城市轨道交通结构抗震设计规范技术要点

2021-04-10

工程技术研究 2021年4期

中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600

现阶段，我国城市轨道交通建设领域的规模正在日益扩大，这在一定程度上对我国交通事业发展起到了促进作用。虽然我国的城市轨道交通工程已经具有较高的质量，但在发生地震灾害时，一些轨道的结构还是遭到了严重破坏，而城市轨道交通结构抗震设计不规范是造成这一现象的主要原因。因此，相关设计者应严格按照城市轨道交通结构抗震设计规范的技术要点进行设计，防止城市轨道交通结构遭到地震破坏。

1 编写规范的重要性

编写规范能够对城市轨道交通结构抗震设计起到约束作用，然而，就目前情况而言，在我国城市轨道交通结构抗震设计方面缺少专用规范。结合已完成的城市轨道交通结构抗震设计情况以及应用情况来看，在进行轨道高架结构设计工作时，通常会参考一些铁路桥梁与公路的抗震设计的理论与规范，并采用适当的方法来完成相关设计工作。相对而言，在开展地面或地下结构的设计工作时，参考的是一系列建筑结构设计理论与规范。相关设计人员需要结合实际的设计情况选择科学合理的铁路、公路的抗震规范，如果只是依据自身经验来选择相关规范，就可能会使所选规范与实际设计要求不符，使设计的抗震能力不在一个统一的水平线上。除此之外，与其他普通的工民建筑相比，铁路或公路桥梁隧道在结构上具有一定的特殊性，具体表现在轨道交通的结构形式、所承受的车辆荷载以及其他约束条件上。因此，需要依据实际工程情况以及安全要求编写针对性强、适用性强的抗震设计规范，从而保证所采用的设计理论和设计标准可以更好地匹配实际建设要求。

2 抗震设计规范的发展趋势

经过多年的应用，以性能设计为基础的设计理念已经获得了普遍认可，并得到了广泛应用。因此，相关的结构设计标准也正在由描述性向以性能设计为基础的规范方向转变。就目前的整体情况来看，那些已经在工程设计中得到广泛应用的设计规范普遍具有一个相同的特点，即将实践作为主要的技术路线，并归纳之前的一些成功或失败的经验，在以后的设计中可以将这些经验作为指导性文件，同时，依据相关经验与使用要求编制一些科学合理的条文，并将这些可以应对不同要求的条文以及文件称为描述性规范。另外，从实际使用情况中可以发现，这些描述性规范中存在一些问题，其未对这些设计条文所应达到的最终设计目标进行明确规定，从而导致在更改相关规范的过程中常常会涉及一些难以变动的强制性的规定。这会对相关设计者产生一定的制约作用，阻碍其充分发挥设计的主动性和创新性。与此同时，描述性规范中通常不包含一些非常规的结构设计，因此其适用范围相对较小。相对建设方而言，其在使用描述性规范时缺少足够的选择空间，以至于在进行一些关于抵抗自然灾害的结构设计时，描述性规范与其不相适应，这也会给设计者的设计工作带来一定的复杂性。

20世纪60年代开始出现以性能设计为基础的工程结构设计理念，该设计理念的提出者是一位工程师，而该设计理念被正式应用于抗震设计中是在1996年。20世纪90年代，出现了几次破坏性较强的地震现象，抗震设计理念的可行性以及实用性开始引起人们重视。在此基础上，越来越多的研究者开始对抗震设计理念进行更深层次的研究。随后，越来越多的国家开始重视以性能设计为基础的结构设计理念，关注其实际应用情况。日本和美国以及一些其他国家也都开始对此开展了专门研究，其研究方向也从描述性规范向基于性能设计的规范推进。在我国，抗震设计规范也有着漫长的发展历程。2004年我国推出了《建筑工程抗震性态设计通则》，这一规范在推动我国基于性能工程结构抗震设计规范发展方面发挥了重要作用。除此之外，基础性能抗震设计相关规范已经在日本的一些铁道抗震设计中得到了广泛应用，并获得了较好的应用效果。与此同时，美国也先后出版了一些不同版本的设计指南及相关技术标准文件，其大多以基于性能抗震设计规范为主。由此可见，基于性能的工程结构设计规范在很多国家都已经获得了明显的应用效果。我国也应对城市轨道交通结构抗震设计规范编写工作给予足够重视，同时结合当下时代发展趋势以及我国轨道交通的实际建设情况，对其进行完善与改进，以便更好地满足当下城市轨道交通的设计要求，提高相关工程的抗震指数。

3 设计规范技术要点分析

3.1 地下结构的设计方法

在开展地下车站或者是一些区间隧道的设计工作时，通常会根据其自身结构特点来选择合适的计算方法。比较常用的方法有反应位移法、加速法、时程分析法。其中，反应位移法主要是以地震发生时四周的土层变形程度作为地震荷载判断依据，其对于地震发生时的地下结构震动特点具有较高的适应性；而加速法则主要是将土地划分成二维平面应变单元后再进行相关的计算工作，因此其可以在不计算地基弹簧的情况下对土地开展线性分析工作，从而在一定程度上避免相关反应给地基弹簧刚度计算带来误差，提高计算结果的精准性，保障地下结构设计的稳定性。

在围绕隧道纵向地震反应面的设计问题开展相关工作时，比较常用的方法是反应位移法。其使用依据主要是城市轨道交通结构设计的相关规范。在隧道发生地震现象时，其土层通常被划分为两个方向上的分量，分别与隧道纵轴平行和与隧道纵轴垂直。在这二者中，与隧道结构周围土层平行的变形称为平行分量，其中既包括拉伸变形又包括压缩变形，同时还会因变形而产生相应的拉应力与压应力。与隧道纵轴垂直的分量通常会使其结构四周的土层发生与隧道轴线平行或垂直方向上的对应变形。在此变形过程中，隧道也会因此产生挠曲应力。在对隧道纵向地震的反应效果进行评估时，必须综合考虑平行和垂直两个方向上的分量变形，并对因变形而产生的对应的拉应力、压应力以及挠曲应力的数值进行仔细计算，从而为轨道交通抗震设计提供科学的数据基础。

对时程成分析法的具体应用情况进行分析可以发现，其不但具有较高的计算精度，而且充分考虑到了非线性的问题，可以对土体进行非线性分析。正是因为时程分析法具有这两大特点，其在具体使用过程中往往会涉及多方面的专业知识以及操作技能，这也对使用者的个人素质提出了更高的要求。相关使用者必须具有较高的专业素养，才能够更好地发挥时程分析法的计算效果。同时，时程分析法在实际操作过程中也具有一定的复杂性。因此，这种方法只适用于一些具有特殊要求的计算情况，在日常设计计算中并不常见。但在城市轨道交通抗震设计方面，时程分析法主要用来计算一些地震结构反应，特别是出现一些不能利用简化的计算方法来得出相关计算结果时，可以使用时程分析法来达到灵活计算的目的。

3.2 地面结构的设计方法

在进行地面结构设计工作时，主要有两种设计方法，分别是线性反应谱方法和弹塑性反应谱方法。线性反应谱方法在经过几十年的实际应用后，在计算方法以及基本理论方面都比较成熟，经过几十年的检验，该种方法被认为是一种既简单又可靠的设计方法。与此同时，从实际的设计情况来看，大多数工程设计师对线性反应谱方法的熟悉度与认可度比较高，因此该种方法在地面结构设计中的应用也比较广泛，在相关人员选择设计方法时，具有一定的优先性。弹塑性反应谱方法主要是通过弹塑性效应来对弹塑性反应进行相关分析工作。对目前城市轨道交通的建设情况进行分析可以发现，一些比较简单的梁式结构被普遍应用于我国很多高架的区间结构中，并且绝大多数的惯性质量都来源于上部结构，最终集中在墩顶。结合已经推出的相关研究理论来看，在进行该类结构的抗震设计工作时，通常只要完成第一振型的计算便能满足相关要求。与此同时，在高级区间结构中，其塑性铰的发生部位大多位于墩顶和墩底，这会给开展识别工作和预先设计工作带来一定便利。因此，弹塑性反应谱法可以应用于大多数高价区间结构的抗震设计计算中。由此可见，在开展抗震设计规范的编写工作时，应通过多方面渠道来进行资料收集，对国内外的一些强震记录进行全方位了解，然后再对收集到的相关资料进行整理与分析，从而得出不同场地环境和不同周期分区相应的减系数计算方法，得到与弹性反应谱大致相同的统计意义。与此同时，如果出现无论是线性反应谱法还是弹塑性反应谱法都无法对其进行设计计算的特殊情况，则应采用时程分析法对具体的抗震设计进行计算。