孟加拉国铁路桥梁抗震设计研究

李秀华 曹海静 王玉珏

（1.中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031；2.中铁西南科学研究院有限公司，成都610031）

孟加拉国基础设施建设非常落后，已经严重影响了该国经济和社会发展。在中国共建“一带一路”的倡议下，中孟两国在公路、铁路、水利、电力等多方面开展了深入合作，根据2011—2030年规划，孟加拉国将修建4 500 km铁路［1］。孟加拉国的地质条件和自然环境复杂，且缺乏铁路设计规范。因此，本文以孟加拉帕德玛大桥铁路连接线项目为依托，通过合理选用规范体系，开展铁路桥梁抗震设计研究。

1 孟加拉国地质构造基本特征

孟加拉国位于南亚次大陆的东北部，是世界上最大的三角洲，全境约75%的国土面积是由恒河、布拉马普特拉河、梅格纳河以及许多支流的冲积层、洪积层组成的平原地区，仅东南部为丘陵和山地。孟加拉国位于世界最活动的大地构造区之一，受印度板块和西藏、缅甸次板块的互相碰撞推冲，导致北部和东部地震活动频繁。全国河流纵横交织，沼泽多，河水流量充沛，主要灾害为洪灾，洪水期持续3～4个月［2-3］。

三角洲沉积环境独特，广泛分布着超深厚的冲积成因地层，主要为淤泥、黏土、粉细砂、细砂等软弱土层。在深厚覆盖层地区尤其是软土地区开展工程建设，不可避免地会遇到软土的低强度、高压缩性、低承载力、触变性、蠕变性、软土震陷等地质问题。帕德玛河两岸均为深厚的第四系河流冲积物（Q4al），以粉质砂土层为主；在深度130 m未能揭示到基岩［4-5］。

孟加拉帕德玛大桥铁路连接线为连接孟加拉国东西部铁路的主要通道，是孟中印缅通道的一部分，该线路为单线客货共线铁路［6］。线路始于既有达卡中心车站，经过马瓦、跨帕德玛大桥抵达邦嘎枢纽，与福里德布尔—邦嘎铁路相连，再经卡西亚尼枢纽与马杜克哈里—卡西亚尼铁路相连，最终到达杰索尔与西南部铁路干线网相连，新建铁路全长168.8 km［7］。孟加拉帕德玛大桥铁路连接线区域的主要不良地质为砂土液化，特殊岩土为人工填土、软土及软黏土。

2 孟加拉国抗震规范研究

2.1 地震区划

孟加拉国规范沿用了美国抗震的理念，与印度规范类似，以50年超越概率2%的最大考虑地震（Maximum Considered Earthquake，MCE）作为编图基准，将MCE乘以2/3得到设计基准地震（Design Basis Earthquake，DBE）。为保证全国具有统一的抗倒塌水准，依据MCE把全国分成4个区（图1）。地震作用计算时以DBE为基础，并考虑场地类别、重要性系数、结构延性等因素加以修正［8］。区域系数Z见表1。帕德玛大桥铁路连接线主要穿越范围为Z=0.20和Z=0.12的2个区域。

2.2 场地类别与设计地震反应谱

孟加拉国规范以场地土平均剪切波速、平均标准贯入击数和不排水抗剪强度来综合确定场地类别，分为SA，SB，SC，SD，SE，S1和S27类场地，见表2。帕德玛大桥铁路连接线场地类型主要为SD类。

图1 孟加拉国地震动参数区划图

表1 孟加拉国地震分区及区域系数

表2 孟加拉国场地类别划分

孟加拉国规范的设计反应谱形状与中国规范接近，只是参数有所区别。决定反应谱取值的因素主要包括区域地震动水平、结构重要性、结构类型、阻尼比以及场地类别。

孟加拉国设计加速度反应谱函数Sa表达式为

式中：I为结构重要性系数；R为结构响应折减系数，与结构延性有关；Cs为标准加速度反应谱，计算式为

式中：S为场地系数；TB，TC，TD均为由场地土决定的常数（表3）；T为结构自振周期，s；η为阻尼修正系数，当阻尼比ξ为5%时η=1，阻尼比为其他值时，η=。

表3 场地类别对应参数

孟加拉国规范不同场地类别下设计加速度反应谱见图2。可知，随着场地土的密实度、坚硬程度的下降，Cs呈上升趋势（SC类除外），其中SE类场地土Cs峰值最高，SD类场地土Cs峰值平台段最长。所有场地类别峰值平台段周期均介于0.15～0.80 s。

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图2 孟加拉国规范不同场地类别下设计加速度反应谱

关于I和R，孟加拉国规范中只有建筑结构的取值，而桥梁结构无相关规定。因此，建议参考与孟加拉国规范相近的印度桥梁规范进行取值［9］，结构重要性系数I见表4，结构响应折减系数R见表5。由于孟加拉国规范要求I/R≤1，可参考表中取值，但应限制I/R≤1。

表4 结构重要性系数

表5 结构响应折减系数R

2.3 地震力组合

孟加拉国规范依据重要性程度、区域系数和场地类别将结构分为B，C，D 3类。对于B类结构，允许以2个正交方向单独作用地震力，并且可忽略其正交组合作用的影响。对于C，D类结构，应在对于B类结构要求的基础上，同时考虑一个主要方向100%地震力与其正交方向30%的地震力作用进行组合，并考虑其最不利情况组合。对于铁路桥梁，可认为是生命线工程，因此建议按照C，D类结构相同标准要求设计。

3 孟加拉铁路桥梁抗震设计

对于风荷载、地震荷载等与结构所在地区的自然条件息息相关的荷载只能采用当地规范，但孟加拉国建筑规范仅适用于建筑结构，对于铁路桥梁缺乏相应的结构响应系数、结构验算等规定，孟加拉国没有铁路和桥梁的相关设计规范，无法完成铁路桥梁抗震设计和验算，因此只能用世界范围内成熟的桥梁抗震规范进行设计。考虑到中国设计人员更熟悉中国规范，因此以孟加拉国建筑抗震规范划定的地区地震动水平和场地类别作为输入条件，参考相近体系印度规范的参数取值和中国成熟的桥梁抗震规范体系（JTGT B02-01—2008《公路桥梁抗震设计细则》、GB 50111—2006《铁路工程抗震设计规范》、CJJ 166—2011《城市桥梁抗震设计规范》等）进行设计和验算，以保证桥梁工程的安全性和经济性。

3.1 设计加速度时程

正确选择地震加速度时程曲线，要满足地震动三要素的要求，即频谱特性、有效峰值和持续时间。地震动幅值包括加速度、速度和位移的峰值、最大值或某种意义上的有效值。因为地面峰值加速度（Ground Peak Acceleration，GPA）并非描述地震动的最理想参数，由高频成分所组成的个别尖锐峰值对结构的影响并不明显［10］，因此采用有效峰值加速度（Effective Peak Acceleration，EPA）。有效峰值加速度的定义是阻尼比为5%的加速度反应谱高频段的平均值除以放大系数β。美国抗震设计样板规范ATC3-06定义5%阻尼比的加速度反应谱高频段（0.1～0.5 s）的平均值除以2.5为EPA；中国建筑抗震设计规范定义EPA为阻尼比为5%的加速度反应谱相应平台段的加速度反应谱平均值除以放大系数（约2.25）［11］。根据孟加拉国反应谱函数特点，取阻尼比为5%的加速度反应谱相应平台段的加速度反应谱平均值除以放大系数2.5。因此，EPA取决于结构重要性系数I、桥址处的区域系数Z、结构响应折减系数R、场地系数S和结构阻尼比ξ，在确定场地后可以通过查阅区划图和相关取值表后计算得到EPA，按式（3）计算。

对于频谱特性和持续时间，可按照孟加拉国设计地震反应谱，通过反应谱与功率谱的近似关系式，求出相应的功率谱再合成人工地震波［12］，人工地震波应保证有效持时并考虑场地类别的影响。帕德玛大桥铁路连接线拟合的地震波曲线（图3）可直接导入有限元分析软件进行抗震设计，解决了国内有限元软件不包含孟加拉国反应谱的问题。

图3 帕德玛大桥铁路连接线某桥设计地震波

3.2 抗震计算和验算

帕德玛大桥铁路连接线项目桥梁类型包括钢板梁、钢桁梁和混凝土箱梁的简支梁桥，对应的桥墩类型有双柱墩、圆端形墩和矩形墩，特殊情况下还有门式墩。考虑桥墩类型、经济性等因素，采用能力保护设计思想进行抗震设计。

4 结论

1）孟加拉国三角洲地层具有天然含水量较大、空隙比大、高液限、含有机质、压缩性较高、承载力极低、渗透性差等特点，主要存在地基沉降变形量大、不均匀沉降等问题。地震活动较为强烈，地基土易发生液化和震陷。

2）对于风荷载、地震荷载等与结构所在地区的自然条件相关的荷载应采用当地规范，但孟加拉国建筑规范仅适用于建筑结构，难以保证设计的安全和合理性。因此，将孟加拉国的地震动烈度水平和场地类别作为输入条件，参考印度规范取值并采用中国抗震规范体系进行设计和验算，从而保证桥梁工程的安全性和经济性。

3）地面峰值加速度GPA并非描述地震动的最理想参数，因此采用有效峰值加速度EPA作为描述地震动水准指标。设计采用阻尼比为5%的加速度反应谱高频段的平均值除以放大系数2.5计算得出EPA，按照孟加拉国设计反应谱拟合地震波，以综合反映频谱特性和场地的影响。

4）我国GB 50111—2006《铁路工程抗震设计规范》采用经典的强度设计方法，未在不同性质的构件之间形成适当的强度安全等级级差。考虑到本项目设计的桥墩刚度相比国内偏小，结合桥墩类型和构造特点，采用能力保护设计思想指导抗震设计，保证桥梁结构的安全和经济性。