城市轨道交通桥梁抗震设计研究

摘 要 城市轨道交通运行速度快，安全要求高。在城市轨道交通桥梁工程设计中，抗震安全对于桥梁工程运行秩序会产生较大影响。对此，本文首先对城市轨道交通桥梁抗震设计原则进行介绍，然后以某轨道交通桥梁工程为研究对象，对桥梁抗震设计要点进行详细探究。

关键词 轨道交通桥梁;抗震;原则;设计

引言

在城市建设中，通过优化轨道交通规划设计，可构建完善的公共交通系统，进而促进城市可持续发展。在轨道交通桥梁设计中，应合理配置桥梁工程结构尺寸，加强配筋设计，提升桥梁工程抗震性能。因此，亟须对城市轨道交通桥梁抗震设计要点进行深入研究。

1城市轨道交通桥梁抗震设计原则

（1）选择适当的场地。在选择桥梁工程建设位置时，应选择抗震力比较强、坚硬程度比较高的区域。另外，还应排除可能会影响周边地区安全的施工位置。

（2）注意结构对称。对称性桥梁工程结构刚度比较高，地震防控效果更好。比如，如果桥梁桥墩高墩差距比较大，则当受到水平震力影响时，桥孔跨度较大的桥墩也会受到较大地震力的影响。

（3）提升桥梁整体性。通过提升桥梁工程整体性，可充分发挥桥梁工程抗震作用。对此，应保证桥梁工程上部结构的连续性，在各个连接点位置设置减震措施，提升桥梁整体结构稳定性。

（4）设置多道抗震防线。在桥梁工程抗震设计中，通过设置多道防线，可使得桥梁工程可从多方面抵抗地震侧向力，如果发生地震灾害，多道防线均可发挥安全防护作用，避免桥梁工程坍塌[1]。

2工程概况

某城市轨道交通桥梁的长度为23.4km，其中，高架线为11.8m，而地下线则为11.6km，箱梁标准断面如图1所示。该桥梁工程建设区域处于冲洪积平原，通过对施工区域进行地质勘察，在地面-8～15m范围中，地质结构组成包括饱和粉以及沙土层，另外，15m以下主要为卵石。通过对施工区域进行地震安评分析，该城市轨道桥梁工程场地为III类。

3城市轨道交通桥梁抗震设计

3.1 抗震概念设计

在城市轨道交通桥梁工程线路设计中，为了缩小桥梁占地面积，可采用简支小箱梁接独柱式桥墩结构形式。为了提升桥梁工程墩柱线刚度要求，对于墩柱截面，可采用矩形实心截面设计形式。

如果墩柱高度比较小，而结构刚度大，则应提高桥梁结构强度，提升桥梁抗震性能，当发生地震灾害时，结构柔性变形可有效抵抗地震作用，这就要求在保证结构正常使用状态的基础上，允许其在地震作用下发生屈服，产生变形量，同时不发生破坏，上述设计方式即为桥梁工程延性墩柱设计。

在该桥梁工程抗震设计中，10%的墩柱高度在10m以内，墩柱截面采用实心矩形截面，综合考虑地震荷载作用，采用弹性构件设计方式。另外，90%的墩柱高度在10m以上，在考虑地震荷载作用时，采用延性构件设计方式，不仅能够减少墩柱钢筋用量，同时还可减少施工成本。

3.2 抗震设计计算及其分析

在桥梁抗震设计中，创建四种工况模型：无钢轨、有钢轨无外延、钢轨外延60m、钢轨外延200m，并采用弹塑性地震反应谱分析方式，对轨道约束对桥梁地震影响效应进行计算分析[2]。

在地震作用下，计入钢轨影响但不延长所得结果与不计钢轨影响所得结果相同，另外，钢轨外延60m、钢轨外延200m两种工况下的计算结果类似，但是，计入轨道延长模型结果与不计轨道延长模型计算结果的差异比较大。除此以外，在顺桥向地震作用下，在计入轨道延长后所得墩顶位移结果与不计轨道延长模型所得墩顶位移结果相比，结果小30%，同时墩底轴力、弯矩增大，在横桥向地震作用下，计入轨道延长后墩顶位移计算结果与不计轨道延长模型后墩顶位移计算结果相比，增大10%，同时墩底弯矩也增大，而墩底轴力基本相同。在本工程结构设计中，应注意在轨道交通桥梁结构抗震设计中，综合考虑计入轨道延长的影响，因此轨道延伸长60m。

3.3 钢轨影响效应分析

城市轨道交通桥梁工程长度比较大，钢轨-扣件系统具有约束作用，当发生地震时，相邻桥跨之间的地震反应相互影响。对于轨道，可将其延伸至车站或者地面，其能够对桥梁工程产生约束作用，进而改善高架桥的动力特性。

3.4 桩-土相互作用分析

在发生地震灾害时，桩-土可相互作用，对桥梁工程结构抗震性能产生较大影响，因此，桩-土相互作用是桥梁抗震设计的重点。现如今，在桥梁工程抗震设计中，一般采用法模拟桩土效应，假设土体处于弹性状态，主要被应用于土体位移在6mm以内的情况。在罕遇地震荷载时，桩周围土体会发生塑性变形，很难对其实际受力情况进行准确的模拟分析。对此，可应用P-y曲线法，在P-y曲线法的实际应用中，要求将土体沿深度应力以及位移作为指标，对地基土弹塑性性质进行分析，进而判断循环荷载、线性荷载、静载等因素对于土体侧向反力的影响。现如今，P-y曲线法已逐渐被推广应用于工程项目设计分析中。

綜合考虑该桥梁工程建设场地实际情况，对桥梁工程建设区域土体的m值以及P-y曲线进行计算分析，进而模拟桩-土的相互作用，判断其对于桥梁工程抗震性能的影响。在桥梁工程模型中，通过应用m法以及P-y法，可对桥梁工程桩-土效应进行模拟分析，另外，还需应用弹塑性反应谱法对罕遇地震作用时下结构的整体响应情况进行比较。P-y曲线与m法刚度曲线如图2所示。

对于桩-土效应，在应用P-y曲线法进行模拟分析时，在计入土体发生塑性变形后，刚度下降，可对墩底进行计算，地面位置变形量比较大，这样就会对墩顶位移计算结果产生较大影响，墩顶位移比较大。另外，采用m法对墩顶位移进行计算，而计算结果为P-y曲线法计算所得结果的80%;在对墩柱顶以及底相对位移进行计算时，两种方法所得结果保持一致。在该桥梁工程抗震设计中，采用m法对桩-土效应进行模拟分析。墩顶位移可被应用于延性构件设计评价分析中，可充分体现出墩柱自身受力性能，在对墩顶位移进行评价分析时，可将墩柱顶以及底相对位移作为重要指标。

3.5 墩柱截面合理配筋

在对城市轨道交通桥梁工程结构进行抗震设计时，如果桥梁墩柱的墩高在10m以上，则可利用延性构件设计方式，对此，可创建多跨有轨空间桥梁结构模型，然后利用非线性时程分析法以及弹塑性反应谱法等，对罕遇地震作用下桥梁工程墩柱的弹塑性变形进行验算分析，进而确定墩柱非线性位移延性比。

如果该桥梁工程墩柱截面配筋率为1.3%，在地震力作用下，采用线性弯矩简化法，对非线性位移比进行计算，所得结果为4.5、4.8，而根据该城市轨道交通桥梁工程抗震设计规范，位移比应在4.8以内。在利用弹塑性反应谱法对非线性位移比进行计算后，所得结果为3.0、3.4，符合该桥梁工程设计规范，并且安全度比较高。另外，在应用非线性时程分析法后，非线性位移比计算结果为1.8、1.6，符合该桥梁工程设计规范。由此可见，在该桥梁工程抗震设计中，采用弹塑性反应谱分析法作为构件延性抗震设计依据，墩柱截面配筋率的计算结果为1.3%[3]。

4结束语

综上所述，本文主要结合实例，对城市轨道交通桥梁工程抗震设计要点进行了详细探究。在对桥梁工程进行抗震设计时，可对桥梁工程进行抗震概念设计，确定各个结构件抵抗地震作用的机理，对桩-土相互作用进行计算分析，并判断其对于延性墩柱受力情况的影响，对墩柱截面配筋增大情况进行分析，优化桥梁工程配筋设计，提升桥梁工程抗震性能。

参考文献

[1] 董喜明.市政桥梁设计中的防震设计研究[J].城市建筑，2017，（5）：256-256.

[2] 曹晓远.基于性能的桥梁抗震设计理念与措施[J].交通世界，2018，2（17）：122-123.

[3] 王斌斌.公路桥梁结构抗震设计分析[J].江西建材，2017，4（17）：148-148.

作者简介

王世纯（1981-），男，山东日照;学历：硕士研究生，高级工程师，现就职单位：重庆英杰建设工程设计有限责任公司，研究方向：主要从事市政结构工程设计工作。