市域鐵路橋梁下部結(jié)構(gòu)抗震研究

中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043

市域鐵路指的是大都市市域范圍內(nèi)的客運軌道交通系統(tǒng)，服務(wù)于城市與郊區(qū)、中心城市與衛(wèi)星城、重點城鎮(zhèn)，其是站間距、速度目標(biāo)等介于國家鐵路和城市軌道交通兩者之間的一種交通制式。市域鐵路與地鐵和城市輕軌相比，具有速度快、投資少、審批快等特點，還能實現(xiàn)與國家鐵路干線的互聯(lián)互通，增強(qiáng)城市對外輻射能力。2017年國家發(fā)展改革委發(fā)布了《關(guān)于促進(jìn)市域（郊）鐵路發(fā)展的指導(dǎo)意見》（發(fā)改基礎(chǔ)〔2017〕1173號），市域鐵路迎來快速發(fā)展期。

當(dāng)前，市域鐵路這一新型軌道交通形式的設(shè)計規(guī)范同國鐵規(guī)范有明顯不同，如國鐵橋梁下部結(jié)構(gòu)遵照《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50111—2006）開展抗震設(shè)計，只需在多遇地震下對橋墩、基礎(chǔ)進(jìn)行強(qiáng)度、偏心及穩(wěn)定性進(jìn)行驗算，在罕遇地震下只需進(jìn)行延性驗算。對于市域鐵路，《市域快速軌道交通設(shè)計規(guī)范》（T/CCES 2—2017）明確除了滿足國標(biāo)要求，橋墩抗震設(shè)計時，蓋梁、結(jié)點和基礎(chǔ)應(yīng)作為能力保護(hù)構(gòu)件，按能力保護(hù)原則設(shè)計。

當(dāng)前市域鐵路建設(shè)方興未艾，廣大鐵路設(shè)計者對市域鐵路橋梁抗震的設(shè)計方法仍不熟悉，因此探討兩種抗震設(shè)計方法對橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響十分必要。

1 工程實例概況

案例工程為長三角某市市域軌道高架段，沿線場地屬河口、沙嘴、沙島地貌類型。考慮到當(dāng)?shù)亟ㄖ薷撸髁翰捎媒ㄖ叨容^低的分離式軌道交通30m簡支U梁，下部結(jié)構(gòu)采用T形橋墩，墩柱采用圓端形截面，在直線段設(shè)置凹槽，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，墩身高度在4～12m，如圖1所示。該簡支U梁每片梁自重2113kN，二期恒載按90kN/m活載，采用市域A型車設(shè)計，軸重170kN。墩身采用C45混凝土、承臺采用C40混凝土、鉆孔灌注樁采用C35混凝土、承臺墊層采用C20混凝土，主筋采用HRB400鋼筋，構(gòu)造配筋以HPB300鋼筋為主。

圖1 橋梁下部結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意圖

此項目高架區(qū)間采用該線《工程場地地震安全性評價》提供的地震動參數(shù)開展抗震設(shè)計論證。此項目采用的地震動參數(shù)如表1所示，場地類別為Ⅳ類。

表1 場地地震參數(shù)

為使結(jié)果更加具有說服力，對全線高架區(qū)間范圍最高（H=12m）和最矮（H=4m）的橋墩分別進(jìn)行抗震對比分析，研究了市域鐵路規(guī)范同國鐵設(shè)計規(guī)范結(jié)構(gòu)配筋的不同，橋梁下部結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表2所示。

表2 橋梁下部結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)表

2 國鐵抗震規(guī)范設(shè)計

根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50111—2006）第7.1.2要求，抗震設(shè)計應(yīng)按多遇地震進(jìn)行橋墩、基礎(chǔ)的強(qiáng)度、偏心及穩(wěn)定性驗算；按罕遇地震對鋼筋混凝土橋墩進(jìn)行延性驗算或最大位移分析。

2.1 計算模型

多遇地震采用反應(yīng)譜法計算，罕遇地震采用非線性時程分析法計算，地震波采用現(xiàn)場實測波，共7條波，計算結(jié)果取平均值。

計算采用大型有限元計算軟件Midas Civil 2019進(jìn)行模擬，有限元模型如圖2所示，其中U梁、墩身、承臺通過梁單元模擬，樁基礎(chǔ)采用等效彈性支撐模擬。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)簡支梁Midas計算模型

2.2 多遇地震響應(yīng)

根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50111—2006）中7.1.4條規(guī)定，橋梁抗震計算時應(yīng)分別計算順橋向和橫橋向的水平地震作用，同時考慮有車無車兩種工況。高架區(qū)間位于7度區(qū)，因此只考慮橫向地震和縱向地震作用對結(jié)構(gòu)引起的效應(yīng)，多遇地震下墩底位置內(nèi)力值如表3所示。

表3 橋墩墩底地震內(nèi)力響應(yīng)

2.3 多遇地震墩身及樁基配筋設(shè)計

簡支梁橋墩為偏心受壓構(gòu)件，在滿足最小配筋率和強(qiáng)度要求的情況下，根據(jù)多遇地震計算結(jié)果，橋墩設(shè)計及檢算結(jié)果如表4所示，墩高為4m的橋墩墩底截面配筋為0.53%，墩高12m的橋墩墩底截面配筋為1.16%。

表4 橋墩墩底配筋設(shè)計結(jié)果表

將多遇地震下的墩底內(nèi)力外加至基頂，對樁基進(jìn)行配筋設(shè)計，設(shè)計結(jié)果如表5所示，墩高4m的橋墩樁基配筋率為1.26%，墩高12m的橋墩樁基配筋率為0.8%。

表5 樁基配筋結(jié)果表

2.4 罕遇地震位移延性比驗算

《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范（2009年版）》（GB 50111—2006）第7.3.3條規(guī)定，鋼筋混凝土橋墩在罕遇地震作用下，宜采用非線性時程分析法進(jìn)行彈塑性變形分析，延性驗算應(yīng)滿足下式要求：

式中：μu為非線性位移延性比；[μu]為允許位移延性比，取值為4.8；為橋墩的非線性響應(yīng)最大位移；為橋墩的屈服位移。

橋墩非線性位移延性比如表6所示，可知橋墩設(shè)計滿足規(guī)范要求。

表6 橋墩非線性位移延性比

3 市域鐵路橋梁抗震設(shè)計

根據(jù)市域鐵路設(shè)計規(guī)范要求，橋梁下部結(jié)構(gòu)除需滿足國鐵抗震設(shè)計規(guī)范的要求外，還需進(jìn)行能力保護(hù)設(shè)計。因此，在市域鐵路橋梁抗震設(shè)計中，需增加能力保護(hù)設(shè)計環(huán)節(jié)。橋梁基礎(chǔ)是橋梁結(jié)構(gòu)最主要的受力構(gòu)件，地震作用下如發(fā)生損傷，不但很難檢查，也很難修復(fù)。因此，作為能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計，市域鐵路橋梁墩身設(shè)計可與國鐵規(guī)范設(shè)計保持一致，基礎(chǔ)需重新設(shè)計。

3.1 求解超強(qiáng)內(nèi)力

當(dāng)基礎(chǔ)作為能力保護(hù)構(gòu)件時，應(yīng)取與墩柱塑性鉸區(qū)域截面超強(qiáng)彎矩對應(yīng)的彎矩值和剪力值。

式中：My0為順橋向和橫橋向超強(qiáng)彎矩；Mu為按截面實配鋼筋，采用材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，在恒載軸力作用下計算出的截面順橋向和橫橋向塑性受彎承載力；為橋墩正截面受彎承載力超強(qiáng)系數(shù)，取1.2。

通過Midas彎矩-曲率計算工具，建立墩柱塑性鉸處極限彎矩求解模型，獲取塑性彎矩后，帶入式（2）得到相應(yīng)的截面超強(qiáng)內(nèi)力，如表7所示。

表7 墩底超強(qiáng)內(nèi)力值

3.2 能力保護(hù)設(shè)計

同樣采用截面超強(qiáng)內(nèi)力，對基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計結(jié)果如表8所示，墩高4m的橋墩基礎(chǔ)樁基配筋率為2.87%，墩高12m的橋墩樁基配筋率為2.38%。

表8 能力保護(hù)下樁基配筋設(shè)計

4 對比分析

采用市域鐵路規(guī)范進(jìn)行抗震設(shè)計時，墩柱設(shè)計方法沒有變化，如表9所示。因為采用能力保護(hù)原則，基礎(chǔ)作為能力保護(hù)構(gòu)件，所以在同等條件下配筋明顯增大，墩高分別為4m和12m的橋墩基礎(chǔ)樁基配筋率分別增大127.8%和197.5%。

表9 國鐵規(guī)范和市域鐵路規(guī)范橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計對比

同時，由于墩身配筋增大將直接增大墩底產(chǎn)生塑性鉸時的截面超強(qiáng)內(nèi)力，使基礎(chǔ)工程量增大，設(shè)計時應(yīng)權(quán)衡墩柱、承臺和樁基的工程量，宜適當(dāng)減小墩柱尺寸，加大樁間距，合理配置下部結(jié)構(gòu)尺寸。

5 結(jié)論

文章分別采用國鐵抗震規(guī)范、市域鐵路規(guī)范方法對某市域鐵路下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震設(shè)計。通過對比分析，得出以下結(jié)論。

（1）兩種設(shè)計方法的區(qū)別在于，市域鐵路規(guī)范增加了基礎(chǔ)作為能力保護(hù)構(gòu)件，而墩身的設(shè)計要求基本相同。

（2）基礎(chǔ)作為能力保護(hù)構(gòu)件，對其進(jìn)行設(shè)計后，墩高為4m和12m的橋墩基礎(chǔ)樁基配筋率分別增大127.8%和197.5%，配筋增大明顯。

（3）能力保護(hù)設(shè)計方法要求墩身產(chǎn)生塑性鉸時基礎(chǔ)不發(fā)生破壞，因此設(shè)計應(yīng)在規(guī)范允許的前提下，盡可能降低墩身截面尺寸和配筋，以降低對基礎(chǔ)能力的要求，提高整體設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性。