城市軌道交通橋梁抗震設(shè)計(jì)研究

摘 要 城市軌道交通運(yùn)行速度快，安全要求高。在城市軌道交通橋梁工程設(shè)計(jì)中，抗震安全對(duì)于橋梁工程運(yùn)行秩序會(huì)產(chǎn)生較大影響。對(duì)此，本文首先對(duì)城市軌道交通橋梁抗震設(shè)計(jì)原則進(jìn)行介紹，然后以某軌道交通橋梁工程為研究對(duì)象，對(duì)橋梁抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)探究。

關(guān)鍵詞 軌道交通橋梁;抗震;原則;設(shè)計(jì)

引言

在城市建設(shè)中，通過優(yōu)化軌道交通規(guī)劃設(shè)計(jì)，可構(gòu)建完善的公共交通系統(tǒng)，進(jìn)而促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展。在軌道交通橋梁設(shè)計(jì)中，應(yīng)合理配置橋梁工程結(jié)構(gòu)尺寸，加強(qiáng)配筋設(shè)計(jì)，提升橋梁工程抗震性能。因此，亟須對(duì)城市軌道交通橋梁抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行深入研究。

1城市軌道交通橋梁抗震設(shè)計(jì)原則

（1）選擇適當(dāng)?shù)膱龅?。在選擇橋梁工程建設(shè)位置時(shí)，應(yīng)選擇抗震力比較強(qiáng)、堅(jiān)硬程度比較高的區(qū)域。另外，還應(yīng)排除可能會(huì)影響周邊地區(qū)安全的施工位置。

（2）注意結(jié)構(gòu)對(duì)稱。對(duì)稱性橋梁工程結(jié)構(gòu)剛度比較高，地震防控效果更好。比如，如果橋梁橋墩高墩差距比較大，則當(dāng)受到水平震力影響時(shí)，橋孔跨度較大的橋墩也會(huì)受到較大地震力的影響。

（3）提升橋梁整體性。通過提升橋梁工程整體性，可充分發(fā)揮橋梁工程抗震作用。對(duì)此，應(yīng)保證橋梁工程上部結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，在各個(gè)連接點(diǎn)位置設(shè)置減震措施，提升橋梁整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

（4）設(shè)置多道抗震防線。在橋梁工程抗震設(shè)計(jì)中，通過設(shè)置多道防線，可使得橋梁工程可從多方面抵抗地震側(cè)向力，如果發(fā)生地震災(zāi)害，多道防線均可發(fā)揮安全防護(hù)作用，避免橋梁工程坍塌[1]。

2工程概況

某城市軌道交通橋梁的長度為23.4km，其中，高架線為11.8m，而地下線則為11.6km，箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1所示。該橋梁工程建設(shè)區(qū)域處于沖洪積平原，通過對(duì)施工區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)勘察，在地面-8～15m范圍中，地質(zhì)結(jié)構(gòu)組成包括飽和粉以及沙土層，另外，15m以下主要為卵石。通過對(duì)施工區(qū)域進(jìn)行地震安評(píng)分析，該城市軌道橋梁工程場地為III類。

3城市軌道交通橋梁抗震設(shè)計(jì)

3.1 抗震概念設(shè)計(jì)

在城市軌道交通橋梁工程線路設(shè)計(jì)中，為了縮小橋梁占地面積，可采用簡支小箱梁接獨(dú)柱式橋墩結(jié)構(gòu)形式。為了提升橋梁工程墩柱線剛度要求，對(duì)于墩柱截面，可采用矩形實(shí)心截面設(shè)計(jì)形式。

如果墩柱高度比較小，而結(jié)構(gòu)剛度大，則應(yīng)提高橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提升橋梁抗震性能，當(dāng)發(fā)生地震災(zāi)害時(shí)，結(jié)構(gòu)柔性變形可有效抵抗地震作用，這就要求在保證結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)的基礎(chǔ)上，允許其在地震作用下發(fā)生屈服，產(chǎn)生變形量，同時(shí)不發(fā)生破壞，上述設(shè)計(jì)方式即為橋梁工程延性墩柱設(shè)計(jì)。

在該橋梁工程抗震設(shè)計(jì)中，10%的墩柱高度在10m以內(nèi)，墩柱截面采用實(shí)心矩形截面，綜合考慮地震荷載作用，采用彈性構(gòu)件設(shè)計(jì)方式。另外，90%的墩柱高度在10m以上，在考慮地震荷載作用時(shí)，采用延性構(gòu)件設(shè)計(jì)方式，不僅能夠減少墩柱鋼筋用量，同時(shí)還可減少施工成本。

3.2 抗震設(shè)計(jì)計(jì)算及其分析

在橋梁抗震設(shè)計(jì)中，創(chuàng)建四種工況模型：無鋼軌、有鋼軌無外延、鋼軌外延60m、鋼軌外延200m，并采用彈塑性地震反應(yīng)譜分析方式，對(duì)軌道約束對(duì)橋梁地震影響效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析[2]。

在地震作用下，計(jì)入鋼軌影響但不延長所得結(jié)果與不計(jì)鋼軌影響所得結(jié)果相同，另外，鋼軌外延60m、鋼軌外延200m兩種工況下的計(jì)算結(jié)果類似，但是，計(jì)入軌道延長模型結(jié)果與不計(jì)軌道延長模型計(jì)算結(jié)果的差異比較大。除此以外，在順橋向地震作用下，在計(jì)入軌道延長后所得墩頂位移結(jié)果與不計(jì)軌道延長模型所得墩頂位移結(jié)果相比，結(jié)果小30%，同時(shí)墩底軸力、彎矩增大，在橫橋向地震作用下，計(jì)入軌道延長后墩頂位移計(jì)算結(jié)果與不計(jì)軌道延長模型后墩頂位移計(jì)算結(jié)果相比，增大10%，同時(shí)墩底彎矩也增大，而墩底軸力基本相同。在本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意在軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，綜合考慮計(jì)入軌道延長的影響，因此軌道延伸長60m。

3.3 鋼軌影響效應(yīng)分析

城市軌道交通橋梁工程長度比較大，鋼軌-扣件系統(tǒng)具有約束作用，當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，相鄰橋跨之間的地震反應(yīng)相互影響。對(duì)于軌道，可將其延伸至車站或者地面，其能夠?qū)蛄汗こ坍a(chǎn)生約束作用，進(jìn)而改善高架橋的動(dòng)力特性。

3.4 樁-土相互作用分析

在發(fā)生地震災(zāi)害時(shí)，樁-土可相互作用，對(duì)橋梁工程結(jié)構(gòu)抗震性能產(chǎn)生較大影響，因此，樁-土相互作用是橋梁抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)?，F(xiàn)如今，在橋梁工程抗震設(shè)計(jì)中，一般采用法模擬樁土效應(yīng)，假設(shè)土體處于彈性狀態(tài)，主要被應(yīng)用于土體位移在6mm以內(nèi)的情況。在罕遇地震荷載時(shí)，樁周圍土體會(huì)發(fā)生塑性變形，很難對(duì)其實(shí)際受力情況進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬分析。對(duì)此，可應(yīng)用P-y曲線法，在P-y曲線法的實(shí)際應(yīng)用中，要求將土體沿深度應(yīng)力以及位移作為指標(biāo)，對(duì)地基土彈塑性性質(zhì)進(jìn)行分析，進(jìn)而判斷循環(huán)荷載、線性荷載、靜載等因素對(duì)于土體側(cè)向反力的影響?，F(xiàn)如今，P-y曲線法已逐漸被推廣應(yīng)用于工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)分析中。

綜合考慮該橋梁工程建設(shè)場地實(shí)際情況，對(duì)橋梁工程建設(shè)區(qū)域土體的m值以及P-y曲線進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)而模擬樁-土的相互作用，判斷其對(duì)于橋梁工程抗震性能的影響。在橋梁工程模型中，通過應(yīng)用m法以及P-y法，可對(duì)橋梁工程樁-土效應(yīng)進(jìn)行模擬分析，另外，還需應(yīng)用彈塑性反應(yīng)譜法對(duì)罕遇地震作用時(shí)下結(jié)構(gòu)的整體響應(yīng)情況進(jìn)行比較。P-y曲線與m法剛度曲線如圖2所示。

對(duì)于樁-土效應(yīng)，在應(yīng)用P-y曲線法進(jìn)行模擬分析時(shí)，在計(jì)入土體發(fā)生塑性變形后，剛度下降，可對(duì)墩底進(jìn)行計(jì)算，地面位置變形量比較大，這樣就會(huì)對(duì)墩頂位移計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大影響，墩頂位移比較大。另外，采用m法對(duì)墩頂位移進(jìn)行計(jì)算，而計(jì)算結(jié)果為P-y曲線法計(jì)算所得結(jié)果的80%;在對(duì)墩柱頂以及底相對(duì)位移進(jìn)行計(jì)算時(shí)，兩種方法所得結(jié)果保持一致。在該橋梁工程抗震設(shè)計(jì)中，采用m法對(duì)樁-土效應(yīng)進(jìn)行模擬分析。墩頂位移可被應(yīng)用于延性構(gòu)件設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)分析中，可充分體現(xiàn)出墩柱自身受力性能，在對(duì)墩頂位移進(jìn)行評(píng)價(jià)分析時(shí)，可將墩柱頂以及底相對(duì)位移作為重要指標(biāo)。

3.5 墩柱截面合理配筋

在對(duì)城市軌道交通橋梁工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，如果橋梁墩柱的墩高在10m以上，則可利用延性構(gòu)件設(shè)計(jì)方式，對(duì)此，可創(chuàng)建多跨有軌空間橋梁結(jié)構(gòu)模型，然后利用非線性時(shí)程分析法以及彈塑性反應(yīng)譜法等，對(duì)罕遇地震作用下橋梁工程墩柱的彈塑性變形進(jìn)行驗(yàn)算分析，進(jìn)而確定墩柱非線性位移延性比。

如果該橋梁工程墩柱截面配筋率為1.3%，在地震力作用下，采用線性彎矩簡化法，對(duì)非線性位移比進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果為4.5、4.8，而根據(jù)該城市軌道交通橋梁工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，位移比應(yīng)在4.8以內(nèi)。在利用彈塑性反應(yīng)譜法對(duì)非線性位移比進(jìn)行計(jì)算后，所得結(jié)果為3.0、3.4，符合該橋梁工程設(shè)計(jì)規(guī)范，并且安全度比較高。另外，在應(yīng)用非線性時(shí)程分析法后，非線性位移比計(jì)算結(jié)果為1.8、1.6，符合該橋梁工程設(shè)計(jì)規(guī)范。由此可見，在該橋梁工程抗震設(shè)計(jì)中，采用彈塑性反應(yīng)譜分析法作為構(gòu)件延性抗震設(shè)計(jì)依據(jù)，墩柱截面配筋率的計(jì)算結(jié)果為1.3%[3]。

4結(jié)束語

綜上所述，本文主要結(jié)合實(shí)例，對(duì)城市軌道交通橋梁工程抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)探究。在對(duì)橋梁工程進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，可對(duì)橋梁工程進(jìn)行抗震概念設(shè)計(jì)，確定各個(gè)結(jié)構(gòu)件抵抗地震作用的機(jī)理，對(duì)樁-土相互作用進(jìn)行計(jì)算分析，并判斷其對(duì)于延性墩柱受力情況的影響，對(duì)墩柱截面配筋增大情況進(jìn)行分析，優(yōu)化橋梁工程配筋設(shè)計(jì)，提升橋梁工程抗震性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 董喜明.市政橋梁設(shè)計(jì)中的防震設(shè)計(jì)研究[J].城市建筑，2017，（5）：256-256.

[2] 曹曉遠(yuǎn).基于性能的橋梁抗震設(shè)計(jì)理念與措施[J].交通世界，2018，2（17）：122-123.

[3] 王斌斌.公路橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)分析[J].江西建材，2017，4（17）：148-148.

作者簡介

王世純（1981-），男，山東日照;學(xué)歷：碩士研究生，高級(jí)工程師，現(xiàn)就職單位：重慶英杰建設(shè)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，研究方向：主要從事市政結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)工作。