，還應(yīng)排除可能會影響周邊地區(qū)安全的施工位置。

（2）注意結(jié)構(gòu)對稱。對稱性橋梁工程結(jié)構(gòu)剛度比較高，地震防控效果更好。比如，如果橋梁橋墩高墩差距比較大，則當(dāng)受到水平震力影響時，橋孔跨度較大的橋墩也會受到較大地震力的影響。

（3）提升橋梁整體性。通過提升橋梁工程整體性，可充分發(fā)揮橋梁工程抗震作用。對此，應(yīng)保證橋梁工程上部結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，在各個連接點位置設(shè)置減震措施，提升橋梁整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

（4）設(shè)置多道抗震防線。在橋梁工程抗震設(shè)計中，通過設(shè)置多道防線，可使得橋梁工程可從多方面抵抗地震側(cè)向力，如果發(fā)生地震災(zāi)害，多道防線均可發(fā)揮安全防護(hù)作用，避免橋梁工程坍塌[1]。

2工程概況

某城市軌道交通橋梁的長度為23.4km，其中，高架線為11.8m，而地下線則為11.6km，箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1所示。該橋梁工程建設(shè)區(qū)域處于沖洪積平原，通過對施工區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)勘察，在地面-8～15m范圍中，地質(zhì)結(jié)構(gòu)組成包括飽和粉以及沙土層，另外，15m以下主要為卵石。通過對施工區(qū)域進(jìn)行地震安評分析，該城市軌道橋梁工程場地為III類。

3城市軌道交通橋梁抗震設(shè)計

3.1 抗震概念設(shè)計

在城市軌道交通橋梁工程線路設(shè)計中，為了縮小橋梁占地面積，可采用簡支小箱梁接獨柱式橋墩結(jié)構(gòu)形式。為了提升橋梁工程墩柱線剛度要求，對于墩柱截面，可采用矩形實心截面設(shè)計形式。

如果墩柱高度比較小，而結(jié)構(gòu)剛度大，則應(yīng)提高橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提升橋梁抗震性能，當(dāng)發(fā)生地震災(zāi)害時，結(jié)構(gòu)柔性變形可有效抵抗地震作用，這就要求在保證結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)的基礎(chǔ)上，允許其在地震作用下發(fā)生屈服，產(chǎn)生變形量，同時不發(fā)生破壞，上述設(shè)計方式即為橋梁工程延性墩柱設(shè)計。

在該橋梁工程抗震設(shè)計中，10%的墩柱高度在10m以內(nèi)，墩柱截面采用實心矩形截面，綜合考慮地震荷載作用，采用彈性構(gòu)件設(shè)計方式。另外，90%的墩柱高度在10m以上，在考慮地震荷載作用時，采用延性構(gòu)件設(shè)計方式，不僅能夠減少墩柱鋼筋用量，同時還可減少施工成本。

3.2 抗震設(shè)計計算及其分析

在橋梁抗震設(shè)計中，創(chuàng)建四種工況模型：無鋼軌、有鋼軌無外延、鋼軌外延60m、鋼軌外延200m，并采用彈塑性地震反應(yīng)譜分析方式，對軌道約束對橋梁地震影響效應(yīng)進(jìn)行計算分析[2]。

在地震作用下，計入鋼軌影響但不延長所得結(jié)果與不計鋼軌影響所得結(jié)果相同，另外，鋼軌外延60m、鋼軌外延200m兩種工況下的計算結(jié)果類似，但是，計入軌道延長模型結(jié)果與不計軌道延長模型計算結(jié)果的差異比較大。除此以外，在順橋向地震作用下，在計入軌道延長后所得墩頂位移結(jié)果與不計軌道延長模型所得墩頂位移結(jié)果相比，結(jié)果小30%，同時墩底軸力、彎矩增大，在橫橋向地震作用下，計入軌道延長后墩頂位移計算結(jié)果與不計軌道延長模型后墩頂位移計算結(jié)果相比，增大10%，同時墩底彎矩也增大，而墩底軸力基本相同。在本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)注意在軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，綜合考慮計入軌道延長的影響，因此軌道延伸長60m。

3.3 鋼軌影響效應(yīng)分析

城市軌道交通橋梁工程長度比較大，鋼軌-扣件系統(tǒng)具有約束作用，當(dāng)發(fā)生地震時，相鄰橋跨之間的地震反應(yīng)相互影響。對于軌道，可將其延伸至車站或者地面，其能夠?qū)蛄汗こ坍a(chǎn)生約束作用，進(jìn)而改善高架橋的動力特性。

3.4 樁-土相互作用分析

在發(fā)生地震災(zāi)害時，樁-土可相互作用，對橋梁工程結(jié)構(gòu)抗震性能產(chǎn)生較大影響，因此，樁-土相互作用是橋梁抗震設(shè)計的重點。現(xiàn)如今，在橋梁工程抗震設(shè)計中，一般采用法模擬樁土效應(yīng)，假設(shè)土體處于彈性狀態(tài)，主要被應(yīng)用于土體位移在6mm以內(nèi)的情況。在罕遇地震荷載時，樁周圍土體會發(fā)生塑性變形，很難對其實際受力情況進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬分析。對此，可應(yīng)用P-y曲線法，在P-y曲線法的實際應(yīng)用中，要求將土體沿深度應(yīng)力以及位移作為指標(biāo)，對地基土彈塑性性質(zhì)進(jìn)行分析，進(jìn)而判斷循環(huán)荷載、線性荷載、靜載等因素對于土體側(cè)向反力的影響。現(xiàn)如今，P-y曲線法已逐漸被推廣應(yīng)用于工程項目設(shè)計分析中。

綜合考慮該橋梁工程建設(shè)場地實際情況，對橋梁工程建設(shè)區(qū)域土體的m值以及P-y曲線進(jìn)行計算分析，進(jìn)而模擬樁-土的相互作用，判斷其對于橋梁工程抗震性能的影響。在橋梁工程模型中，通過應(yīng)用m法以及P-y法，可對橋梁工程樁-土效應(yīng)進(jìn)行模擬分析，另外，還需應(yīng)用彈塑性反應(yīng)譜法對罕遇地震作用時下結(jié)構(gòu)的整體響應(yīng)情況進(jìn)行比較。P-y曲線與m法剛度曲線如圖2所示。

對于樁-土效應(yīng)，在應(yīng)用P-y曲線法進(jìn)行模擬分析時，在計入土體發(fā)生塑性變形后，剛度下降，可對墩底進(jìn)行計算，地面位置變形量比較大，這樣就會對墩頂位移計算結(jié)果產(chǎn)生較大影響，墩頂位移比較大。另外，采用m法對墩頂位移進(jìn)行計算，而計算結(jié)果為P-y曲線法計算所得結(jié)果的80%;在對墩柱頂以及底相對位移進(jìn)行計算時，兩種方法所得結(jié)果保持一致。在該橋梁工程抗震設(shè)計中，采用m法對樁-土效應(yīng)進(jìn)行模擬分析。墩頂位移可被應(yīng)用于延性構(gòu)件設(shè)計評價分析中，可充分體現(xiàn)出墩柱自身受力性能，在對墩頂位移進(jìn)行評價分析時，可將墩柱頂以及底相對位移作為重要指標(biāo)。

3.5 墩柱截面合理配筋

在對城市軌道交通橋梁工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計時，如果橋梁墩柱的墩高在10m以上，則可利用延性構(gòu)件設(shè)計方式，對此，可創(chuàng)建多跨有軌空間橋梁結(jié)構(gòu)模型，然后利用非線性時程分析法以及彈塑性反應(yīng)譜法等，對罕遇地震作用下橋梁工程墩柱的彈塑性變形進(jìn)行驗算分析，進(jìn)而確定墩柱非線性位移延性比。

如果該橋梁工程墩柱截面配筋率為1.3%，在地震力作用下，采用線性彎矩簡化法，對非線性位移比進(jìn)行計算，所得結(jié)果為4.5、4.8，而根據(jù)該城市軌道交通橋梁工程抗震設(shè)計規(guī)范，位移比應(yīng)在4.8以內(nèi)。在利用彈塑性反應(yīng)譜法對非線性位移比進(jìn)行計算后，所得結(jié)果為3.0、3.4，符合該橋梁工程設(shè)計規(guī)范，并且安全度比較高。另外，在應(yīng)用非線性時程分析法后，非線性位移比計算結(jié)果為1.8、1.6，符合該橋梁工程設(shè)計規(guī)范。由此可見，在該橋梁工程抗震設(shè)計中，采用彈塑性反應(yīng)譜分析法作為構(gòu)件延性抗震設(shè)計依據(jù)，墩柱截面配筋率的計算結(jié)果為1.3%[3]。

4結(jié)束語

綜上所述，本文主要結(jié)合實例，對城市軌道交通橋梁工程抗震設(shè)計要點進(jìn)行了詳細(xì)探究。在對橋梁工程進(jìn)行抗震設(shè)計時，可對橋梁工程進(jìn)行抗震概念設(shè)計，確定各個結(jié)構(gòu)件抵抗地震作用的機(jī)理，對樁-土相互作用進(jìn)行計算分析，并判斷其對于延性墩柱受力情況的影響，對墩柱截面配筋增大情況進(jìn)行分析，優(yōu)化橋梁工程配筋設(shè)計，提升橋梁工程抗震性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 董喜明.市政橋梁設(shè)計中的防震設(shè)計研究[J].城市建筑，2017，（5）：256-256.

[2] 曹曉遠(yuǎn).基于性能的橋梁抗震設(shè)計理念與措施[J].交通世界，2018，2（17）：122-123.

[3] 王斌斌.公路橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計分析[J].江西建材，2017，4（17）：148-148.

作者簡介

王世純（1981-），男，山東日照;學(xué)歷：碩士研究生，高級工程師，現(xiàn)就職單位：重慶英杰建設(shè)工程設(shè)計有限責(zé)任公司，研究方向：主要從事市政結(jié)構(gòu)工程設(shè)計工作。