城市軌道交通高架橋梁抗震設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題1

韓 鵬 王君杰 董正方

（同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海 200092）

城市軌道交通高架橋梁抗震設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題1

韓 鵬 王君杰 董正方

（同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海 200092）

伴隨我國(guó)城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，軌道交通抗震安全已成為我國(guó)大中型城市和地區(qū)生命安全、交通秩序、正常的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)活動(dòng)的重要保障。本文針對(duì)城市軌道交通高架橋梁結(jié)構(gòu)和線路運(yùn)行特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外地震中鐵路和軌道交通橋梁破壞特征，參照橋梁抗震設(shè)計(jì)思想和國(guó)內(nèi)外橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范內(nèi)容，綜合論述了軌道交通抗震設(shè)計(jì)中抗震設(shè)防分類、設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)與性能目標(biāo)的確定，結(jié)構(gòu)安全和行車安全指標(biāo)的選取，樁-土相互作用、軌道系統(tǒng)和車輛作用的模擬等關(guān)鍵問(wèn)題，并結(jié)合設(shè)計(jì)工作特點(diǎn)，對(duì)研究工作與設(shè)計(jì)工作的結(jié)合提出了建議。

軌道交通 橋梁 抗震

引言

我國(guó)城市化進(jìn)程的迅速發(fā)展，對(duì)城市交通系統(tǒng)的開發(fā)和完善提出了更高的要求，城市軌道交通以運(yùn)量大、速度快、安全可靠、與其它交通干擾少等優(yōu)點(diǎn)，將成為我國(guó)大中城市解決交通擁擠的首選方式。北京、天津、上海、廣州、深圳、南京、重慶、武漢、大連、長(zhǎng)春10個(gè)城市已經(jīng)開通運(yùn)營(yíng)的軌道交通線路總長(zhǎng)達(dá)770km。而正在建設(shè)的沈陽(yáng)、成都、杭州、西安、蘇州等共15個(gè)城市的軌道交通線路總長(zhǎng)達(dá)到1100km。同時(shí)，濟(jì)南、青島、蘭州、寧波等近20個(gè)城市正在進(jìn)行軌道交通規(guī)劃建設(shè)的前期工作。若按目前每年開工建設(shè)100—120km軌道交通線路的發(fā)展速度，到2020年我國(guó)建設(shè)城市軌道交通線路將達(dá)到2000—2500km規(guī)模。我國(guó)城市軌道交通建設(shè)已進(jìn)入快速發(fā)展的歷史階段。

而地震是嚴(yán)重危害鐵路和軌道交通系統(tǒng)安全的重大自然災(zāi)害。在1995年日本阪神地震中，新干線軌道支承結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞，造成了嚴(yán)重的交通中斷。其中，山陽(yáng)新干線部分區(qū)段高架橋梁發(fā)生了嚴(yán)重的多跨連續(xù)落梁和側(cè)向倒塌破壞，JR神戶線和阪神電氣鐵路高架橋也發(fā)生了大量落梁破壞。日本新潟地區(qū)2004年10月23日發(fā)生的地震造成上越新干線列車脫軌。在我國(guó)2008年5月12日發(fā)生的汶川地震中，寶成、成昆、成渝等鐵路受到破壞，大量鐵路橋涵發(fā)生落梁等嚴(yán)重震害，墩梁錯(cuò)動(dòng)也導(dǎo)致軌道線路彎曲和錯(cuò)位，給鐵路運(yùn)輸和救災(zāi)工作造成極大困難。同時(shí)，滑坡、落石等地質(zhì)災(zāi)害也給橋梁的震后修復(fù)和新建工程的選線等提出了巨大的挑戰(zhàn)。汶川地震使正在建設(shè)中的成都地鐵一度停工，地震造成地下車站和區(qū)間隧道等發(fā)生多處開裂、管片連接錯(cuò)位、滲漏水增多等震害。重慶輕軌跨坐梁式單軌結(jié)構(gòu)楔緊片出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象，沿線山體邊坡出現(xiàn)少量位移。

軌道交通目前已成為我國(guó)大中型城市公共交通的主要工具，其抗震安全對(duì)這些城市和地區(qū)的生命安全、交通秩序、正常的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)活動(dòng)，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。在地震作用下，如何保證軌道交通系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全和行車安全已成為城市軌道交通系統(tǒng)建設(shè)的重要任務(wù)。本文將針對(duì)軌道交通抗震設(shè)計(jì)中部分關(guān)鍵問(wèn)題做概要分析和論述，主要包括：抗震設(shè)防分類、設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)與性能目標(biāo)的確定、結(jié)構(gòu)安全和行車安全指標(biāo)的選取、樁土相互作用、軌道系統(tǒng)和車輛作用的模擬等。

1 軌道交通抗震設(shè)計(jì)工作現(xiàn)狀

我國(guó)的城市軌道交通是近十幾年才得到蓬勃發(fā)展的，而有針對(duì)性的城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震基本理論研究還很少，尚未形成一個(gè)可供實(shí)用的抗震分析與抗震設(shè)計(jì)的理論與方法體系，在抗震設(shè)計(jì)時(shí)缺少完善的理論與技術(shù)支撐。軌道交通高架橋梁在結(jié)構(gòu)形式、力學(xué)特征方面與一般的橋梁結(jié)構(gòu)差別較大，其地震破壞形式和抗震性能要求也有其自身特點(diǎn)，需要開展專門的抗震研究工作，以解決其抗震分析和設(shè)計(jì)的基本理論與方法等問(wèn)題。

與城市公路高架橋梁相比，城市軌道交通高架橋梁的顯著特點(diǎn)是軌道系統(tǒng)的存在。此外，由于軌道交通車輛走行安全性的需要，對(duì)其結(jié)構(gòu)形式、動(dòng)力性能和在地震作用下的性能目標(biāo)亦提出與公路高架橋梁不同的要求。與普通鐵路橋梁相比，由于城市軌道交通系統(tǒng)承擔(dān)的運(yùn)輸任務(wù)和車輛類型等不同，兩者在結(jié)構(gòu)上有較大差異，在列車荷載的計(jì)算和行車安全的控制指標(biāo)方面亦有不同，其抗震設(shè)計(jì)方法應(yīng)符合各自的特點(diǎn)。

我國(guó)首部城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范尚在編制過(guò)程中，目前設(shè)計(jì)單位通常是根據(jù)自身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的特點(diǎn)，選擇鐵路抗震規(guī)范或公路抗震規(guī)范作為參考，其選擇帶有任意性，且二者均不能很好地適合城市軌道交通結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。這種選擇方式也造成了所設(shè)計(jì)的軌道交通結(jié)構(gòu)抗震能力的不一致和地震破壞性態(tài)的不可預(yù)見性。

圖1為橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本流程。其中，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防分類和設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的確定是抗震設(shè)計(jì)的先決條件，由此確定結(jié)構(gòu)在預(yù)期設(shè)計(jì)地震作用下的性能目標(biāo)，即“某種結(jié)構(gòu)在某等級(jí)地震作用下達(dá)到某種性能”。地震反應(yīng)分析和抗震驗(yàn)算是抗震設(shè)計(jì)工作的核心部分，貫穿其中的是表征結(jié)構(gòu)抗震性能的各項(xiàng)指標(biāo)，與抗震設(shè)防分類、設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、性能目標(biāo)、地震反應(yīng)分析方法和驗(yàn)算方法等密切相關(guān)。而結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)是抗震設(shè)計(jì)的最終環(huán)節(jié)，是抗震設(shè)計(jì)思想在工程中的實(shí)際體現(xiàn)。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本流程Fig.1 Flowchart of anti-seismic design for bridges

2 軌道交通抗震設(shè)防分類、設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)與性能目標(biāo)

抗震設(shè)防分類是根據(jù)建筑遭遇地震破壞后，可能造成人員傷亡、直接和間接經(jīng)濟(jì)損失、社會(huì)影響的程度及其在抗震救災(zāi)中的作用等因素，對(duì)各類建筑所做的設(shè)防類別劃分?？拐鹪O(shè)防分類是關(guān)系到生命安全、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等因素的綜合指標(biāo)，與社會(huì)和業(yè)主的接受程度、設(shè)計(jì)工作的實(shí)際操作等密切相關(guān)。因此，合理界定城市軌道交通系統(tǒng)中不同結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防類別，是抗震設(shè)計(jì)工作的必要前提。

隨著軌道交通建設(shè)的不斷進(jìn)行，越來(lái)越多的軌道交通線路需跨越交通要道、大江大河或海灣，由于通行和通航的需要，需在關(guān)鍵區(qū)域設(shè)計(jì)大跨度橋梁或特殊類型橋梁。這些橋梁往往投資大，設(shè)計(jì)和施工難度均較高，故對(duì)地震作用下其結(jié)構(gòu)安全也提出了更高的要求，因而在設(shè)計(jì)中應(yīng)提高其設(shè)防分類等級(jí)。但同時(shí)值得注意的是，與這些重點(diǎn)橋梁相比，普通橋跨往往涵蓋軌道交通線路的絕大部分，長(zhǎng)度幾公里甚至十幾公里、幾十公里，若地震中普通橋跨受到普遍破壞，則對(duì)線路通行造成的損害將更為嚴(yán)重?？紤]到軌道交通線路的連續(xù)性和不可變更性等特點(diǎn)，在制定結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)考慮線路的整體安全性。

抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是指在抗震設(shè)防中根據(jù)客觀的設(shè)防環(huán)境和已定的設(shè)防目標(biāo)，并考慮具體的社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件來(lái)確定采用何種強(qiáng)度的地震動(dòng)作為抗震設(shè)防的對(duì)象。橋梁抗震設(shè)計(jì)的目標(biāo)是減輕橋梁工程的地震破壞，保障生命財(cái)產(chǎn)的安全，減少經(jīng)濟(jì)損失。因此，既要使震前用于抗震設(shè)防的經(jīng)濟(jì)投入不超過(guò)我國(guó)當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)能力，又要使地震中經(jīng)過(guò)抗震設(shè)計(jì)的橋梁的破壞程度限制在人們可以承受的范圍內(nèi)?？拐鹪O(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和抗震性能目標(biāo)是衡量對(duì)結(jié)構(gòu)物抗震能力要求高低的綜合尺度，取決于地震作用強(qiáng)弱、結(jié)構(gòu)物使用功能和重要性程度以及國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度等諸多因素。

目前，世界各國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中常用的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)主要有單一設(shè)防水準(zhǔn)、雙水準(zhǔn)和三水準(zhǔn)設(shè)防等。正在完善和發(fā)展中的基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想，則為針對(duì)不同結(jié)構(gòu)物采取多水準(zhǔn)設(shè)防、多性能目標(biāo)設(shè)計(jì)，實(shí)際上在世界各國(guó)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中，也不同程度地采用了基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想。

中國(guó)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則（中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部，2008）將地震動(dòng)分為E1和E2等級(jí)，分別為工程場(chǎng)地重現(xiàn)期較短和較長(zhǎng)的地震作用。在E1等級(jí)地震作用下，結(jié)構(gòu)在彈性范圍內(nèi)工作，基本不損傷；在E2 等級(jí)地震作用下，延性構(gòu)件（墩柱）可發(fā)生損傷，產(chǎn)生彈塑性變形，耗散地震能量，但延性構(gòu)件的塑性鉸區(qū)域應(yīng)具有足夠的塑性變形能力。該規(guī)范對(duì)抗震設(shè)防類別不同的橋梁的E1和E2地震動(dòng)指定了不同的重現(xiàn)期，由此體現(xiàn)了不同類型結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)的不同，并在地震反應(yīng)分析和驗(yàn)算中給出了相應(yīng)的要求?？纱笾卤硎鰹椋骸靶≌鸩粔模匾Y(jié)構(gòu)大震可修，一般結(jié)構(gòu)大震不倒”。

中國(guó)鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（中華人民共和國(guó)鐵道部，2006）將地震動(dòng)分為多遇地震、設(shè)計(jì)地震、罕遇地震3個(gè)水準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)的地震重現(xiàn)期分別為50年、475年和2450年。同時(shí)，將地震作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能規(guī)定為3個(gè)級(jí)別，并規(guī)定了3水準(zhǔn)地震作用下各類結(jié)構(gòu)須達(dá)到的性能目標(biāo)，可大致表述為：“小震不壞、中震可修、大震不倒”。

日本鐵路抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（日本鐵道技術(shù)綜合研究所，1999）和公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（日本道路協(xié)會(huì)，2002）均規(guī)定了2個(gè)水平的地震動(dòng)。將地震作用下結(jié)構(gòu)的性能表述為3個(gè)等級(jí)。其抗震設(shè)防目標(biāo)可大致表述為：“小震不壞、一般結(jié)構(gòu)大震不倒、重要結(jié)構(gòu)大震可修”。

美國(guó)AASHTO公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范（AASHTO，2007）采用單一水準(zhǔn)設(shè)防，即采用重現(xiàn)期475年地震作為設(shè)計(jì)地震動(dòng)。而2007年5月由AASHTO橋梁地震作用研究小組委員會(huì)提供的抗震設(shè)計(jì)指南（Subcommittee for Seismic Effects on Bridges T-3，2007）則建議采用重現(xiàn)期1000年的地震作為設(shè)計(jì)地震動(dòng)。該指南基于設(shè)計(jì)地震動(dòng)1s周期對(duì)應(yīng)的加速度反應(yīng)譜值SD1，將橋梁劃歸A—D四種抗震設(shè)計(jì)分類（SDC），并根據(jù)橋梁所屬的抗震設(shè)計(jì)分類進(jìn)行位移驗(yàn)算、抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算、P-Δ驗(yàn)算和最小支承長(zhǎng)度等驗(yàn)算。即在單一設(shè)防水準(zhǔn)下，通過(guò)抗震設(shè)計(jì)分類體現(xiàn)對(duì)不同結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)要求的不同。規(guī)范的抗震性能目標(biāo)為，按照規(guī)范設(shè)計(jì)的橋梁，在設(shè)計(jì)地震動(dòng)作用下，可能遭受損傷，但發(fā)生倒塌的概率很低，可大致表述為：“不倒塌”目標(biāo)下的“可修復(fù)”。

3 鋼筋混凝土構(gòu)件抗震性能

在地震作用下，鋼筋混凝土橋墩的破壞形式主要有剪切破壞和彎曲破壞。剪切破壞為脆性破壞，應(yīng)盡量避免，在設(shè)計(jì)中以剪力為指標(biāo)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。彎曲破壞為延性破壞，適當(dāng)配筋的混凝土墩柱具有良好的延性，可以發(fā)生較大的變形而不發(fā)生倒塌，在設(shè)計(jì)中以構(gòu)件變形和結(jié)構(gòu)位移為指標(biāo)進(jìn)行延性驗(yàn)算。

中國(guó)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則和美國(guó)AASHTO抗震設(shè)計(jì)指南均采用由截面彎矩-曲率分析所得曲線等效的雙折線模型描述鋼筋混凝土構(gòu)件的彎曲特性，如圖2所示。折線的彈性段應(yīng)通過(guò)M-φ曲線上表征第一根鋼筋屈服的點(diǎn)（φy，My）。在該屈服點(diǎn)之后，應(yīng)使等效后的折線與M-φ曲線所成的兩部分陰影面積相等而得到等效折線。

日本鐵路抗震規(guī)范采用圖3所示的四折線彎矩-曲率模型描述鋼筋混凝土構(gòu)件的彎曲能力。C點(diǎn)為混凝土開裂狀態(tài)點(diǎn)；Y點(diǎn)為縱向鋼筋發(fā)生屈服時(shí)的狀態(tài)點(diǎn)；M點(diǎn)為彎矩最大點(diǎn)；N點(diǎn)為保持屈服彎矩的最大曲率對(duì)應(yīng)的狀態(tài)點(diǎn)。由Y點(diǎn)、M點(diǎn)和N點(diǎn)將構(gòu)件的損傷水平分為4個(gè)等級(jí)。

圖2 美國(guó)AASHTO、中國(guó)公路抗震設(shè)計(jì)Fig.2 Highway Guidelines in China & AASHTO in the USA

圖3 日本鐵路抗震規(guī)范Fig.3 Railway Specifications in Japan

上述兩種描述鋼筋混凝土構(gòu)件彎曲能力的方法，均為對(duì)其實(shí)際彎曲能力的簡(jiǎn)化表述，方法的基礎(chǔ)均為截面的實(shí)際彎矩-曲率關(guān)系。兩者的基本思想均為以截面屈服彎矩作為構(gòu)件進(jìn)入彎曲非線性狀態(tài)后抗力的基本衡量，所不同的是中國(guó)規(guī)范和AASHTO規(guī)范以高于首屈彎矩的等效屈服彎矩作為能力彎矩，而在與延性構(gòu)件相連的能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)中，則將上述能力彎矩乘以超強(qiáng)系數(shù)后參與設(shè)計(jì)；而日本規(guī)范以首屈彎矩作為屈服彎矩，但在四折線模型中通過(guò)M點(diǎn)的設(shè)置，模擬了截面屈服后彎矩強(qiáng)化和下降的過(guò)程，為相對(duì)精細(xì)的模擬方式，該模型也對(duì)分析工作中負(fù)剛度段的計(jì)算處理提出了一定的要求。

工程設(shè)計(jì)中往往希望，在強(qiáng)烈地震作用下墩柱的破壞按照預(yù)期的延性破壞模式進(jìn)行，即在預(yù)期的塑性鉸位置發(fā)生彎曲破壞，以此達(dá)到耗散地震能量的目的，并對(duì)能力保護(hù)構(gòu)件進(jìn)行保護(hù)。因此，在計(jì)算墩柱塑性鉸區(qū)抗剪和抗彎能力時(shí)，各國(guó)規(guī)范大都采用不同的材料參數(shù)取值來(lái)區(qū)分兩者的重要性等級(jí)。在抗彎能力計(jì)算時(shí)，采用材料強(qiáng)度試驗(yàn)所得材料強(qiáng)度（如我國(guó)設(shè)計(jì)中采用的“標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度”）；而在抗剪能力計(jì)算時(shí)，則采用對(duì)上述強(qiáng)度折減的強(qiáng)度（如“設(shè)計(jì)強(qiáng)度”）進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)

4.1 規(guī)范設(shè)計(jì)方法

目前各國(guó)橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范大都按能力保護(hù)原則進(jìn)行基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)，我國(guó)公路、鐵路抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和美國(guó)AASHTO規(guī)范均體現(xiàn)了該思想，即采用橋墩底部地震力參與最不利荷載組合后，對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。

日本鐵路抗震規(guī)范允許在強(qiáng)烈地震作用下，基礎(chǔ)進(jìn)入一定程度的非線性狀態(tài)。采用反應(yīng)塑性率（反應(yīng)位移/屈服位移）、構(gòu)件損傷水平和反應(yīng)位移量（基礎(chǔ)位移、殘余位移）判定基礎(chǔ)的穩(wěn)定水平。

歐洲規(guī)范Eurocode 8（European Committee for Standardization，2005）采用強(qiáng)度指標(biāo)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)的抗震性能，根據(jù)墩柱的預(yù)期抗震性能，對(duì)基礎(chǔ)采用不同的方法驗(yàn)算。若墩柱為有限延性設(shè)計(jì)，則按設(shè)計(jì)地震結(jié)果直接驗(yàn)算強(qiáng)度；若墩柱為延性設(shè)計(jì)，則按能力保護(hù)原則設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；若墩柱保持彈性，預(yù)計(jì)塑性鉸發(fā)生在樁基上，則考慮樁的非線性效應(yīng)，采用性能系數(shù)對(duì)地震力折減后進(jìn)行驗(yàn)算。

4.2 樁-土相互作用的模擬方式

樁基礎(chǔ)是我國(guó)城市軌道交通高架橋梁采用的主要基礎(chǔ)形式，樁-土相互作用的模擬是基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)。樁基礎(chǔ)與地基土的相互作用對(duì)橋梁動(dòng)力性能和地震作用下受力特性有重要影響。針對(duì)土-結(jié)構(gòu)相互作用問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行過(guò)大量研究，已有的分析方法和復(fù)雜程度不同的結(jié)構(gòu)-地基系統(tǒng)模擬方式，可對(duì)地震作用下基礎(chǔ)-地基系統(tǒng)的行為進(jìn)行不同精度的模擬。由于設(shè)計(jì)工作對(duì)計(jì)算效率常常有較高要求，故采用適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化模型可以在保證設(shè)計(jì)精度的基礎(chǔ)上，滿足工作效率的需要。

集中參數(shù)模型是設(shè)計(jì)中常用的簡(jiǎn)化分析模型。20世紀(jì)60年代，美國(guó)學(xué)者Penzien等（1964）在解決泥沼地上大橋動(dòng)力分析時(shí)提出了集中質(zhì)量法，該方法基于Winkler地基假設(shè)，采用梁和離散的彈簧、阻尼器單元來(lái)模擬橫向加載的樁，目前已在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。El Naggar等（1995）、Wang等（1998）、Boulanger等（1999）、El Naggar等（2000）都結(jié)合動(dòng)力Winkler地基梁方法進(jìn)行了相關(guān)研究。

由Matlock等學(xué)者提出的p-y曲線法是一種簡(jiǎn)單實(shí)用，并能較為真實(shí)地反映水平荷載作用下樁-土相互作用機(jī)理的分析方法。燕斌（2007）采用p-y曲線法對(duì)地震作用下樁-土相互作用進(jìn)行了靜力與動(dòng)力分析，并提出了實(shí)用的樁-土相互作用簡(jiǎn)化建模方法。王青橋（2009）采用Boulanger動(dòng)力p-y曲線方法，比較分析了簡(jiǎn)化模型中土層質(zhì)量的取值影響，并結(jié)合對(duì)地震動(dòng)參數(shù)沿深度分布的研究，分析了地基水平變位對(duì)樁身內(nèi)力的影響。p-y曲線方法已列入美國(guó)API規(guī)范，我國(guó)港口工程樁基規(guī)范（中華人民共和國(guó)交通部，1998）也建議了該方法。

我國(guó)的鐵路、公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，采用m法計(jì)算基礎(chǔ)和地基土之間的相互作用。鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范采用設(shè)置于承臺(tái)底的轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧和水平平動(dòng)彈簧模擬地基作用。公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則采用承臺(tái)底6個(gè)自由度的彈簧剛度模擬樁-土相互作用。

日本鐵路抗震規(guī)范提供的簡(jiǎn)化方法主要有非線性反應(yīng)譜法和基礎(chǔ)支承彈簧法。這兩種方法均未考慮土層運(yùn)動(dòng)對(duì)樁節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的地震動(dòng)多點(diǎn)輸入問(wèn)題，而將樁-土相互作用以非線性邊界彈簧模擬。非線性反應(yīng)譜法為建立結(jié)構(gòu)-土彈簧模型，將橋墩結(jié)構(gòu)與樁基礎(chǔ)作為整體模型，根據(jù)靜力非線性分析所得結(jié)構(gòu)等效固有周期，用所需屈服震度反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)構(gòu)反應(yīng)值。基礎(chǔ)支承彈簧法則根據(jù)靜力非線性分析所得基礎(chǔ)整體力-位移關(guān)系，將基礎(chǔ)支承作用轉(zhuǎn)化為計(jì)算基礎(chǔ)底面的非線性支承彈簧，再進(jìn)行非線性時(shí)程分析。該規(guī)范采用反應(yīng)位移法分析地震作用下土層位移對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，并將該位移作用與慣性作用的效應(yīng)進(jìn)行疊加。

樁-土相互作用的另一簡(jiǎn)化方法是對(duì)樁-土非線性作用做等效線性化處理。在一些國(guó)家的抗震設(shè)計(jì)工作中，等效線性化方法常作為分析結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)的基本方法。該方法通過(guò)修改剛度和阻尼比，按線性振動(dòng)理論計(jì)算結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)，即利用降低剛度和增加阻尼的方法，使按線性振動(dòng)理論得到的地震響應(yīng)峰值與非線性地震響應(yīng)峰值一致，把復(fù)雜的非線性地震響應(yīng)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的線性振動(dòng)理論計(jì)算。顏海泉（2008）采用Boulanger模型對(duì)樁-土相互作用進(jìn)行了參數(shù)分析，擬合了土的等效阻尼比、等效剛度與位移之間的關(guān)系，提出了計(jì)算樁-土作用的等效線性化模型。

4.3 傾斜樁抗震設(shè)計(jì)

目前，在已有的城市軌道交通橋梁中，很少采用傾斜樁基礎(chǔ)。而在跨海、跨江大橋中，為增強(qiáng)基礎(chǔ)的水平剛度，常常設(shè)置一定數(shù)量的傾斜樁。隨著軌道交通線路的不斷增加，在跨江或跨海灣的橋梁中，為滿足軌道交通列車運(yùn)行對(duì)基礎(chǔ)剛度的要求，將有可能采用傾斜樁基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外對(duì)橋梁傾斜樁基礎(chǔ)抗震性能研究較少，已有研究資料多集中于港灣、碼頭、鉆井平臺(tái)等工程的抗震研究中。而震害調(diào)查表明，地震中高樁碼頭斜樁（叉樁）損壞較為明顯（龍炳煌等，2007），分析表明，與豎直樁相比，地震中傾斜樁承受的軸力較大，且分擔(dān)著較大的水平地震力，成為重要的抗側(cè)力構(gòu)件。Harn（2004）采用基于位移的方法，分析了傾斜樁在地震作用下的易損機(jī)理，建議在樁頂與承臺(tái)連接部分采用混凝土填芯、鋼筋及兩者之間的填充砂漿構(gòu)成的耗能部件，并給出了分析和設(shè)計(jì)方法。劉杰偉等（2008）采用靜力方法，研究了斜樁對(duì)群樁工作狀態(tài)的影響，分析表明，當(dāng)樁群承受豎向和橫向荷載時(shí)，斜樁的存在有一定的好處，尤其是在減小水平位移方面，但當(dāng)有豎向或水平土體位移作用在樁群時(shí)，群樁的工作特性會(huì)受到不利影響。Schlechter等（2004）采用試驗(yàn)研究了斜樁對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)的影響，分析表明，斜樁承擔(dān)的水平地震力遠(yuǎn)大于豎直樁，而當(dāng)群樁系統(tǒng)中去除斜樁時(shí)，豎直樁彎矩和碼頭平臺(tái)位移均有大幅增加。出羽利行等（2008）針對(duì)地震作用下鐵道構(gòu)造物傾斜樁基礎(chǔ)的反應(yīng)和抗力進(jìn)行了數(shù)值分析和模型試驗(yàn)，分析表明，傾斜樁可增大基礎(chǔ)的水平抗力，減小結(jié)構(gòu)的等效固有周期，同時(shí)，由于地震作用下的地基位移，樁內(nèi)力和位移均有增大。

傾斜樁的使用將增大基礎(chǔ)的水平剛度和抗力，也可作為一種經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)形式。但在地震作用下，傾斜樁將承受較大的地震力，對(duì)樁自身抗震性能不利。一方面，應(yīng)對(duì)地震作用下傾斜樁的破壞機(jī)理做進(jìn)一步的研究；另一方面，由于傾斜樁發(fā)生一定破壞后，結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性改變，可能改變整個(gè)地基系統(tǒng)的地震反應(yīng)，對(duì)整個(gè)地基系統(tǒng)的保護(hù)是否起到積極的作用，應(yīng)通過(guò)大量研究和分析工作予以驗(yàn)證。同時(shí)，在傾斜樁地震反應(yīng)分析中，適用于設(shè)計(jì)工作的樁-土相互作用簡(jiǎn)化模型的應(yīng)用，尚存在一些問(wèn)題需做進(jìn)一步研究和改進(jìn)。針對(duì)傾斜樁的樁-土彈簧參數(shù)計(jì)算、抗震性能指標(biāo)的選取和驗(yàn)算方法等，尚未有成熟的結(jié)果可借鑒。

5 軌道系統(tǒng)和后繼結(jié)構(gòu)的模擬

軌道系統(tǒng)是軌道交通高架橋梁區(qū)別于普通公路橋梁的一個(gè)顯著特點(diǎn)。而其動(dòng)力性能特點(diǎn)則主要體現(xiàn)在無(wú)縫長(zhǎng)軌與梁體的耦合效應(yīng)，扣件的力學(xué)性能對(duì)橋梁抗震性能的影響。

在城市軌道交通的高架橋梁上，軌道通過(guò)扣件與軌枕連接，軌枕與混凝土道床、橋面澆注為整體式道床。由于鋼軌-扣件系統(tǒng)的約束作用，在地震作用下相鄰跨之間的地震反應(yīng)存在耦聯(lián)，而在順橋向地震作用下，該耦聯(lián)作用更為明顯。張俊杰（2000）分析了軌道系統(tǒng)對(duì)橋梁地震反應(yīng)的影響，分析表明，軌道結(jié)構(gòu)由于延伸到地面或車站而對(duì)高架橋有很強(qiáng)的約束作用；同時(shí)，與無(wú)軌情況相比，軌道結(jié)構(gòu)改變了高架橋的動(dòng)力特性。軌道、扣件、支座的力學(xué)特性以及墩高等結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化均使上述作用變得復(fù)雜。馬坤全等（2002）的研究表明，橋上軌道結(jié)構(gòu)對(duì)橋梁的順橋向約束作用改善了高架橋梁的抗震性能，但改善程度與鋼軌、扣件的順橋向力學(xué)特性有關(guān)。黃艷等（2002）分析了軌道約束對(duì)鐵路橋梁順橋向抗震性能的影響，分析表明，在地震中當(dāng)橋墩剛度相近時(shí)，軌道約束對(duì)橋墩是有利的；而當(dāng)橋墩剛度相差較大時(shí)，軌道約束對(duì)剛度較大的橋墩有時(shí)是不利的。

城市軌道交通高架橋梁一般長(zhǎng)達(dá)幾公里甚至十幾公里，在地震反應(yīng)分析中，通常取具有典型結(jié)構(gòu)類型的橋跨，或選取結(jié)構(gòu)特殊或地質(zhì)構(gòu)造特殊的橋跨進(jìn)行分析。由于鋼軌系統(tǒng)對(duì)橋跨的耦聯(lián)作用使高架橋梁的地震反應(yīng)有較強(qiáng)的整體性，故在選取典型橋跨分析時(shí)，應(yīng)考慮相鄰后繼結(jié)構(gòu)的作用。目前對(duì)順橋向地震反應(yīng)以順橋向一致振動(dòng)振型控制的高架橋梁為例，可采用簡(jiǎn)單的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)來(lái)模擬后繼結(jié)構(gòu)的影響，但對(duì)等效剛度的計(jì)算方法、等效質(zhì)量的經(jīng)驗(yàn)取值以及在強(qiáng)烈地震作用下，如何模擬進(jìn)入非線性狀態(tài)的后繼結(jié)構(gòu)等，需要進(jìn)行大量的分析和計(jì)算以取得統(tǒng)計(jì)性的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。而對(duì)于墩高以及結(jié)構(gòu)形式變化較大、軌道系統(tǒng)和支座較為復(fù)雜的高架橋梁，單一的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)難以較為準(zhǔn)確地模擬后繼結(jié)構(gòu)的作用。為此，對(duì)后繼結(jié)構(gòu)還須做大量的研究工作。

6 地震作用下的行車安全問(wèn)題

6.1 抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)車輛荷載的模擬

軌道交通行車密度大，一旦發(fā)生地震，橋上有行車的概率也大，因而在軌道交通高架橋梁地震反應(yīng)分析中應(yīng)考慮車輛荷載的作用。由于設(shè)計(jì)時(shí)，以復(fù)雜的車輛-軌道耦合模型進(jìn)行動(dòng)力分析尚具有一定困難，因此在規(guī)范中多以列車橫橋向慣性地震力為指標(biāo)，來(lái)衡量地震作用下車輛對(duì)橋梁的作用。在中國(guó)和日本的鐵路抗震規(guī)范中，均對(duì)地震作用下列車荷載的模擬方法給出了規(guī)定。

我國(guó)的鐵路工程抗震規(guī)范規(guī)定，對(duì)運(yùn)量較大的Ⅰ、Ⅱ級(jí)鐵路，計(jì)入活載引起的橫橋向水平地震力?？紤]到車架彈簧對(duì)橫橋向振動(dòng)的消能作用，且橫橋向不一定為地震的主要振動(dòng)方向，因而該地震力按列車活載的50%計(jì)算，雙線橋按單線活載計(jì)算。而在順橋方向，由于車輪的作用，地面運(yùn)動(dòng)的加速度很難傳遞到列車上，因此順橋向不計(jì)活載所產(chǎn)生的水平地震力。

而日本的鐵路抗震規(guī)范則在順橋向和橫橋向皆計(jì)入了列車產(chǎn)生的水平慣性地震力，其上限值在順橋向取列車荷載特征值的20%；在橫橋向取列車荷載特征值的30%。列車荷載特征值基于通常使用狀態(tài)下的裝載重量確定。對(duì)單線和多線橋梁的列車荷載加載線數(shù)為：?jiǎn)尉€或雙線時(shí)，取1線荷載；3線或4線時(shí)，取2線荷載；5線以上時(shí)，取3線荷載。

6.2 行車安全的控制

與公路高架橋梁相比，軌道交通高架橋梁還應(yīng)保證地震作用下的行車安全，它涉及地震作用下車輛-軌道-橋梁系統(tǒng)的耦合動(dòng)力分析研究。列車脫軌是危及鐵路和軌道交通行車安全的主要因素，在日本新潟地震中，新干線列車脫軌的事件再次表明，地震對(duì)軌道交通行車安全構(gòu)成重大威脅。因此，確保不發(fā)生脫軌事故，是輪軌型軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)最基本的安全要求。

目前，對(duì)脫軌的評(píng)判指標(biāo)主要是脫軌系數(shù)和輪重減載率。脫軌系數(shù)定義為脫軌側(cè)車輪垂向力與橫向力的比值（Q/P）；輪重減載率則為左右輪軌減載量與靜輪重的比值（ΔP/Pst）。針對(duì)以上性能指標(biāo)的不足，楊春雷等（2002）提出了根據(jù)輪軌接觸點(diǎn)位置進(jìn)行脫軌評(píng)定的直接方法。曾慶元等（2004）和向俊等（2004）認(rèn)為，列車脫軌的力學(xué)機(jī)理是列車橋梁（軌道）時(shí)變系統(tǒng)的橫向振動(dòng)喪失穩(wěn)定，并提出了此系統(tǒng)抗力功增量與輸入能量增量的關(guān)系準(zhǔn)則，以此來(lái)判別該系統(tǒng)橫向振動(dòng)是否穩(wěn)定（即列車是否脫軌）。翟婉明等（2001）提出了直接根據(jù)車輪抬升量來(lái)評(píng)判脫軌的原理與方法，并提出針對(duì)我國(guó)車輛脫軌評(píng)判的建議標(biāo)準(zhǔn)及其實(shí)施細(xì)則。李運(yùn)生等（2004）指出，在以往重視梁剛度對(duì)行車安全影響的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步研究橋墩橫向剛度對(duì)其的影響。

上述文獻(xiàn)多為針對(duì)普通鐵路列車和軌道系統(tǒng)之間相互作用的研究。為保障城市軌道交通高架橋梁在地震作用下的行車安全，應(yīng)針對(duì)軌道交通車輛和軌道系統(tǒng)，進(jìn)行車輛、軌道和結(jié)構(gòu)整體化的地震反應(yīng)分析。李忠獻(xiàn)等（2005）在考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的基礎(chǔ)上，分析了輕軌鐵路車橋系統(tǒng)耦合振動(dòng)的影響，分析表明，地震作用與車橋系統(tǒng)的耦合振動(dòng)存在很大程度的耦合，車橋系統(tǒng)的耦合振動(dòng)響應(yīng)，近似為橋梁地震響應(yīng)與車橋系統(tǒng)耦合振動(dòng)響應(yīng)之和，在對(duì)高架橋梁上的輕軌鐵路進(jìn)行車橋耦合振動(dòng)分析時(shí)，必須考慮地震作用的影響。

韓艷等（2006a）研究了高速客運(yùn)專線車-橋系統(tǒng)在地震荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題，分析了地震動(dòng)強(qiáng)度和頻譜特性、橋梁阻尼比和行車速度等因素對(duì)地震作用下行車安全的影響，給出了確保地震發(fā)生時(shí)高速列車在橋上安全運(yùn)行的臨界速度限值。對(duì)地震作用下列車與公路、鐵路兩用斜拉橋耦合振動(dòng)問(wèn)題的研究表明（韓艷等，2006b），地震作用使斜拉橋的橫向振幅、橫向和豎向振動(dòng)加速度以及列車的橫向和豎向振動(dòng)加速度等指標(biāo)均有較大提高，導(dǎo)致列車運(yùn)行安全性與舒適度下降。韓艷等（2006c）還分析了地震波行波效應(yīng)對(duì)車-橋系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)的影響，分析表明，在進(jìn)行大跨度連續(xù)梁橋車-橋系統(tǒng)的地震反應(yīng)分析時(shí)， 應(yīng)按橋址處的實(shí)際場(chǎng)地土特性考慮地震波行波效應(yīng)的影響；并以列車橫向速度、脫軌系數(shù)、輪重減載率和橫向輪軌力等為指標(biāo)，研究地震作用下列車速度對(duì)行車安全的影響。劉林等（2002）在京滬高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)研究中，則結(jié)合國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及鐵道部科學(xué)研究院研究成果，重視在保證列車正常運(yùn)行前提下的軌道橫向加速度限值。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和鐵路、軌道交通研究人員對(duì)列車行車安全問(wèn)題進(jìn)行了廣泛和深入的研究，由于脫軌問(wèn)題的復(fù)雜性以及事故原因調(diào)查的困難性，這一問(wèn)題始終未得到很令人滿意的解答，評(píng)判脫軌的各種準(zhǔn)則也存在一些問(wèn)題。同時(shí)，地震作用的隨機(jī)性和地震作用下對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)自身響應(yīng)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的困難性，也使得該問(wèn)題變得更加復(fù)雜。因此，在難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)地震中結(jié)構(gòu)行為和車輛行駛狀態(tài)的情況下，提出適合抗震設(shè)計(jì)的具備包絡(luò)性的性能指標(biāo)及其量化評(píng)估方法，就顯得十分重要。

在日本的鐵路抗震規(guī)范中，為使L1地震動(dòng)作用下不發(fā)生影響列車行駛的過(guò)大位移，要求對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行位移驗(yàn)算，使由L1地震動(dòng)產(chǎn)生的位移不超過(guò)通過(guò)列車行駛模擬實(shí)驗(yàn)求得的位移限制值，其驗(yàn)算指標(biāo)主要有軌面的折角、錯(cuò)位以及地震作用下軌面的橫向振動(dòng)位移等。

7 抗震理論研究與設(shè)計(jì)工作的結(jié)合

自從1899年日本學(xué)者大房森吉提出用于結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算的靜力法以來(lái)，世界各國(guó)研究人員針對(duì)結(jié)構(gòu)抗震分析和設(shè)計(jì)方法做出了不懈的努力，使結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析和抗震設(shè)計(jì)水平得以不斷提高。而由于設(shè)計(jì)工作對(duì)理論的嚴(yán)謹(jǐn)性和成熟性要求較高，在很多情況下趨于采用保守的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和方法，同時(shí)對(duì)效率亦有較高要求，因而，在滿足精度要求的前提下，設(shè)計(jì)人員往往傾向于采用理論簡(jiǎn)明、計(jì)算效率高的方法。世界各國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范也均為部分地采用了抗震研究中較為成熟的成果，在規(guī)范編制的過(guò)程中，綜合考慮設(shè)計(jì)工作的特點(diǎn)和多種相關(guān)因素，具備一定的保守性。

為此，與軌道交通高架橋梁抗震設(shè)計(jì)相關(guān)的研究工作，應(yīng)在深入、細(xì)致的基礎(chǔ)上，提出與設(shè)計(jì)工作特點(diǎn)相結(jié)合的結(jié)論。相關(guān)方法應(yīng)力求簡(jiǎn)明，易于實(shí)施，易于設(shè)計(jì)人員理解、接受和正確使用。

8 結(jié)語(yǔ)

（1）在城市軌道交通高架橋梁的抗震設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合軌道交通系統(tǒng)的特點(diǎn)，綜合經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等諸多因素，合理確定結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防分類、設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)與性能目標(biāo)。

（2）應(yīng)結(jié)合國(guó)內(nèi)外橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和研究成果，進(jìn)一步研究適合我國(guó)城市軌道交通高架橋梁特點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)方法，包括結(jié)構(gòu)建模方法、地震反應(yīng)分析方法以及結(jié)構(gòu)安全和行車安全的評(píng)價(jià)指標(biāo)等。

（3）注重軌道交通抗震研究與設(shè)計(jì)工作的結(jié)合，確保研究成果在設(shè)計(jì)工作中的最終體現(xiàn)。

韓艷，夏禾，郭薇薇，2006a. 斜拉橋在地震與列車荷載同時(shí)作用下的動(dòng)力響應(yīng)分析. 工程力學(xué)，23（1）：93—98，68.

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Key Issues in the Seismic Design of Urban Rail Transit Bridges

Han Peng, Wang Junjie and Dong Zhengfang

(Department of Bridge Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

With the fast development of modern metropolitans and districts, the seismic safety of the bridges has become an important issue in the design and construction of the urban rail transit systems. The state-of-the-art overview and discussions have been given to the key issues in the anti-seismic design of urban rail transit bridges,including determination of seismic fortification category, seismic fortification criterion and performance criteria,selection of seismic indices for the structural safety, transit running safety, simulation of pile-soil-interaction, and effect of the rail system and the trains. Finally, some suggestions on the research and design work. in the future are given in this paper.

Rail transit; Bridge; Seismic

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額司：城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2007-1-12）；國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃（90715022）；國(guó)家地震局行業(yè)專項(xiàng)（200808021） 資助

2009-12-29

韓鵬，男，生于1982年。博士研究生。主要從事城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震研究。Email: joy2000@yeah.net

韓鵬，王君杰，董正方，2010. 城市軌道交通高架橋梁抗震設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題. 震災(zāi)防御技術(shù)，5（1）：32—42.