城市軌道交通橋梁抗震設計與研究

李 靖

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

摘 要：以城市軌道交通設計實例為主要依據,結合相關規(guī)范,根據能量轉換原理對軌道交通橋梁抗震設計進行研究。結論為：減小結構體系剛度和加大能量輸出是降低結構地震動響應的有效方法。通過控制結構尺寸、設置塑性鉸和減隔震支座等方法可以有效降低結構體系剛度；通過設置防震擋塊,高阻尼支座等能夠加大能量輸出。實際震害表明,罕遇地震作用下,抗震計算無法得到結構響應的精確值,結構的內力和變形特征難以把握。根據橋梁破壞機理,通過概念設計才是達到罕遇地震作用下結構抗震性能目標的首選方法。

關鍵詞：城市軌道交通；橋梁；能量轉換原理；地震動響應；罕遇地震；抗震性能目標

城市軌道交通以具有運量大、速度快、安全、準點、保護環(huán)境、節(jié)約能源和用地等特點得到世界各國普遍認可[1]，各地已將解決城市交通問題的根本出路歸于優(yōu)先發(fā)展以軌道交通為骨干的城市公共交通系統(tǒng)。在這個以大力發(fā)展城市軌道交通為背景的前提下，如何做到安全、經濟已經成為當前務必要研究的一個重大課題。眾所周知，在地震設防烈度較大的地區(qū)，橋梁的結構尺寸及配筋往往是由地震力控制的，尤其是2013版《地鐵設計規(guī)范》(GB50157—2013)以及2014版《城市軌道交通結構抗震設計規(guī)范》(GB50909—2014)相繼頒布之后，地震力對結構尺寸的控制更是達到了其他荷載無法比擬的程度。即便是低烈度設防地區(qū)，構件通過能力保護原則設計也已成了控制因素。所以如何結合實際情況來達到規(guī)范規(guī)定的抗震設防標準是當前亟需解決的問題。

1 能量轉換原理及減震耗能設計方法

如果以地面為參考點，則地震作用下結構的地震響應相當于以結構初始速度和初始位移為零的受迫振動。整個結構體系的振動伴隨著能量輸入，輸出以及體系內能量的相互轉換[2]。如何通過結構設計將地震力影響控制在允許范圍之內是抗震設計的核心內容，而準確把握結構體系振動的能量轉換原理將是抗震設計的前提。

結構體系的振動過程大致為：結構吸收地震動能量產生動能，動能與彈性勢能在體系內作可逆轉換，動能和塑性應變能在體系內作不可逆轉換以及動能與內能作體系外不可逆轉換。如圖1所示。

了解地震動響應過程后，可以有的放矢地通過改變結構自身振動特性以及結構的振動環(huán)境來減小地震動對結構的作用。

1.1 地震動的能量輸入

結構任意一質點的在j振型下的水平地震作用力大小為

(1)

式(1)來自《鐵路工程抗震設計規(guī)范》(GB50111—2006)。當工程類別以及工程場地確定之后，Ci，α就已確定，γj以及xfj與墩型和基礎剛度有關，根據設計經驗來講，它們并不是起主導控制的量，并且在設計中往往難以把握。mi主要來自梁部、二恒及活載，由一條線的技術標準所確定。所以在設計中應重點把握動力放大系數βj。βj用公式表達為

(2)

式中，T為結構自振周期；Tg為場地地震動特征周期；βmax為放大系數平臺極值。關于βmax的取值，目前規(guī)范有加大的趨勢，《鐵路工程抗震設計規(guī)范》(GB50111—2006)中取值為2.25，《城市軌道交通結構抗震設計規(guī)范》(GB50909—2014)中取值為2.5。并且自2013年以后對需要進行工程場地地震動安全性評價的，相關安全評價報告給出的βmax值一般也不小于2.5，國家相關部門對軌道交通抗震要求越來越嚴格。

由式(2)可以得出，結構自振周期與地震動場地特征周期越接近則地震動輸入能量越大，反之越小，這符合結構動力學共振原理[3]。研究統(tǒng)計發(fā)現，工程實例中，絕大部分橋梁結構的自振周期要大于地震動場地特征周期，故結構越柔地震響應越小。所以在滿足橋梁結構常規(guī)剛度要求的情況下，應該盡量減小結構的水平剛度。由單自由度體系的結構振動原理可知，

，結合橋梁工程實際，盡量降低下部結構的側向剛度成為提高結構自振周期的有效方法[4]。

下部結構剛度由3部分組成：墩身、基礎和連接構件。

墩身剛度包含剪切剛度和彎曲剛度。除非非常矮的橋墩，剪切變形可以忽略不計。根據《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規(guī)范》(TB10002.3—2005)，靜定結構截面剛度應計入普通鋼筋的影響，控制墩身的剛度應從截面尺寸以及縱向配筋出發(fā)。設計過程中，地震力作用下墩身截面需要一定的承載力，然而截面過強會加大地震動能量的輸入，這說明墩柱截面的確定本身就是一個與地震力作用相互博弈的過程。在控制墩身截面時應綜合考慮地震作用力下的承載力和抗側剛度對地震作用力的放大作用，盡量做到對材料充分利用。特別是2013版《地鐵設計規(guī)范》(GB50157—2013)明確規(guī)定，高架結構基礎應作為能力保護構件進行設計，確保罕遇地震下墩身先于基礎屈服，這就更需對墩身截面進行嚴格的控制，以免基礎過于龐大。以武漢某軌道交通車站橋梁結構π形墩樁基計算為例，比較常規(guī)力作用下和按能力保護構件計算下基頂外力及配筋，見表1。

注：π形墩下雙柱共承臺，1號墩采用5φ1.25 m樁基礎，2～4號墩采用5φ1.5 m樁基礎。

武漢抗震設防為6度，多遇地震下墩柱設計不受強度控制，但按能力保護構件設計基礎必須強于墩柱，就造成了表1所示樁基控制軸力和配筋面積大幅提高的情況出現。

基礎的剛度包含側向剛度和轉動剛度[5]。墩高不同，兩者所占比例也不同。圖2為昆明某軌道交通在墩頂1 000 kN水平力作用下，具有相同轉動剛度而側向剛度不同的6-Φ1 m和4-Φ1.25 m的樁基布置，以及側向剛度相同但轉動剛度不同的兩種4-Φ1.25 m的在不同墩高下的墩頂位移比。

由圖2可知，基礎側向剛度隨著墩高加大，影響力逐漸減小。轉動剛度先隨高度增加，影響力增大。在墩高超過11 m后，影響力也在減弱，但由于軌道交通橋梁結構墩高通常比較矮，一般在15 m以下，所以總體來說轉動剛度在高墩中影響較大。在設計時，可以根據墩高的不同，采取不同的樁基布置形式，人為干預其側向剛度和轉動剛度。

支座作為常規(guī)的連接構件，其剛度對整個體系的剛度影響很大，采用減隔震支座能夠有效增大結構的自振周期，減小地震動能量的輸入[6]。表2、表3為昆明某軌道交通橋梁采用減隔震支座后，對比采取減隔震支座后單個橋墩的墩柱和樁基配筋以及樁長的變化。

可見，采用減隔震支座后墩身配筋、樁長及樁身配筋都大大減少。

1.2 地震動作用下的能量的轉換

結構在地震動作用下主要的能量轉換為彈性勢能和動能之間的轉換，這是可逆轉換，地震效應不會衰減。如果結構發(fā)生塑性變形，則部分動能轉化為塑性應變能，此轉換不可逆，結構地震響應將減小。罕遇地震發(fā)生時，讓一部分構件先屈服可以減小地震作用響應。在保證不發(fā)生脆性剪切破壞的前提下，通常選取獨柱墩的墩底、多柱墩的墩底和墩頂這些彎矩較大的地方作為塑性鉸，在地震作用下首先屈服并耗散能量[7]。更關鍵的，由于塑性鉸能夠降低體系抗側剛度[8]，地震動能量的輸入也會大大減小。表4為昆明軌道交通某門式墩進行罕遇地震作用下的內力計算，分別為采用塑性鉸和不采用塑性鉸的內力對比。

截取的塑性鉸位置為門式墩左柱墩頂，可見，采用塑性鉸之后，構件內力得到了有效釋放。

1.3 地震動作用下的能量的輸出

通常，結構振動能量的耗散大都通過內能的方式傳播出去，比如依靠結構體系的阻尼比[9]。一般混凝土結構的阻尼比為0.05，不同等級、品種的混凝土相差不大，需要尋找其他耗能方式[10]。作為連接構件，高阻尼比減隔震支座可以通過往復運動將振動能量消耗掉，大大降低下部結構水平地震力[11]。除了阻尼耗能外，也可以采用摩擦、碰撞耗能等。發(fā)生罕遇地震時，若下部結構延性不好，支座是允許破壞的。此時，若在墩頂設置三向防震擋塊，梁體滑移時與防震擋塊發(fā)生碰撞，可消耗能量。

2 罕遇地震作用下抗震性能目標設計

結合相關規(guī)范，罕遇地震作用下橋梁結構抗震性能要求見表5。

為滿足罕遇地震作用下性能目標，建模進行抗震計算是基本方法，然而僅僅依靠抗震計算是遠遠不夠的。汶川震害表明，大震下，抗震計算無法得到結構響應的精確值[12]，結構的真實內力和變形特征難以把握[13]。圖3、圖4為汶川地震中出現的2種典型的破壞情況。

圖3墩頂結點(塑性鉸)未按能力保護原則進行設計，造成脆性剪切破壞，原因是抗剪強度弱于抗彎強度；圖4未設縱向防震擋塊導致縱向整體落梁，原因是該處地震力超過了支座允許承載力。此類破壞僅通過地震反應計算難以預測，只有通過抗震措施(包含內力調整)去避免。而抗震措施必須建立在概念設計的基礎之上。

橋梁工程抗震概念設計應從橋梁的破壞機理入手。軌道交通橋梁多為小跨徑簡支梁和連續(xù)梁，就梁體本身而言，不存在地震力作用下的強度問題[14]。分析整座橋的破壞機理就應該從支座開始，然后是墩身和基礎。作為關鍵的連接構件，支座是第一個薄弱點，根據《軌道交通結構抗震設計規(guī)范》(GB50909—2014)，若橋墩進行過延性設計，支座是不允許破壞的。這一點，筆者觀點略有不同。原因有二：首先，罕遇地震下，水平力非常大且真實值難以確定，超過支座設計容許值時有發(fā)生；其次，如果不能通過支座破壞降低上部結構傳來的荷載，墩身和基礎就面臨極大的風險。考慮到易更換，建議支座按照設防地震考慮承載力，并增加梁底各向防震擋塊，滿足概念設計中多道設防的原則。汶川震害表明，雖然支座破壞很常見，但由于橫向防震擋塊的存在，卻未出現整跨橫向落梁的情況。罕遇地震下，墩身彎矩較大處是第二個薄弱點，不論是從增大延性還是從如何使震時破壞形態(tài)有利的條件出發(fā)，剪切破壞都是不應該發(fā)生的，必須從能力上保證抗剪承載力大于相應最大彎矩發(fā)生時對應的設計剪力。樁基礎是第三個薄弱點，由于基礎最難以修復且一旦破壞橋梁整體的可靠度將喪失[15]，從能力保護的原則上出發(fā)，基礎必須強于墩身承載力。要達到罕遇地震作用下的性能目標，必須合理地處理這些薄弱點的相對強弱關系。

3 結論

(1)合理控制墩身尺寸及配筋、根據不同墩高選擇合適的樁基布置形式、采用減隔震支座以及設置塑性鉸都可以減小結構體系的剛度，從而減小地震動能量的輸入。

(2)通過不可逆轉換能夠有效地降低結構體系的動能，從而減小結構的地震動響應。比較常用的方法為設置塑性鉸。

(3)通過摩擦耗能或碰撞耗能的方式來將結構體系的動能耗散掉。比較常用的方法有采用高阻尼橡膠支座、設置防震擋塊等等。

(4)地震反應計算是抗震設計最基本的內容，但對于罕遇地震而言它只能作為一種依據，而不是抗震設計的全部。它無法精確模擬結構地震動響應的真實情況。通過概念設計，采用能力保護原則明確薄弱點破壞分級，并采取多道防線適時釋放能量，才能完成結構既定功能目標。

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Seismic Design and Research of Urban Rail Transit Bridge

LI Jing

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

Abstract：Based on the urban rail transit design and relevant specifications, this paper studies the rail transit bridge seismic design in the light of the principle of energy conversion. The results conclude that reducing the stiffness of the structural system and increasing the energy output is an effective way to reduce the structural seismic response. Structural system stiffness can be effectively reduced by controlling the size of the structure and mounting plastic hinge and seismic isolation bearing. The energy output can be increased by placing high damping bearing and shock proof block. The actual earthquake damages show that it is hardly possible to get accurate structural response value and difficult to understand the structure internal force and deformation characteristics simply by seismic calculation in case of rare earthquakes. According to the failure mechanism of the bridge, concept design should be prioritized to achieve the structural seismic performances in case of rare earthquake.

Key words：Urban rail transit; Bridge; Principle of energy conversion; Ground motion response; Rare earthquake; Seismic performance objective

收稿日期：2016-08-19；

修回日期：2016-09-13

作者簡介：李 靖(1985—)，男，工程師，2010年畢業(yè)于西南交通大學橋梁工程專業(yè)，工學碩士，E-mail：38819857@qq.com。

文章編號：1004-2954(2017)05-0082-04

中圖分類號：U442.55

文獻標識碼：A

DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.05.018