高烈度区现代有轨电车桥梁延性抗震设计

阮 良 奉

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

1 概述

现代有轨电车以其独特的优势在我国各大城市得到迅速地发展[1]。其中在高地震烈度地区修建有轨电车，桥梁抗震设计是重要环节。延性抗震作为桥梁抗震设计的主要方法，与减隔震设计不同，主要通过选定合适的弹塑性变形、耗能部位，以延长结构周期达到减少地震反应的目的[2]。

一般情况下，对于高墩墩柱刚度较小，桥墩顶、底易形成塑性铰，可采用延性抗震设计。其余部分包括上部结构、支座、盖梁、桥墩抗剪以及桥梁基础等则作为能力保护构件，要求不受损伤保持在弹性范围内。有轨电车作为轮轨系统采用无缝线路，桥上铺设无砟轨道需要保证轨道的平顺性和行车舒适性，要求桥墩满足最小纵向刚度要求[3]。桥墩刚度增大，给延性抗震设计带来困难，其一桥墩易发生脆性剪切破坏，很难形成塑铰[4]；其二塑性铰区域截面的超强弯矩增大，桥梁基础设计困难。

现代有轨电车属于新型轨道交通，目前还没有明确的抗震设计标准。本文结合GB 50111—2006铁路工程抗震设计规范(2009年版)(简称《铁抗规》)和CJJ 166—2011城市桥梁抗震设计规范(简称《城桥抗规》)[5]就高烈度区有轨电车桥梁结构进行延性抗震设计分析，为今后类似工程建设提供参考。

2 工程实例

某双线有轨电车高架桥位于地震基本烈度8度，动峰值加速度0.30g的高烈度地区。桥梁全长682.7 m，孔跨布置为17-40 m简支箱梁，箱梁采用单箱单室截面，梁高2.2 m、箱梁顶面宽8.8 m、底宽4 m，跨中截面布置如图1所示。箱梁采用C50混凝土，梁重630 t，桥面二期恒载70 kN/m，采用支架现浇法施工。箱梁两端分别设置两固定、两纵向活动盆式橡胶支座，同时在梁底设置纵、横向防落梁挡块。

桥墩采用独柱圆端形T墩，墩高H=6 m～12.5 m。墩顶为矩形钢筋混凝土盖梁，墩柱顺桥向×横桥向尺寸为2.4 m×2.8 m。主筋配置直径22 mm的HRB400钢筋，间距10 cm，全截面配筋率为5.6‰，箍筋配置直径14 mm的HRB400钢筋，墩底加密区箍筋间距10 cm，体积配箍率5.3‰。桩基础采用4根φ1.25 m桩径钻孔灌注柱，按行列式布置桩间距3.2 m。桥墩、桩基础分别采用C40，C35混凝土，桥墩构造图如图2所示。

3 计算分析

桥墩墩高6 m～12.5 m，桥墩地震反应以一阶振型为主，罕遇地震作用下桥墩底形成塑性铰，可以采用反应谱法按照《城桥抗规》规定的各种简化计算公式进行延性抗震设计[6]。对于桥墩延性抗震设计，在满足静力及多遇地震作用的强度与刚度要求下，桥墩截面尺寸及配筋越小对抗震设计越有利。

因此首先根据TB 10092—2017铁路桥涵设计规范(简称《铁桥规》)分别按照主力、主+附和主+地(多遇地震)[7]工况对墩身强度、刚度以及桩基强度、承载力等进行验算，确定墩身最小截面尺寸和配筋率[8]。然后根据《城桥抗规》在罕遇地震作用下，按等效刚度Ieff调整墩底塑性铰截面抗弯刚度，通过反应谱确定罕遇地震作用下墩底弯矩。若墩底弯矩大于屈服弯矩，墩身进入塑性，桥墩按延性设计。同时计算得出墩底截面的屈服曲率φy和极限曲率φu、塑性铰长度Lp、容许转角θu、墩顶容许位移Δu以及塑性铰区域的超强弯矩Myo。最后按超强弯矩对桩基、支座、桥墩抗剪作为能力保护构件进行验算，并对桥墩变形进行验算[9]。

3.1 模型建立

以墩高H=12.5 m为例，利用Midas Civil有限元软件建立单墩计算模型，盖梁、桥墩和承台按梁单元模拟，桩基础根据基础刚度按一般弹性支承模拟，梁部按集中质量模拟，梁体地震作用顺桥向位于支座中心，横桥向位于梁高的1/2处[10]，如图3所示。有轨电车采用五模块、三转向架车型，列车纵向荷载如图4所示，地震作用根据《铁抗规》7.2.3规定的反应谱进行计算，桥址Ⅱ类场地，反应谱特征周期为0.40 s。

利用Midas Civil软件，根据墩底恒载轴力、截面尺寸及配筋情况，通过弯矩曲率分析,可以得到墩底截面顺、横桥向M—Φ弯矩曲率曲线以及等效刚度Ieff，如表1所示。其中混凝土本构关系采用Kent-Park模型，钢筋本构关系采用双折线模型。

表1 墩底塑性铰截面延性设计参数表

3.2 验算结果

1)桥墩刚度。

桥墩墩高H=12.5 m，桥墩墩顶K纵=333.3 kN/cm,K横=357.1 kN/cm，满足规范纵向最小刚度320 kN/cm的要求[12]。

2)静力及多遇地震作用强度验算。

根据桥墩受力，墩底所产生的弯矩最大为控制截面。按《铁桥规》对桥墩底主力、主+附和主+地工况进行压弯强度验算，结果如表2所示。桩基础作为能力保护构件，静力及多遇地震作用下不控制桩基的配筋，故仅对桩基竖向承载力进行验算即可。

表2 静力及多遇地震作用下桥墩强度检算表

计算结果表明，静力及多遇地震作用下桥墩墩底截面尺寸及配筋满足规范要求。

4 罕遇地震作用下桩基强度验算

根据墩底轴力N以及截面配筋，按照材料强度标准值可以得到墩底截面抗弯承载力Mu。按照《城桥规》6.6条规定，可以得到塑性铰区域截面超强弯矩Myo，以及其所对应的剪力值，如表3所示。

根据表3内力对承台底桩基础进行强度验算。计算结果表明，桩基主筋需要配置直径28 mm的HRB400钢筋，双根一束布置间距15 cm，桩基全截面配筋率22‰，满足强度要求。

表3 桥墩墩底塑性铰截面超强弯矩内力表

5 桥墩抗剪和支座验算

根据《城轨桥规》7.4.2条规定，需要对墩柱塑性铰区域的斜截面抗剪强度进行验算，保证墩柱作为能力保护构件不发生剪切破坏。按照7.4.2条公式按圆形截面进行桥墩抗剪承载力验算，具体结果如表4所示。

表4 桥墩墩底塑性铰区域水平抗剪强度验算表

计算结果表明，在罕遇地震作用下桥墩底塑性铰区域满足截面抗剪强度要求，在地震作用下不会发生剪切脆性破坏。盆式橡胶支座水平抗剪承载力为2 700 kN，亦满足水平承载力要求。

6 变形验算

桥墩作为延性构件，根据《城桥抗规》第7.3节规定，在罕遇地震作用阶段需要验算桥墩的位移能力，利用桥墩底截面的屈服曲率φy和极限曲率φu，根据相关公式，可以计算得出桥墩顺桥向、横桥向容许位移，具体结果如表5所示。

表5 桥墩墩顶位移与容许位移结果表

计算结果表明，桥墩在罕遇地震作用下桥墩不倒塌，产生的变形满足规范要求。

7 结语

1)根据有轨电车功能需求，合理优化梁部结构尺寸及桥面附属设施，减轻梁体自重和二恒，达到减少地震作用的目的。

2)优化有轨电车轨道结构减少扣件阻力，降低桥墩纵向刚度要求。当桥墩刚度不足时，尽量通过调整桩间距的方式增加桥墩刚度，减少桥墩截面尺寸便于延性抗震设计。

3)按照《铁桥规》和《铁抗规》对桥墩主力、主+附和主+地(多遇地震)工况进行墩身强度、桩基承载力验算，确定桥墩截面尺寸和所需钢筋配置。然后按《城桥规》对桩基、桥墩抗剪、支座作为能力保护构件，桥墩按延性构件进行设计验算。

4)高烈度区采用延性抗震设计，在罕遇地震作用下桥墩承受水平力较大，尤其是矮桥墩。建议增强梁底各向防震挡块，并参与受力。设计发现当墩高小于5 m，桩基的钢筋配置量非常大,超出规范最大配筋率要求，宜采用减隔震设计。