我国现行轨道交通桥梁抗震设计规范探讨

徐艳玲

(北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082)



我国现行轨道交通桥梁抗震设计规范探讨

徐艳玲

(北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082)

从设计角度出发，对《地铁设计规范》、《城市桥梁抗震设计规范》和《城市轨道交通结构抗震设计规范》在桥梁抗震设计标准、分析方法、设计加速度反应谱及设计方法等方面进行对比、分析，阐明各规范的设计原理及适用性。分析结果表明，《地铁设计规范》和《城市桥梁抗震设计规范》的设计方法较为简明，便于操作；《城市轨道交通结构抗震设计规范》的设计概念更加明确，设计方法更加具体，对结构在地震作用下的工作状态把握也更加精准。

轨道交通；桥梁； 延性抗震设计； 规范 ；比较

桥梁抗震设计规范是桥梁抗震设计的依据，对桥梁的抗震安全至关重要。目前，我国可应用于指导轨道交通桥梁抗震设计的规范有《地铁设计规范》(GB 50157—2013)、《城市桥梁抗震设计规范》(CJJ 166—2011)和《城市轨道交通结构抗震设计规范》(GB 50909—2014)3本。采用《铁路工程抗震设计规范》和《城市桥梁抗震设计规范》设计的轨道交通高架桥梁已有多条线路建成并投入使用，《城市轨道交通结构抗震设计规范》由于出版时间较短，还未有其成功应用的案例，相信在后续的轨道交通线路中也会有应用。

《铁路工程抗震设计规范》后文中简称《铁规》，《城市桥梁抗震设计规范》后文中简称《城规》，《城市轨道交通结构抗震设计规范》后文中简称《城轨规范》。本文关于3本规范分别从桥梁抗震设计的标准、设计加速度反应谱、地震动分析方法以及对常规桥梁的延性抗震设计方法等方面进行比较研究，阐明各规范的设计原理及适用性，以期对此类桥梁的设计工作提供参考。

1 桥梁抗震设计标准比较(表1)

《铁规》根据桥梁在地震作用时的整体反应提出3种抗震性能要求，并将其与设计对象和设计阶段相对应，其中第一阶段设计是关于墩柱及下部结构物基于强度的弹性设计，第二阶段设计是针对弹性设计的桥跨结构其支座以及连接构件(如伸缩缝、抗震挡块、限位装置等)的设计，第三阶段设计是关于钢筋混凝土桥墩在强震下发生塑性反应的延性设计，所谓的性能要求只是一种说法，并未完全体现在结构设计中。

表1 抗震设计标准比较

《城规》将轨道交通桥梁列为丙类桥梁，对应小震和大震采用两水平设防、两阶段设计，第一阶段采用基于强度的弹性设计方法，第二阶段采用基于变形的延性抗震设计方法，并对基础结构引入能力保护设计原则。

《城轨规范》在原有延性抗震设计理论的基础上提出了性能抗震设计理论，并据此提出性能抗震的设计方法，根据桥梁类型和设防等级的不同提出不同的性能要求，对墩柱和下部基础采用三阶段设防、三阶段设计，各设计阶段基于构件性能进行弹性或者弹塑性反应谱分析。引入容许塑性率的概念，对进入弹塑性工作阶段的构件根据其破坏状态判定其是否满足各设计阶段的性能要求。相比较前两本规范，本规范将结构抗震设计与使用性能结合，对结构在地震作用下的工作状态的把握更加精准。

2 桥梁延性抗震分析方法(表2)

表2 桥梁延性抗震分析方法比较

静力非线性分析法、反应谱法和动力时程分析法是目前结构弹塑性地震反应分析的主流方法，在3本规范中均有不同程度的应用。

反应谱法将复杂的结构地震响应动力问题转化为特定振型下的结构静力问题，计算简单易行，是目前桥梁抗震设计领域应用最广泛的分析方法。对于轨道交通工程，高架区间结构多采用结构形式简单的小跨径预应力混凝土简支梁作为标准梁，墩柱高度为8～15 m，结构大部分惯性质量来自于上部结构荷载和列车活荷载，以第1阶振型对结构的地震反应起控制作用，通过第1阶振型的计算可满足桥梁结构抗震设计的要求。此外，在一般设计条件下，当高架区间结构因地震作用进入弹塑性工作阶段时，塑性铰一般发生于墩底(单柱墩或排架墩的顺桥向振动)或者墩顶(排架墩横桥向)，易于识别和预先设计。对于这种类型桥梁结构3本规范均将其列入规则桥梁或简单结构，推荐采用反应谱法结合静力非线性分析进行弹塑性地震分析。

《铁规》和《城规》对规则桥梁推荐采用弹性反应谱进行分析，根据静力非线性分析结果修正塑性铰区域结构刚度，并结合经验公式引入弹性反应谱分析的弹塑性修正系数进行桥梁延性抗震设计。

《城轨规范》对于简单结构推荐采用弹塑性反应谱法进行桥梁延性抗震设计，该方法通过强度折减系数对原设计弹性反应谱进行折减，得到特定延性系数下的弹塑性反应谱，结合静力非线性分析，通过结构等效周期和屈服地震加速度确定结构的延性系数，从而对桥梁进行延性抗震设计。

动力时程分析法可以考虑地基和结构的相互作用、结构的各种复杂非线性因素(包括几何、材料、边界连接条件非线性)以及分块阻尼等问题，实现结构地震动的全过程仿真分析，使设计人员更清楚地把握结构地震动破坏机理，提高结构抗震设计的精准度。由于其计算过程冗繁，3本规范均将其列为非规则结构的抗震分析方法。

3 设计加速度反应谱

反应谱分析法是3本规范在规则桥梁或简单结构进行抗震设计时推荐采用的分析方法，通过对规范中定义的设计加速度反应谱的比较可以看出各规范对结构在相应地震等级作用下的安全度的要求。

设计加速度反应谱的形成与基本地面加速度、场地特征周期、结构阻尼及结构重要性程度等参数有关，下面对各规范中地震动设计反应谱参数进行比较。

以北京地区地铁线路30 m跨径标准梁桥为例，地震基本烈度为8度，地震动峰值加速度0.2g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，Tg=0.35 s，比较适用不同规范得到地震动设计参数如表3所示。

表3 水平加速度反应谱参数比较

注：Ci为重要性系数或调整系数；A为水平地震动峰值加速度；βm为动力放大系数；Smax为设计地震动加速度反应谱峰值

各规范在水平地震动加速度反应谱计算参数选取中有些许不同，最终形成反应谱线形基本一致，计算加速度反应谱峰值的水平段均在0.1 s～Tg之间，各条频谱平台宽度一致，随后进入下降段，在1.6 s之后逐渐趋于平稳。就图1所示，3条水平地震动加速度反应谱而言，3条曲线中《城轨规范》中定义加速度反应谱峰值最大，为1.0 m/s，主要是由于其动力放大系数的取值为2.5，大于其他2本规范中2.25的取值；《城规》和《铁规》中定义加速度峰值基本接近，约为0.9 m/s，设防水平相当。

图1 水平地震动加速度反应谱

4 桥梁延性抗震设计

轨道交通桥梁多以简支梁作为标准梁设计，属于3本规范中的规则桥梁或简单桥梁的范畴，可按延性结构进行抗震设计。分析以往简支梁桥的震害，主要产生于下部结构，上部结构的破坏多是由于下部结构产生过大位移而造成的，因此，桥梁抗震设计的重点在墩柱、支座及下部结构设计上。表4给出3本规范在规则桥梁或简单桥梁延性抗震设计时的主要设计过程。

表4 桥梁延性抗震设计过程比较

概括起来说，各规范在桥梁抗震设计的思路就是小震弹性设计，对各构件进行强度验算；大震延性设计，通过延性指标评价结构的工作状态是否满足设计要求。在验算指标的选取上各规范各有不同，如《铁规》以位移延性比作为构件延性性能的评价指标，《城规》选取进入弹塑性工作阶段的墩柱的墩顶位移或者塑性铰区域塑性转角作为延性设计评价指标，《城轨规范》根据构件塑性铰区转角判定其工作性能。

在设计塑性铰潜在发生区域时，《铁规》和《城规》均将塑性铰潜在发生区域定在通过塑性变形能够确保能量吸收且易于检测和修复的墩柱上，以保障桥梁在震后方便修复，迅速恢复通行能力。《城轨规范》除了规定塑性铰出现在墩柱顶部或底部外，对于延性较差的板式墩等情形，允许在保证基础稳定性的前提下，将塑性铰变形区域设置在桩基顶部，允许桩顶产生有限的塑性变形，以消耗地震能量，减轻地震对整体结构的损伤，与前述两本规范相比，该规范更为灵活、全面。墩柱塑性镀区域分布如图2所示。

图2 墩柱塑性铰区域分布

关于延性墩柱的下部结构设计方面，《地铁设计规范》中虽然对延性设计的结构，其盖梁、结点和基础提出按能力保护构件设计的要求，但其要求执行的《铁规》中没有能力保护构件设计的相关内容，《地铁设计规范》也未说明该部分内容参照哪本规范执行，但为确保塑性铰在强震作用下发生于墩柱上，基础设计强度应高于墩柱设计强度。《城规》规定对于延性墩柱的下部结构应按基于墩柱材料强度标准值的能力保护构件设计。《城轨规范》基于性能设计，对于地下结构要求其设计性能比墩柱低一级，即当墩柱处于性能要求Ⅱ级(局部弹塑性阶段)时，基础应按性能要求Ⅰ级(弹性阶段)设计；当墩柱处于性能要求Ⅲ级(弹塑性阶段)时，基础按性能要求Ⅱ级(局部弹塑性阶段)设计，即允许构件局部进入弹塑性工作阶段，但需控制塑性变形。3本规范有关桥梁延性评价指标的比较见表5。

表5 桥梁延性性能评价指标比较

5 实例分析

以北京某轨道交通线路30 m标准小箱梁桥为例，墩柱为矩形实心截面，墩高10 m，墩底截面横桥向宽2.3 m，顺桥向宽1.8 m，采用C40混凝土现浇，墩柱截面钢筋布置如图3所示。墩柱下接5.5 m×5.5 m×2.15 m钢筋混凝土承台，承台下设4根φ1.2 m钻孔灌注桩，桩间距3.3 m。承台采用C40混凝土，桩基采用C35混凝土，均按普通钢筋混凝土构件设计。

图3 墩柱潜在塑性铰区域截面钢筋布置(单位：mm)

桥址处场地抗震设防烈度为8度，设计地震动加速度为0.2g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。其计算结果比较见表6。

《铁规》和《城规》采用弹性反应谱方法分析，计算模型是考虑塑性铰截面开裂后的有效刚度修正的线弹性计算模型，塑性性能通过经验修正系数体现。《城轨规范》采用弹塑性反应谱方法分析，该方法以单质点弹塑性体系为出发点，绘制等延性强度谱，结合结构等效周期和屈服加速度计算延性系数。根据上述计算结果，《城规》计算得到墩柱延性系数为1.83，《 城轨规范》计算得到延性系数为1.62，2种方法计算结果基本接近，《铁规》设计墩柱延性系数，即非线性位移延性比为2.15，计算结果偏大。

表6 计算结果比较

注：采用《城规》算法得到墩柱的非线性位移延性比为μ=Δmax/Δy=1.83。

6 结论及建议

(1)3本规范中的抗震设计标准均是：“小震”时，结构处于弹性工作阶段，构件需具有一定的强度保证；“大震”时，结构可处于弹塑性工作阶段，构件通过一定的变形能力耗散地震能量，但需控制变形，使结构不致发生倒塌。

(2)3本规范中规定的设计加速度反应谱平台段均处于0.1 s～Tg之间，《城轨规范》中定义加速度反应谱峰值最大，其对结构安全度要求更高。

(3)静力非线性分析法、反应谱法、动力时程分析法是目前桥梁弹塑性抗震分析的主流方法，这3种方法在3本规范中均有不同程度的应用。对于简单规则桥梁，《铁规》和《城规》均推荐采用弹性反应谱法结合静力非线性法的分析方法，《城轨规范》推荐采用弹塑性反应谱法结合静力非线性法的分析方法，对于复杂或大跨度桥梁，3本规范均推荐采用计算结果更加精准的非线性动力时程分析方法。

(4)在设计流程方面，《铁规》和《城规》中关于桥梁延性抗震设计的思路及流程基本一致，都是基于非线性静力分析计算塑性铰区域有效刚度，再结合弹性反应谱法进行强震下的抗震能力验算，再计入经验弹塑性修正系数，确定结构的延性工作能力，设计流程简单，便于操作。《铁规》最终以位移延性比作为结构延性设计性能的评价指标，《城规》以墩顶位移或塑性铰区域转动能力作为延性评价指标，操作起来更加灵活。

《城轨规范》基于性能对结构进行抗震设计，将进入弹塑性工作阶段的构件依据其弹塑性变形能力的不同划分为不同的性能状态，将“量化标准”的形式应用于基于性能的桥梁抗震设计思想中，虽然设计过程较为复杂，但是设计概念更加明确，设计方法更加具体，对结构在地震作用下的工作状态把握也更加精准。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50157—2013地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50111—2006铁路工程抗震设计规范[S].北京：中国计划出版社，2009.

[3] 中华人民共和国交通运输部.JTG/T B02—01—2008公路桥梁抗震设计细则[S].北京：人民交通出版社，2008.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部.CJ J 166—2011城市桥梁抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50909—2014城市轨道交通结构抗震设计规范[S].北京：中国计划出版社，2014.

[6] 范立础.桥梁抗震[M].上海：同济大学出版社，1996.

[7] 范立础，卓卫东.桥梁延性抗震设计[M].北京：人民交通出版社，2001.

[8] 谢旭.桥梁结构地震响应分析与抗震设计[M].北京：人民交通出版社，2005.

[9] M.J.N.普瑞斯特雷，等著，桥梁抗震设计与加固[M].袁万成，等译.北京：人民交通出版社，1997.

[10]刘健新，葛胜锦.日本公路桥梁抗震设计规范释义[M].北京：人民交通出版社，2014.

[11]韩鹏，王君杰，何剑，等.高架桥梁抗震设计的弹塑性反应谱法[J].哈尔滨工程大学学报，2013，34(4)：461-470.

[12]张永亮，徐家林，孙建飞.京沪高速铁路沧德特大桥地震反应分析[J].世界桥梁，2013，41(6)：43-47.

[13]卢皓.罕遇地震作用下高速铁路简支梁桥抗震性能分析[J].铁道标准设计，2015，59(8)：102-107.

[14]张茂会，孙福维，陈丽军.武汉轻轨桥梁地震性能分析[J].城市道桥与防洪，2014(4)：104-105.

[15]向上.日本铁路桥梁抗震设计中延性率的评价方法[J].都市快轨交通，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

徐艳玲(1982—)，女，高级工程师，2008年毕业于长安大学桥梁与隧道工程专业，工学硕士，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