市域铁路桥梁下部结构抗震研究

中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043

市域铁路指的是大都市市域范围内的客运轨道交通系统，服务于城市与郊区、中心城市与卫星城、重点城镇，其是站间距、速度目标等介于国家铁路和城市轨道交通两者之间的一种交通制式。市域铁路与地铁和城市轻轨相比，具有速度快、投资少、审批快等特点，还能实现与国家铁路干线的互联互通，增强城市对外辐射能力。2017年国家发展改革委发布了《关于促进市域（郊）铁路发展的指导意见》（发改基础〔2017〕1173号），市域铁路迎来快速发展期。

当前，市域铁路这一新型轨道交通形式的设计规范同国铁规范有明显不同，如国铁桥梁下部结构遵照《铁路工程抗震设计规范》（GB 50111—2006）开展抗震设计，只需在多遇地震下对桥墩、基础进行强度、偏心及稳定性进行验算，在罕遇地震下只需进行延性验算。对于市域铁路，《市域快速轨道交通设计规范》（T/CCES 2—2017）明确除了满足国标要求，桥墩抗震设计时，盖梁、结点和基础应作为能力保护构件，按能力保护原则设计。

当前市域铁路建设方兴未艾，广大铁路设计者对市域铁路桥梁抗震的设计方法仍不熟悉，因此探讨两种抗震设计方法对桥梁下部结构设计的影响十分必要。

1 工程实例概况

案例工程为长三角某市市域轨道高架段，沿线场地属河口、沙嘴、沙岛地貌类型。考虑到当地建筑限高，主梁采用建筑高度较低的分离式轨道交通30m简支U梁，下部结构采用T形桥墩，墩柱采用圆端形截面，在直线段设置凹槽，钻孔灌注桩基础，墩身高度在4～12m，如图1所示。该简支U梁每片梁自重2113kN，二期恒载按90kN/m活载，采用市域A型车设计，轴重170kN。墩身采用C45混凝土、承台采用C40混凝土、钻孔灌注桩采用C35混凝土、承台垫层采用C20混凝土，主筋采用HRB400钢筋，构造配筋以HPB300钢筋为主。

图1 桥梁下部结构构造示意图

此项目高架区间采用该线《工程场地地震安全性评价》提供的地震动参数开展抗震设计论证。此项目采用的地震动参数如表1所示，场地类别为Ⅳ类。

表1 场地地震参数

为使结果更加具有说服力，对全线高架区间范围最高（H=12m）和最矮（H=4m）的桥墩分别进行抗震对比分析，研究了市域铁路规范同国铁设计规范结构配筋的不同，桥梁下部结构尺寸参数如表2所示。

表2 桥梁下部结构尺寸参数表

2 国铁抗震规范设计

根据《铁路工程抗震设计规范》（GB 50111—2006）第7.1.2要求，抗震设计应按多遇地震进行桥墩、基础的强度、偏心及稳定性验算；按罕遇地震对钢筋混凝土桥墩进行延性验算或最大位移分析。

2.1 计算模型

多遇地震采用反应谱法计算，罕遇地震采用非线性时程分析法计算，地震波采用现场实测波，共7条波，计算结果取平均值。

计算采用大型有限元计算软件Midas Civil 2019进行模拟，有限元模型如图2所示，其中U梁、墩身、承台通过梁单元模拟，桩基础采用等效弹性支撑模拟。

图2 标准简支梁Midas计算模型

2.2 多遇地震响应

根据《铁路工程抗震设计规范》（GB 50111—2006）中7.1.4条规定，桥梁抗震计算时应分别计算顺桥向和横桥向的水平地震作用，同时考虑有车无车两种工况。高架区间位于7度区，因此只考虑横向地震和纵向地震作用对结构引起的效应，多遇地震下墩底位置内力值如表3所示。

表3 桥墩墩底地震内力响应

2.3 多遇地震墩身及桩基配筋设计

简支梁桥墩为偏心受压构件，在满足最小配筋率和强度要求的情况下，根据多遇地震计算结果，桥墩设计及检算结果如表4所示，墩高为4m的桥墩墩底截面配筋为0.53%，墩高12m的桥墩墩底截面配筋为1.16%。

表4 桥墩墩底配筋设计结果表

将多遇地震下的墩底内力外加至基顶，对桩基进行配筋设计，设计结果如表5所示，墩高4m的桥墩桩基配筋率为1.26%，墩高12m的桥墩桩基配筋率为0.8%。

表5 桩基配筋结果表

2.4 罕遇地震位移延性比验算

《铁路工程抗震设计规范（2009年版）》（GB 50111—2006）第7.3.3条规定，钢筋混凝土桥墩在罕遇地震作用下，宜采用非线性时程分析法进行弹塑性变形分析，延性验算应满足下式要求：

式中：μu为非线性位移延性比；[μu]为允许位移延性比，取值为4.8；为桥墩的非线性响应最大位移；为桥墩的屈服位移。

桥墩非线性位移延性比如表6所示，可知桥墩设计满足规范要求。

表6 桥墩非线性位移延性比

3 市域铁路桥梁抗震设计

根据市域铁路设计规范要求，桥梁下部结构除需满足国铁抗震设计规范的要求外，还需进行能力保护设计。因此，在市域铁路桥梁抗震设计中，需增加能力保护设计环节。桥梁基础是桥梁结构最主要的受力构件，地震作用下如发生损伤，不但很难检查，也很难修复。因此，作为能力保护构件设计，市域铁路桥梁墩身设计可与国铁规范设计保持一致，基础需重新设计。

3.1 求解超强内力

当基础作为能力保护构件时，应取与墩柱塑性铰区域截面超强弯矩对应的弯矩值和剪力值。

式中：My0为顺桥向和横桥向超强弯矩；Mu为按截面实配钢筋，采用材料强度标准值，在恒载轴力作用下计算出的截面顺桥向和横桥向塑性受弯承载力；为桥墩正截面受弯承载力超强系数，取1.2。

通过Midas弯矩-曲率计算工具，建立墩柱塑性铰处极限弯矩求解模型，获取塑性弯矩后，带入式（2）得到相应的截面超强内力，如表7所示。

表7 墩底超强内力值

3.2 能力保护设计

同样采用截面超强内力，对基础进行设计，设计结果如表8所示，墩高4m的桥墩基础桩基配筋率为2.87%，墩高12m的桥墩桩基配筋率为2.38%。

表8 能力保护下桩基配筋设计

4 对比分析

采用市域铁路规范进行抗震设计时，墩柱设计方法没有变化，如表9所示。因为采用能力保护原则，基础作为能力保护构件，所以在同等条件下配筋明显增大，墩高分别为4m和12m的桥墩基础桩基配筋率分别增大127.8%和197.5%。

表9 国铁规范和市域铁路规范桥梁下部结构设计对比

同时，由于墩身配筋增大将直接增大墩底产生塑性铰时的截面超强内力，使基础工程量增大，设计时应权衡墩柱、承台和桩基的工程量，宜适当减小墩柱尺寸，加大桩间距，合理配置下部结构尺寸。

5 结论

文章分别采用国铁抗震规范、市域铁路规范方法对某市域铁路下部结构进行了抗震设计。通过对比分析，得出以下结论。

（1）两种设计方法的区别在于，市域铁路规范增加了基础作为能力保护构件，而墩身的设计要求基本相同。

（2）基础作为能力保护构件，对其进行设计后，墩高为4m和12m的桥墩基础桩基配筋率分别增大127.8%和197.5%，配筋增大明显。

（3）能力保护设计方法要求墩身产生塑性铰时基础不发生破坏，因此设计应在规范允许的前提下，尽可能降低墩身截面尺寸和配筋，以降低对基础能力的要求，提高整体设计的经济性。