城市轨道交通高架桥梁抗震设计分析

梁军

摘 要：城市轨道交通能够极大缓解城市交通压力，对城市的发展起到了重要的作用，在对城市轨道交通高架桥梁的抗震设计分析时，必须要做好桥梁抗震设防分类、标准以及性能的有效确定，并进行深入研究，然而在实际的高架桥梁抗震设计分析中，由于难以得到桥梁抗震结构相应的精确值，使得抗震结构设计的内力和变形特征很难有效把握，所以只有加强对城市轨道交通高架桥梁的抗震设计分析，并结合设计工作的特点，才能设计出合理的抗震需求。

关键词：轨道交通;桥梁抗震;设计分析

中图分类号：U442.55 文献标识码：A

0 引言

在城市的快速发展中，城市轨道交通具有运量大和速度快等优点，所以能够有效缓解当今城市的交通运输压力，然而在城市轨道交通高架桥梁的设计过程中，就必须做好高架桥梁的防震措施，这是因为城市轨道交通高架桥梁抗震设计中的相关结构尺寸和配筋都由地震的实际情况决定，在抗震分析中，只有使其具有合理的抵抗地震破坏能力，才能更好地推动城市轨道交通的发展。

1 城市轨道交通抗震的分类和目标

1.1 抗震设防的分类

根据地震后，城市轨道交通遭受的破坏程度、人员伤亡、直接损失、间接损失以及社会影响程度等，在抗震救灾中对各类建筑进行设防划分[1]。由于抗震设防分类关系到人们的生命安全以及社会等各方面的因素，所以在城市轨道交通抗震的接受程度、设计工作的实际操作中，合理界定城市轨道交通系统中不同的结构抗震类别，这也是抗震设计工作的必要前提条件。

1.2 抗震设防的标准

城市轨道交通随着不断的发展和衍变，在重要的区域设计大跨度的桥梁类型时，往往投资巨大，且设计和施工的难度又非常高，因此对地震作用下的结构安全也提出了更高的要求。基于此，在城市轨道交通的抗震设防中，需要做好抗震设防的标准，考虑到轨道交通线路的连续性和局限性的特点，在制定结构抗震设防的标准时，就需要严格考虑到线路的整体安全性。

1.3 抗震设防的目标

城市轨道交通高架桥梁结构抗震设计中常用的设防目标有单一设防水准、双水准以及三水准等方式。针对正在完善和发展的基于性能抗震设计思路，可以针对不同结构采取多水准设防和多性能设防的设计目标，并对不同程度地采用基于性能的抗震思想设计。在地震作用下的结构抗震性能中，需要各类结构都达到标准的性能需求，做到小幅度地震不会损坏，大幅度地震不会倒塌，中幅度地震只需要维修即可的方式。

2 钢筋混凝土本构关系

2.1 钢筋混凝土墩柱模拟

使用钢筋混凝土墩柱对高架桥梁混凝土墩柱进行计算，采取三维非线性梁柱纤维的方式，并以硬化的修正模型为主。然而在实际的钢筋对主墩截面中进行纤维划分时，还需要确保钢筋混凝土纤维的约束性和非约束性材料模型构建[2]。为了更好地考虑到地震的随机性，设计的加速时程不得少于三组，并根据工程地震的安全性进行评价报告分析。

2.2 支座模拟

由于高架桥梁抗震设计中，通过支座模拟的方式，采取减隔震效果的球形钢支座，能够使该支座的力学性能被简化，最终为双线性恢复力学模型，如图1所示。在支座荷载中，K1是指滑移前水平刚度，K2是指屈后刚度，Kelf是指等效刚度，D是指水平位移，Dy是指静摩擦屈服位移，Dd是指设计水平的位移，F是指水平回复力，Fd是指最大的回复力，Fly是指支座起滑力。

2.3 桥梁桩基的模拟

对桥梁桩基地震模拟分析中，需要考虑到桩、土结构之间的相互作用，当前在施工中采取的主要方法就是将地基和基础离散作为质量、瘫痪、阻尼系统，能够更好地实现与桥梁桩基结构系统的有效整合。在这个过程中，需要沿着深度方向输入对应的土层进行地震反应分析，将各单桩按照不同的方式集中为质点，并将两个不同水平方向的群桩节点加入其中，才能有利于对土层场地振动实现有效的加速效果，对基地弹簧的假定常用公式如下σzx=mzxz，公式中的σzx是指土体对桩的横向抗力，z是指土层的深度，而xz则是指桩在z处的横向位移[3]。因此可以得出分层土弹簧的刚度公式如下，，公式中的a是指土层的厚度，bp是指桩的计算宽度，m是指土的振动比例系数，一般取值2～3倍左右。

2.4 阻尼模拟

由于在地震作用下的弹塑性响应分析的结构黏滞阻尼耗能通常会采用瑞利阻尼比例，且阻尼系数是根据系统的质量和初始刚度决定的，其计算公式如下，C=aM+bK，其中a，b是指比例系数，并由两个固定的特有频率组成，分别是wi，wj和对应的振型阻尼比ξ i，ξ j并从以下两个公式中可以得到对应的a和b的数据，其公式分别如下，。

3 基础抗震设计

3.1 规范设计方法

在城市轨道交通高架桥梁抗震设计规范中，大部分情况下都需要按照保护原则进行基础抗震设计进行[4]。随着抗震设计逐渐变得规范化后，采用桥墩底部地震力参与最不利荷载组合，可以实现对基础强度的验算，当城市轨道交通高架桥梁抗震设计在允许地震范围的情况下，才能将地震的基础带入到一定程度的非线性状态，以此判定基础的稳定水平。

3.2 倾斜桩抗震设计

当前大部分城市轨道交通桥梁中，很少采取倾斜桩基础，但如果是跨海大桥的设计中，为了更好地增强基础水平的刚度，就需要设置一定數量的倾斜桩。随着我国经济建设的发展速度越来越快，轨道交通线路也在不断扩展，为了更好地满足轨道交通的基础运行刚度需求，依旧有可能采用倾斜桩基础的抗震设计。针对抗震工程的设计研究，地震中高桩码头斜桩损坏较为明显，和竖直桩相比，地震中倾斜桩的承受力比较大，并且还需要分担着较大的水平地震力，因此属于重要的抗侧力构件。而在对桩群承受竖向与横向载荷的过程中，斜桩通常也存在一定的优势，能够减少水平位移的情况发生，但如果有竖向或者水平土体位移的情况，群桩的工作特性就不会受到较大的影响。

4 城市轨道交通高架桥梁抗震反应分析

4.1 高架桥梁计算模型

城市轨道交通高架桥梁抗震反应分析时，必须对高架桥梁计算模型进行有效分析，采用有限元空间的方式，建立起模型分析，才能确保桥梁结构的质量。而在高架桥梁模型的建模过程中，还需要针对桥梁的主梁、桥墩和承台等单元进行模拟，有利于更好地计算出高架桥梁的模型图，如图2所示。

4.2 高架桥梁结构动力特性

在高架桥梁结构动力特征的建模中，必须采取多重向量的方式对高架桥梁结构动力特征进行求解。但由于桥梁成桥前，一般会有10个阶段的自振频率以及振型周期性的特点。这10个阶段的自振频率周期一般都处于1.211 s～

2.055 s之间，所以能够同时做到纵向与横向振动。

4.3 常遇地震工况下强度验算

首先是结构内力的计算中，在城市轨道交通高架桥梁抗震分析中，应分别计算顺桥与横桥的水平地震作用。其次是对结构强度的验算时，如果遇到地震时，高架桥梁结构就必须处于弹性工作的阶段中，有利于更好地控制墩底截面的强度，其中混凝土最大应力为13.7，钢筋最大应力为112.71，混凝土容许压应力为20.25，钢筋容许应力为270。而各控制墩底截面强度验算中，混凝土最大应力为11.8，钢筋最大应力为98.48，混凝土容许压应力为20.25，钢筋容许应力为270。通常情况下，在对城市轨道交通高架桥梁抗震混凝土预應力的结构设计时，由于受弯矩的影响，使得偏心受压构件的最小配筋率必须不低于0.15%，因此就必须考虑到桥墩作为偏心受压构件，才能实现对墩身最小配筋率的有效验算，而主筋直径和根数分别是顺桥向φ28/23和横桥向φ28/16时，顺桥向配筋率为0.31%，最小配筋率为0.15%，横桥向配筋率为0.22%，最小配筋率为0.15%，同时能够满足墩身的需求。

5 结束语

城市轨道交通高架桥梁的抗震设计分析过程中，必须要遵循城市轨道交通的特点和社会因素，才能确保高架桥梁的抗震效果，同时结合国内外桥梁抗震设计规范的研究成果，计算地震反应的抗震设计内容，并采用能力保护原则明确的情况，最终完成结构既定的功能目标需求。

参考文献：

[1]段昕智.强震区城市高架桥抗震设计的若干问题[J]. 中国市政工程，2019（1）：27-29.

[2]罗刚，刘志军.城市轨道交通高架桥结构设计研究[J]. 现代城市轨道交通，2019（5）：100-104.

[3]何建梅.城市轨道交通预制节段拼装单薄壁连续刚构抗震性能分析[J].城市建设理论研究（电子版），2019（3）：142.