徐艷玲

(北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京 100082)

?

我國現(xiàn)行軌道交通橋梁抗震設(shè)計規(guī)范探討

徐艷玲

(北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京 100082)

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

軌道交通；橋梁； 延性抗震設(shè)計； 規(guī)范 ；比較

橋梁抗震設(shè)計規(guī)范是橋梁抗震設(shè)計的依據(jù)，對橋梁的抗震安全至關(guān)重要。目前，我國可應(yīng)用于指導(dǎo)軌道交通橋梁抗震設(shè)計的規(guī)范有《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB 50157—2013)、《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》(CJJ 166—2011)和《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50909—2014)3本。采用《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》和《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》設(shè)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(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》由于出版時間較短，還未有其成功應(yīng)用的案例，相信在后續(xù)的軌道交通線路中也會有應(yīng)用。

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

1 橋梁抗震設(shè)計標準比較(表1)

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

表1 抗震設(shè)計標準比較

《城規(guī)》將軌道交通橋梁列為丙類橋梁，對應(yīng)小震和大震采用兩水平設(shè)防、兩階段設(shè)計，第一階段采用基于強度的彈性設(shè)計方法，第二階段采用基于變形的延性抗震設(shè)計方法，并對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)引入能力保護設(shè)計原則。

《城軌規(guī)范》在原有延性抗震設(shè)計理論的基礎(chǔ)上提出了性能抗震設(shè)計理論，并據(jù)此提出性能抗震的設(shè)計方法，根據(jù)橋梁類型和設(shè)防等級的不同提出不同的性能要求，對墩柱和下部基礎(chǔ)采用三階段設(shè)防、三階段設(shè)計，各設(shè)計階段基于構(gòu)件性能進行彈性或者彈塑性反應(yīng)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(gòu)件根據(jù)其破壞狀態(tài)判定其是否滿足各設(shè)計階段的性能要求。相比較前兩本規(guī)范，本規(guī)范將結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計與使用性能結(jié)合，對結(jié)構(gòu)在地震作用下的工作狀態(tài)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(yīng)譜法和動力時程分析法是目前結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)分析的主流方法，在3本規(guī)范中均有不同程度的應(yīng)用。

反應(yīng)譜法將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)動力問題轉(zhuǎn)化為特定振型下的結(jié)構(gòu)靜力問題，計算簡單易行，是目前橋梁抗震設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的分析方法。對于軌道交通工程，高架區(qū)間結(jié)構(gòu)多采用結(jié)構(gòu)形式簡單的小跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁作為標準梁，墩柱高度為8～15 m，結(jié)構(gòu)大部分慣性質(zhì)量來自于上部結(jié)構(gòu)荷載和列車活荷載，以第1階振型對結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)起控制作用，通過第1階振型的計算可滿足橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的要求。此外，在一般設(shè)計條件下，當高架區(qū)間結(jié)構(gòu)因地震作用進入彈塑性工作階段時，塑性鉸一般發(fā)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(yù)先設(shè)計。對于這種類型橋梁結(jié)構(gòu)3本規(guī)范均將其列入規(guī)則橋梁或簡單結(jié)構(gòu)，推薦采用反應(yīng)譜法結(jié)合靜力非線性分析進行彈塑性地震分析。

《鐵規(guī)》和《城規(guī)》對規(guī)則橋梁推薦采用彈性反應(yīng)譜進行分析，根據(jù)靜力非線性分析結(jié)果修正塑性鉸區(qū)域結(jié)構(gòu)剛度，并結(jié)合經(jīng)驗公式引入彈性反應(yīng)譜分析的彈塑性修正系數(shù)進行橋梁延性抗震設(shè)計。

《城軌規(guī)范》對于簡單結(jié)構(gòu)推薦采用彈塑性反應(yīng)譜法進行橋梁延性抗震設(shè)計，該方法通過強度折減系數(shù)對原設(shè)計彈性反應(yīng)譜進行折減，得到特定延性系數(shù)下的彈塑性反應(yīng)譜，結(jié)合靜力非線性分析，通過結(jié)構(gòu)等效周期和屈服地震加速度確定結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)，從而對橋梁進行延性抗震設(shè)計。

動力時程分析法可以考慮地基和結(jié)構(gòu)的相互作用、結(jié)構(gòu)的各種復(fù)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(xiàn)結(jié)構(gòu)地震動的全過程仿真分析，使設(shè)計人員更清楚地把握結(jié)構(gòu)地震動破壞機理，提高結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的精準度。由于其計算過程冗繁，3本規(guī)范均將其列為非規(guī)則結(jié)構(gòu)的抗震分析方法。

3 設(shè)計加速度反應(yīng)譜

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

設(shè)計加速度反應(yīng)譜的形成與基本地面加速度、場地特征周期、結(jié)構(gòu)阻尼及結(jié)構(gòu)重要性程度等參數(shù)有關(guān)，下面對各規(guī)范中地震動設(shè)計反應(yīng)譜參數(shù)進行比較。

以北京地區(qū)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(shè)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(guī)范得到地震動設(shè)計參數(shù)如表3所示。

表3 水平加速度反應(yīng)譜參數(shù)比較

注：Ci為重要性系數(shù)或調(diào)整系數(shù)；A為水平地震動峰值加速度；βm為動力放大系數(shù)；Smax為設(shè)計地震動加速度反應(yīng)譜峰值

各規(guī)范在水平地震動加速度反應(yīng)譜計算參數(shù)選取中有些許不同，最終形成反應(yīng)譜線形基本一致，計算加速度反應(yīng)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(wěn)。就圖1所示，3條水平地震動加速度反應(yīng)譜而言，3條曲線中《城軌規(guī)范》中定義加速度反應(yīng)譜峰值最大，為1.0 m/s，主要是由于其動力放大系數(shù)的取值為2.5，大于其他2本規(guī)范中2.25的取值；《城規(guī)》和《鐵規(guī)》中定義加速度峰值基本接近，約為0.9 m/s，設(shè)防水平相當。

圖1 水平地震動加速度反應(yīng)譜

4 橋梁延性抗震設(shè)計

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

表4 橋梁延性抗震設(shè)計過程比較

概括起來說，各規(guī)范在橋梁抗震設(shè)計的思路就是小震彈性設(shè)計，對各構(gòu)件進行強度驗算；大震延性設(shè)計，通過延性指標評價結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)是否滿足設(shè)計要求。在驗算指標的選取上各規(guī)范各有不同，如《鐵規(guī)》以位移延性比作為構(gòu)件延性性能的評價指標，《城規(guī)》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(qū)域塑性轉(zhuǎn)角作為延性設(shè)計評價指標，《城軌規(guī)范》根據(jù)構(gòu)件塑性鉸區(qū)轉(zhuǎn)角判定其工作性能。

在設(shè)計塑性鉸潛在發(fā)生區(qū)域時，《鐵規(guī)》和《城規(guī)》均將塑性鉸潛在發(fā)生區(qū)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(fù)的墩柱上，以保障橋梁在震后方便修復(fù)，迅速恢復(fù)通行能力?！冻擒壱?guī)范》除了規(guī)定塑性鉸出現(xiàn)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(chǔ)穩(wěn)定性的前提下，將塑性鉸變形區(qū)域設(shè)置在樁基頂部，允許樁頂產(chǎn)生有限的塑性變形，以消耗地震能量，減輕地震對整體結(jié)構(gòu)的損傷，與前述兩本規(guī)范相比，該規(guī)范更為靈活、全面。墩柱塑性鍍區(qū)域分布如圖2所示。

圖2 墩柱塑性鉸區(qū)域分布

關(guān)于延性墩柱的下部結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，《地鐵設(shè)計規(guī)范》中雖然對延性設(shè)計的結(jié)構(gòu)，其蓋梁、結(jié)點和基礎(chǔ)提出按能力保護構(gòu)件設(shè)計的要求，但其要求執(zhí)行的《鐵規(guī)》中沒有能力保護構(gòu)件設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容，《地鐵設(shè)計規(guī)范》也未說明該部分內(nèi)容參照哪本規(guī)范執(zhí)行，但為確保塑性鉸在強震作用下發(fā)生于墩柱上，基礎(chǔ)設(shè)計強度應(yīng)高于墩柱設(shè)計強度?！冻且?guī)》規(guī)定對于延性墩柱的下部結(jié)構(gòu)應(yīng)按基于墩柱材料強度標準值的能力保護構(gòu)件設(shè)計?！冻擒壱?guī)范》基于性能設(shè)計，對于地下結(jié)構(gòu)要求其設(shè)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(chǔ)應(yīng)按性能要求Ⅰ級(彈性階段)設(shè)計；當墩柱處于性能要求Ⅲ級(彈塑性階段)時，基礎(chǔ)按性能要求Ⅱ級(局部彈塑性階段)設(shè)計，即允許構(gòu)件局部進入彈塑性工作階段，但需控制塑性變形。3本規(guī)范有關(guān)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?qū)?.3 m，順橋向?qū)?.8 m，采用C40混凝土現(xiàn)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(shè)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(gòu)件設(shè)計。

圖3 墩柱潛在塑性鉸區(qū)域截面鋼筋布置(單位：mm)

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

《鐵規(guī)》和《城規(guī)》采用彈性反應(yīng)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(jīng)驗修正系數(shù)體現(xiàn)?！冻擒壱?guī)范》采用彈塑性反應(yīng)譜方法分析，該方法以單質(zhì)點彈塑性體系為出發(fā)點，繪制等延性強度譜，結(jié)合結(jié)構(gòu)等效周期和屈服加速度計算延性系數(shù)。根據(jù)上述計算結(jié)果，《城規(guī)》計算得到墩柱延性系數(shù)為1.83，《 城軌規(guī)范》計算得到延性系數(shù)為1.62，2種方法計算結(jié)果基本接近，《鐵規(guī)》設(shè)計墩柱延性系數(shù)，即非線性位移延性比為2.15，計算結(jié)果偏大。

表6 計算結(jié)果比較

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

6 結(jié)論及建議

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

(2)3本規(guī)范中規(guī)定的設(shè)計加速度反應(yīng)譜平臺段均處于0.1 s～Tg之間，《城軌規(guī)范》中定義加速度反應(yīng)譜峰值最大，其對結(jié)構(gòu)安全度要求更高。

(3)靜力非線性分析法、反應(yīng)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(guī)范中均有不同程度的應(yīng)用。對于簡單規(guī)則橋梁，《鐵規(guī)》和《城規(guī)》均推薦采用彈性反應(yīng)譜法結(jié)合靜力非線性法的分析方法，《城軌規(guī)范》推薦采用彈塑性反應(yīng)譜法結(jié)合靜力非線性法的分析方法，對于復(fù)雜或大跨度橋梁，3本規(guī)范均推薦采用計算結(jié)果更加精準的非線性動力時程分析方法。

(4)在設(shè)計流程方面，《鐵規(guī)》和《城規(guī)》中關(guān)于橋梁延性抗震設(shè)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(qū)域有效剛度，再結(jié)合彈性反應(yīng)譜法進行強震下的抗震能力驗算，再計入經(jīng)驗彈塑性修正系數(shù)，確定結(jié)構(gòu)的延性工作能力，設(shè)計流程簡單，便于操作?！惰F規(guī)》最終以位移延性比作為結(jié)構(gòu)延性設(shè)計性能的評價指標，《城規(guī)》以墩頂位移或塑性鉸區(qū)域轉(zhuǎn)動能力作為延性評價指標，操作起來更加靈活。

《城軌規(guī)范》基于性能對結(jié)構(gòu)進行抗震設(shè)計，將進入彈塑性工作階段的構(gòu)件依據(jù)其彈塑性變形能力的不同劃分為不同的性能狀態(tài)，將“量化標準”的形式應(yīng)用于基于性能的橋梁抗震設(shè)計思想中，雖然設(shè)計過程較為復(fù)雜，但是設(shè)計概念更加明確，設(shè)計方法更加具體，對結(jié)構(gòu)在地震作用下的工作狀態(tài)把握也更加精準。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50157—2013地鐵設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50111—2006鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[3] 中華人民共和國交通運輸部.JTG/T B02—01—2008公路橋梁抗震設(shè)計細則[S].北京：人民交通出版社，2008.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.CJ J 166—2011城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[5] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50909—2014城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2014.

[6] 范立礎(chǔ).橋梁抗震[M].上海：同濟大學(xué)出版社，1996.

[7] 范立礎(chǔ)，卓衛(wèi)東.橋梁延性抗震設(shè)計[M].北京：人民交通出版社，2001.

[8] 謝旭.橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析與抗震設(shè)計[M].北京：人民交通出版社，2005.

[9] M.J.N.普瑞斯特雷，等著，橋梁抗震設(shè)計與加固[M].袁萬成，等譯.北京：人民交通出版社，1997.

[10]劉健新，葛勝錦.日本公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范釋義[M].北京：人民交通出版社，2014.

[11]韓鵬，王君杰，何劍，等.高架橋梁抗震設(shè)計的彈塑性反應(yīng)譜法[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2013，34(4)：461-470.

[12]張永亮，徐家林，孫建飛.京滬高速鐵路滄德特大橋地震反應(yīng)分析[J].世界橋梁，2013，41(6)：43-47.

[13]盧皓.罕遇地震作用下高速鐵路簡支梁橋抗震性能分析[J].鐵道標準設(shè)計，2015，59(8)：102-107.

[14]張茂會，孫福維，陳麗軍.武漢輕軌橋梁地震性能分析[J].城市道橋與防洪，2014(4)：104-105.

[15]向上.日本鐵路橋梁抗震設(shè)計中延性率的評價方法[J].都市快軌交通，2005(6)：30-33.

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(yè)于長安大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)，工學(xué)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