城市轨道交通桥梁抗震设计与研究

城市轨道交通桥梁抗震设计与研究 城市轨道交通桥梁抗震设计与研究

李 靖

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

摘 要：以城市轨道交通设计实例为主要依据,结合相关规范,根据能量转换原理对轨道交通桥梁抗震设计进行研究。结论为：减小结构体系刚度和加大能量输出是降低结构地震动响应的有效方法。通过控制结构尺寸、设置塑性铰和减隔震支座等方法可以有效降低结构体系刚度；通过设置防震挡块,高阻尼支座等能够加大能量输出。实际震害表明,罕遇地震作用下,抗震计算无法得到结构响应的精确值,结构的内力和变形特征难以把握。根据桥梁破坏机理,通过概念设计才是达到罕遇地震作用下结构抗震性能目标的首选方法。

关键词：城市轨道交通；桥梁；能量转换原理；地震动响应；罕遇地震；抗震性能目标

城市轨道交通以具有运量大、速度快、安全、准点、保护环境、节约能源和用地等特点得到世界各国普遍认可[1]，各地已将解决城市交通问题的根本出路归于优先发展以轨道交通为骨干的城市公共交通系统。在这个以大力发展城市轨道交通为背景的前提下，如何做到安全、经济已经成为当前务必要研究的一个重大课题。众所周知，在地震设防烈度较大的地区，桥梁的结构尺寸及配筋往往是由地震力控制的，尤其是2013版《地铁设计规范》(GB50157—2013)以及2014版《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB50909—2014)相继颁布之后，地震力对结构尺寸的控制更是达到了其他荷载无法比拟的程度。即便是低烈度设防地区，构件通过能力保护原则设计也已成了控制因素。所以如何结合实际情况来达到规范规定的抗震设防标准是当前亟需解决的问题。

1 能量转换原理及减震耗能设计方法

如果以地面为参考点，则地震作用下结构的地震响应相当于以结构初始速度和初始位移为零的受迫振动。整个结构体系的振动伴随着能量输入，输出以及体系内能量的相互转换[2]。如何通过结构设计将地震力影响控制在允许范围之内是抗震设计的核心内容，而准确把握结构体系振动的能量转换原理将是抗震设计的前提。

结构体系的振动过程大致为：结构吸收地震动能量产生动能，动能与弹性势能在体系内作可逆转换，动能和塑性应变能在体系内作不可逆转换以及动能与内能作体系外不可逆转换。如图1所示。

图1 地震动能量输入输出及转换图示

了解地震动响应过程后，可以有的放矢地通过改变结构自身振动特性以及结构的振动环境来减小地震动对结构的作用。

1.1 地震动的能量输入

结构任意一质点的在j振型下的水平地震作用力大小为

(1)

式(1)来自《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)。当工程类别以及工程场地确定之后，Ci，α就已确定，γj以及xfj与墩型和基础刚度有关，根据设计经验来讲，它们并不是起主导控制的量，并且在设计中往往难以把握。mi主要来自梁部、二恒及活载，由一条线的技术标准所确定。所以在设计中应重点把握动力放大系数βj。βj用公式表达为

(2)

式中，T为结构自振周期；Tg为场地地震动特征周期；βmax为放大系数平台极值。关于βmax的取值，目前规范有加大的趋势，《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)中取值为2.25，《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB50909—2014)中取值为2.5。并且自2013年以后对需要进行工程场地地震动安全性评价的，相关安全评价报告给出的βmax值一般也不小于2.5，国家相关部门对轨道交通抗震要求越来越严格。

由式(2)可以得出，结构自振周期与地震动场地特征周期越接近则地震动输入能量越大，反之越小，这符合结构动力学共振原理[3]。研究统计发现，工程实例中，绝大部分桥梁结构的自振周期要大于地震动场地特征周期，故结构越柔地震响应越小。所以在满足桥梁结构常规刚度要求的情况下，应该尽量减小结构的水平刚度。由单自由度体系的结构振动原理可知，

　　，结合桥梁工程实际，尽量降低下部结构的侧向刚度成为提高结构自振周期的有效方法[4]。

下部结构刚度由3部分组成：墩身、基础和连接构件。

墩身刚度包含剪切刚度和弯曲刚度。除非非常矮的桥墩，剪切变形可以忽略不计。根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3—2005)，静定结构截面刚度应计入普通钢筋的影响，控制墩身的刚度应从截面尺寸以及纵向配筋出发。设计过程中，地震力作用下墩身截面需要一定的承载力，然而截面过强会加大地震动能量的输入，这说明墩柱截面的确定本身就是一个与地震力作用相互博弈的过程。在控制墩身截面时应综合考虑地震作用力下的承载力和抗侧刚度对地震作用力的放大作用，尽量做到对材料充分利用。特别是2013版《地铁设计规范》(GB50157—2013)明确规定，高架结构基础应作为能力保护构件进行设计，确保罕遇地震下墩身先于基础屈服，这就更需对墩身截面进行严格的控制，以免基础过于庞大。以武汉某轨道交通车站桥梁结构π形墩桩基计算为例，比较常规力作用下和按能力保护构件计算下基顶外力及配筋，见表1。

表1 桩基按能力保护构件设计的影响

墩号常规力设计按能力保护设计提高百分比/%工况类型控制轴力/kN配筋面积/cm2控制轴力/kN配筋面积/cm2控制轴力配筋面积1主力[***********]462650012主力[***********]1281921603主力[***********][1**********]主力[***********][1**********]

注：π形墩下双柱共承台，1号墩采用5φ1.25 m桩基础，2～4号墩采用5φ1.5 m桩基础。

武汉抗震设防为6度，多遇地震下墩柱设计不受强度控制，但按能力保护构件设计基础必须强于墩柱，就造成了表1所示桩基控制轴力和配筋面积大幅提高的情况出现。

基础的刚度包含侧向刚度和转动刚度[5]。墩高不同，两者所占比例也不同。图2为昆明某轨道交通在墩顶1 000 kN水平力作用下，具有相同转动刚度而侧向刚度不同的6-Φ1 m和4-Φ1.25 m的桩基布置，以及侧向刚度相同但转动刚度不同的两种4-Φ1.25 m的在不同墩高下的墩顶位移比。

图2 相同转动刚度下位移比1和相同侧向刚度下位移比2

由图2可知，基础侧向刚度随着墩高加大，影响力逐渐减小。转动刚度先随高度增加，影响力增大。在墩高超过11 m后，影响力也在减弱，但由于轨道交通桥梁结构墩高通常比较矮，一般在15 m以下，所以总体来说转动刚度在高墩中影响较大。在设计时，可以根据墩高的不同，采取不同的桩基布置形式，人为干预其侧向刚度和转动刚度。

支座作为常规的连接构件，其刚度对整个体系的刚度影响很大，采用减隔震支座能够有效增大结构的自振周期，减小地震动能量的输入[6]。表2、表3为昆明某轨道交通桥梁采用减隔震支座后，对比采取减隔震支座后单个桥墩的墩柱和桩基配筋以及桩长的变化。

表2 采用减隔震支座后墩身配筋的变化

墩高/m原始圆端尺寸/m非隔震配筋面积/cm2采用隔震支座后配筋面积/cm2长宽顺桥向横桥向配筋总量顺桥向横桥向配筋总量[***********][***********][***********]57

表3 采用减隔震支座后桩长及桩基配筋的变化

墩高/m非隔震桩长及配筋采用隔震支座后桩长及配筋桩长/m钢筋直径/mm根数配筋面积/cm2桩长/m钢筋直径/mm根数配筋面积/cm[***********]08042 [***********]16233

可见，采用减隔震支座后墩身配筋、桩长及桩身配筋都大大减少。

1.2 地震动作用下的能量的转换

结构在地震动作用下主要的能量转换为弹性势能和动能之间的转换，这是可逆转换，地震效应不会衰减。如果结构发生塑性变形，则部分动能转化为塑性应变能，此转换不可逆，结构地震响应将减小。罕遇地震发生时，让一部分构件先屈服可以减小地震作用响应。在保证不发生脆性剪切破坏的前提下，通常选取独柱墩的墩底、多柱墩的墩底和墩顶这些弯矩较大的地方作为塑性铰，在地震作用下首先屈服并耗散能量[7]。更关键的，由于塑性铰能够降低体系抗侧刚度[8]，地震动能量的输入也会大大减小。表4为昆明轨道交通某门式墩进行罕遇地震作用下的内力计算，分别为采用塑性铰和不采用塑性铰的内力对比。

表4 采用塑性铰后墩身内力变化

部位不采用塑性铰采用塑性铰降低比例/%弯矩/(kN·m)剪力/kN轴力/kN弯矩/(kN·m)剪力/kN轴力/kN弯矩剪力轴力墩顶[***********][***********]2582049

截取的塑性铰位置为门式墩左柱墩顶，可见，采用塑性铰之后，构件内力得到了有效释放。

1.3 地震动作用下的能量的输出

通常，结构振动能量的耗散大都通过内能的方式传播出去，比如依靠结构体系的阻尼比[9]。一般混凝土结构的阻尼比为0.05，不同等级、品种的混凝土相差不大，需要寻找其他耗能方式[10]。作为连接构件，高阻尼比减隔震支座可以通过往复运动将振动能量消耗掉，大大降低下部结构水平地震力[11]。除了阻尼耗能外，也可以采用摩擦、碰撞耗能等。发生罕遇地震时，若下部结构延性不好，支座是允许破坏的。此时，若在墩顶设置三向防震挡块，梁体滑移时与防震挡块发生碰撞，可消耗能量。

2 罕遇地震作用下抗震性能目标设计

结合相关规范，罕遇地震作用下桥梁结构抗震性能要求见表5。

为满足罕遇地震作用下性能目标，建模进行抗震计算是基本方法，然而仅仅依靠抗震计算是远远不够的。汶川震害表明，大震下，抗震计算无法得到结构响应的精确值[12]，结构的真实内力和变形特征难以把握[13]。图3、图4为汶川地震中出现的2种典型的破坏情况。

表5 罕遇地震作用下性能目标

规范结构构件基础支座《地铁设计规范》(GB50157—2013)对盖梁、结点按能力保护原则设计按能力保护原则设计未做要求《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB50909—2014)可更换新构件维修加固可使用若桥墩延性较差，允许破坏并更换，否则不能破坏《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)对桥墩进行延性验算未做要求未做要求

图3 墩顶脆性剪切破坏

图4 整孔纵向落梁

图3墩顶结点(塑性铰)未按能力保护原则进行设计，造成脆性剪切破坏，原因是抗剪强度弱于抗弯强度；图4未设纵向防震挡块导致纵向整体落梁，原因是该处地震力超过了支座允许承载力。此类破坏仅通过地震反应计算难以预测，只有通过抗震措施(包含内力调整)去避免。而抗震措施必须建立在概念设计的基础之上。

桥梁工程抗震概念设计应从桥梁的破坏机理入手。轨道交通桥梁多为小跨径简支梁和连续梁，就梁体本身而言，不存在地震力作用下的强度问题[14]。分析整座桥的破坏机理就应该从支座开始，然后是墩身和基础。作为关键的连接构件，支座是第一个薄弱点，根据《轨道交通结构抗震设计规范》(GB50909—2014)，若桥墩进行过延性设计，支座是不允许破坏的。这一点，笔者观点略有不同。原因有二：首先，罕遇地震下，水平力非常大且真实值难以确定，超过支座设计容许值时有发生；其次，如果不能通过支座破坏降低上部结构传来的荷载，墩身和基础就面临极大的风险。考虑到易更换，建议支座按照设防地震考虑承载力，并增加梁底各向防震挡块，满足概念设计中多道设防的原则。汶川震害表明，虽然支座破坏很常见，但由于横向防震挡块的存在，却未出现整跨横向落梁的情况。罕遇地震下，墩身弯矩较大处是第二个薄弱点，不论是从增大延性还是从如何使震时破坏形态有利的条件出发，剪切破坏都是不应该发生的，必须从能力上保证抗剪承载力大于相应最大弯矩发生时对应的设计剪力。桩基础是第三个薄弱点，由于基础最难以修复且一旦破坏桥梁整体的可靠度将丧失[15]，从能力保护的原则上出发，基础必须强于墩身承载力。要达到罕遇地震作用下的性能目标，必须合理地处理这些薄弱点的相对强弱关系。

3 结论

(1)合理控制墩身尺寸及配筋、根据不同墩高选择合适的桩基布置形式、采用减隔震支座以及设置塑性铰都可以减小结构体系的刚度，从而减小地震动能量的输入。

(2)通过不可逆转换能够有效地降低结构体系的动能，从而减小结构的地震动响应。比较常用的方法为设置塑性铰。

(3)通过摩擦耗能或碰撞耗能的方式来将结构体系的动能耗散掉。比较常用的方法有采用高阻尼橡胶支座、设置防震挡块等等。

(4)地震反应计算是抗震设计最基本的内容，但对于罕遇地震而言它只能作为一种依据，而不是抗震设计的全部。它无法精确模拟结构地震动响应的真实情况。通过概念设计，采用能力保护原则明确薄弱点破坏分级，并采取多道防线适时释放能量，才能完成结构既定功能目标。

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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

作者简介：李 靖(1985—)，男，工程师，2010年毕业于西南交通大学桥梁工程专业，工学硕士，E-mail：[email protected]。

文章编号：1004-2954(2017)05-0082-04

中图分类号：U442.55

文献标识码：A

DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.05.018