高烈度區現代有軌電車橋梁延性抗震設計

阮 良 奉

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

1 概述

現代有軌電車以其獨特的優勢在我國各大城市得到迅速地發展[1]。其中在高地震烈度地區修建有軌電車，橋梁抗震設計是重要環節。延性抗震作為橋梁抗震設計的主要方法，與減隔震設計不同，主要通過選定合適的彈塑性變形、耗能部位，以延長結構周期達到減少地震反應的目的[2]。

一般情況下，對于高墩墩柱剛度較小，橋墩頂、底易形成塑性鉸，可采用延性抗震設計。其余部分包括上部結構、支座、蓋梁、橋墩抗剪以及橋梁基礎等則作為能力保護構件，要求不受損傷保持在彈性范圍內。有軌電車作為輪軌系統采用無縫線路，橋上鋪設無砟軌道需要保證軌道的平順性和行車舒適性，要求橋墩滿足最小縱向剛度要求[3]。橋墩剛度增大，給延性抗震設計帶來困難，其一橋墩易發生脆性剪切破壞，很難形成塑鉸[4]；其二塑性鉸區域截面的超強彎矩增大，橋梁基礎設計困難。

現代有軌電車屬于新型軌道交通，目前還沒有明確的抗震設計標準。本文結合GB 50111—2006鐵路工程抗震設計規范(2009年版)(簡稱《鐵抗規》)和CJJ 166—2011城市橋梁抗震設計規范(簡稱《城橋抗規》)[5]就高烈度區有軌電車橋梁結構進行延性抗震設計分析，為今后類似工程建設提供參考。

2 工程實例

某雙線有軌電車高架橋位于地震基本烈度8度，動峰值加速度0.30g的高烈度地區。橋梁全長682.7 m，孔跨布置為17-40 m簡支箱梁，箱梁采用單箱單室截面，梁高2.2 m、箱梁頂面寬8.8 m、底寬4 m，跨中截面布置如圖1所示。箱梁采用C50混凝土，梁重630 t，橋面二期恒載70 kN/m，采用支架現澆法施工。箱梁兩端分別設置兩固定、兩縱向活動盆式橡膠支座，同時在梁底設置縱、橫向防落梁擋塊。

橋墩采用獨柱圓端形T墩，墩高H=6 m～12.5 m。墩頂為矩形鋼筋混凝土蓋梁，墩柱順橋向×橫橋向尺寸為2.4 m×2.8 m。主筋配置直徑22 mm的HRB400鋼筋，間距10 cm，全截面配筋率為5.6‰，箍筋配置直徑14 mm的HRB400鋼筋，墩底加密區箍筋間距10 cm，體積配箍率5.3‰。樁基礎采用4根φ1.25 m樁徑鉆孔灌注柱，按行列式布置樁間距3.2 m。橋墩、樁基礎分別采用C40，C35混凝土，橋墩構造圖如圖2所示。

3 計算分析

橋墩墩高6 m～12.5 m，橋墩地震反應以一階振型為主，罕遇地震作用下橋墩底形成塑性鉸，可以采用反應譜法按照《城橋抗規》規定的各種簡化計算公式進行延性抗震設計[6]。對于橋墩延性抗震設計，在滿足靜力及多遇地震作用的強度與剛度要求下，橋墩截面尺寸及配筋越小對抗震設計越有利。

因此首先根據TB 10092—2017鐵路橋涵設計規范(簡稱《鐵橋規》)分別按照主力、主+附和主+地(多遇地震)[7]工況對墩身強度、剛度以及樁基強度、承載力等進行驗算，確定墩身最小截面尺寸和配筋率[8]。然后根據《城橋抗規》在罕遇地震作用下，按等效剛度Ieff調整墩底塑性鉸截面抗彎剛度，通過反應譜確定罕遇地震作用下墩底彎矩。若墩底彎矩大于屈服彎矩，墩身進入塑性，橋墩按延性設計。同時計算得出墩底截面的屈服曲率φy和極限曲率φu、塑性鉸長度Lp、容許轉角θu、墩頂容許位移Δu以及塑性鉸區域的超強彎矩Myo。最后按超強彎矩對樁基、支座、橋墩抗剪作為能力保護構件進行驗算，并對橋墩變形進行驗算[9]。

3.1 模型建立

以墩高H=12.5 m為例，利用Midas Civil有限元軟件建立單墩計算模型，蓋梁、橋墩和承臺按梁單元模擬，樁基礎根據基礎剛度按一般彈性支承模擬，梁部按集中質量模擬，梁體地震作用順橋向位于支座中心，橫橋向位于梁高的1/2處[10]，如圖3所示。有軌電車采用五模塊、三轉向架車型，列車縱向荷載如圖4所示，地震作用根據《鐵抗規》7.2.3規定的反應譜進行計算，橋址Ⅱ類場地，反應譜特征周期為0.40 s。

利用Midas Civil軟件，根據墩底恒載軸力、截面尺寸及配筋情況，通過彎矩曲率分析,可以得到墩底截面順、橫橋向M—Φ彎矩曲率曲線以及等效剛度Ieff，如表1所示。其中混凝土本構關系采用Kent-Park模型，鋼筋本構關系采用雙折線模型。

表1 墩底塑性鉸截面延性設計參數表

3.2 驗算結果

1)橋墩剛度。

橋墩墩高H=12.5 m，橋墩墩頂K縱=333.3 kN/cm,K橫=357.1 kN/cm，滿足規范縱向最小剛度320 kN/cm的要求[12]。

2)靜力及多遇地震作用強度驗算。

根據橋墩受力，墩底所產生的彎矩最大為控制截面。按《鐵橋規》對橋墩底主力、主+附和主+地工況進行壓彎強度驗算，結果如表2所示。樁基礎作為能力保護構件，靜力及多遇地震作用下不控制樁基的配筋，故僅對樁基豎向承載力進行驗算即可。

表2 靜力及多遇地震作用下橋墩強度檢算表

計算結果表明，靜力及多遇地震作用下橋墩墩底截面尺寸及配筋滿足規范要求。

4 罕遇地震作用下樁基強度驗算

根據墩底軸力N以及截面配筋，按照材料強度標準值可以得到墩底截面抗彎承載力Mu。按照《城橋規》6.6條規定，可以得到塑性鉸區域截面超強彎矩Myo，以及其所對應的剪力值，如表3所示。

根據表3內力對承臺底樁基礎進行強度驗算。計算結果表明，樁基主筋需要配置直徑28 mm的HRB400鋼筋，雙根一束布置間距15 cm，樁基全截面配筋率22‰，滿足強度要求。

表3 橋墩墩底塑性鉸截面超強彎矩內力表

5 橋墩抗剪和支座驗算

根據《城軌橋規》7.4.2條規定，需要對墩柱塑性鉸區域的斜截面抗剪強度進行驗算，保證墩柱作為能力保護構件不發生剪切破壞。按照7.4.2條公式按圓形截面進行橋墩抗剪承載力驗算，具體結果如表4所示。

表4 橋墩墩底塑性鉸區域水平抗剪強度驗算表

計算結果表明，在罕遇地震作用下橋墩底塑性鉸區域滿足截面抗剪強度要求，在地震作用下不會發生剪切脆性破壞。盆式橡膠支座水平抗剪承載力為2 700 kN，亦滿足水平承載力要求。

6 變形驗算

橋墩作為延性構件，根據《城橋抗規》第7.3節規定，在罕遇地震作用階段需要驗算橋墩的位移能力，利用橋墩底截面的屈服曲率φy和極限曲率φu，根據相關公式，可以計算得出橋墩順橋向、橫橋向容許位移，具體結果如表5所示。

表5 橋墩墩頂位移與容許位移結果表

計算結果表明，橋墩在罕遇地震作用下橋墩不倒塌，產生的變形滿足規范要求。

7 結語

1)根據有軌電車功能需求，合理優化梁部結構尺寸及橋面附屬設施，減輕梁體自重和二恒，達到減少地震作用的目的。

2)優化有軌電車軌道結構減少扣件阻力，降低橋墩縱向剛度要求。當橋墩剛度不足時，盡量通過調整樁間距的方式增加橋墩剛度，減少橋墩截面尺寸便于延性抗震設計。

3)按照《鐵橋規》和《鐵抗規》對橋墩主力、主+附和主+地(多遇地震)工況進行墩身強度、樁基承載力驗算，確定橋墩截面尺寸和所需鋼筋配置。然后按《城橋規》對樁基、橋墩抗剪、支座作為能力保護構件，橋墩按延性構件進行設計驗算。

4)高烈度區采用延性抗震設計，在罕遇地震作用下橋墩承受水平力較大，尤其是矮橋墩。建議增強梁底各向防震擋塊，并參與受力。設計發現當墩高小于5 m，樁基的鋼筋配置量非常大,超出規范最大配筋率要求，宜采用減隔震設計。