基于能力保護(hù)原則的軌道交通橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張欣欣

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海市 200070）

基于能力保護(hù)原則的軌道交通橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張欣欣

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海市 200070）

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157-2013）新增規(guī)定：橋墩抗震設(shè)計(jì)時(shí)，蓋梁、節(jié)點(diǎn)和基礎(chǔ)應(yīng)作為能力保護(hù)構(gòu)件，按能力保護(hù)原則設(shè)計(jì)。總結(jié)了軌道交通高架橋梁的能力保護(hù)設(shè)計(jì)方法。以某軌道交通標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)柱墩為例進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，采用能力保護(hù)設(shè)計(jì)后樁基配筋明顯增加，并對(duì)能力保護(hù)設(shè)計(jì)的影響參數(shù)進(jìn)行分析，研究表明，軌道交通橋墩宜適當(dāng)減小墩柱尺寸、增大樁間距，以取得最優(yōu)的下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

軌道交通橋梁；下部結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)；能力保護(hù)

0　引　言

《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157-2013）（以下簡(jiǎn)稱新《地鐵規(guī)》）于2014年3月實(shí)施，其關(guān)于軌道交通橋梁抗震方面較《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157-2003）新增規(guī)定：（1）跨越大江大河且技術(shù)復(fù)雜、修復(fù)困難的特殊結(jié)構(gòu)橋梁應(yīng)屬于A類工程，其他橋梁抗震設(shè)防類別為B類；（2）橋梁抗震設(shè)計(jì)時(shí)，蓋梁、節(jié)點(diǎn)和基礎(chǔ)應(yīng)作為能力保護(hù)構(gòu)件，按能力保護(hù)原則設(shè)計(jì)。

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)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T B02-01-2008）、《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 166—2011）和美國(guó)AASHTO規(guī)范均體現(xiàn)了該思想，基本思路即是延性抗震設(shè)計(jì)，地震下主動(dòng)選擇墩柱潛在的塑性鉸位置并進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，利用墩柱塑性鉸發(fā)生塑性變形，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期，耗散地震能量。不希望發(fā)生非彈性變形的構(gòu)件，墩柱抗剪、支座、蓋梁、基礎(chǔ)均應(yīng)作為能力保護(hù)構(gòu)件，使結(jié)構(gòu)中的延性構(gòu)件和能力保護(hù)構(gòu)件形成強(qiáng)度等級(jí)差異。

新《地鐵規(guī)》要求按能力保護(hù)原則設(shè)計(jì)，但對(duì)能力保護(hù)設(shè)計(jì)未作詳細(xì)介紹，本文通過對(duì)新《地鐵規(guī)》的理解，結(jié)合《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，總結(jié)了能力保護(hù)原則的抗震設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合工程實(shí)例的能力保護(hù)設(shè)計(jì)的參數(shù)分析，提出下部結(jié)構(gòu)宜減小橋墩尺寸、增大基礎(chǔ)尺寸的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。

1　能力保護(hù)設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)述[1-5]

（1）選擇潛在塑性鉸。對(duì)于常見的獨(dú)柱墩，塑性鉸一般為墩底。雙柱墩縱橋向的潛在塑性鉸也在墩底，而橫橋向一般選擇在墩頂和墩底部位。

（2）計(jì)算罕遇地震作用下地震力及橋墩最大彎矩。

（3）根據(jù)實(shí)配截面鋼筋，計(jì)算塑性鉸區(qū)的等效屈服彎矩。等效屈服彎矩為按截面實(shí)配鋼筋，采用材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算出恒載作用下的截面抗彎承載力，其有兩種計(jì)算方法：

方法一：壓彎構(gòu)件反算法，假定混凝土和鋼筋應(yīng)力都達(dá)到強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，采用公路鋼筋混凝土規(guī)范中偏壓構(gòu)件計(jì)算方法，反算得到最大彎矩。（參見《城抗規(guī)》P99“屈服彎矩采用JTGD62-2004中偏心受壓構(gòu)件的受彎承載力近似代表，采用材料標(biāo)準(zhǔn)值”。）

方法二：采用彎矩-曲率曲線方法，一般使用軟件計(jì)算（如UCFyber、Midas/Civil）。

（4）判斷墩柱是否屈服，計(jì)算塑性鉸區(qū)彎矩。

當(dāng)罕遇地震作用下塑性鉸區(qū)的墩柱彎矩小于等效屈服彎矩，則墩柱未進(jìn)入塑性，蓋梁、基礎(chǔ)、支座的內(nèi)力設(shè)計(jì)值采用罕遇地震作用下的計(jì)算結(jié)果。

當(dāng)罕遇地震作用下塑性鉸區(qū)的墩柱彎矩大于等效屈服彎矩，則墩柱發(fā)生屈服。蓋梁、基礎(chǔ)、支座和墩柱抗剪作為能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)，其內(nèi)力設(shè)計(jì)值根據(jù)墩柱塑性鉸區(qū)的截面超強(qiáng)彎矩確定。其中超強(qiáng)彎矩=1.2×等效屈服彎矩。

（5）進(jìn)行能力保護(hù)設(shè)計(jì)。

墩柱抗剪驗(yàn)算：墩柱剪力設(shè)計(jì)值應(yīng)根據(jù)塑性鉸區(qū)的截面超強(qiáng)彎矩來計(jì)算。以獨(dú)柱墩為例，墩柱剪力設(shè)計(jì)值為塑性鉸區(qū)的超強(qiáng)彎矩除以墩高。

蓋梁設(shè)計(jì)：按橋墩塑性鉸區(qū)的截面超強(qiáng)彎矩來計(jì)算內(nèi)力進(jìn)行強(qiáng)度檢算。

支座設(shè)計(jì)：根據(jù)塑性鉸區(qū)的截面超強(qiáng)彎矩來計(jì)算墩柱沿橫橋向和順橋向的水平剪力設(shè)計(jì)值，對(duì)彈性支座進(jìn)行支座厚度和抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算，對(duì)固定支座進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)：墩柱超強(qiáng)彎矩?fù)Q算到承臺(tái)底，計(jì)算出基礎(chǔ)的彎矩、剪力和軸力的設(shè)計(jì)值，驗(yàn)算樁基的承載能力。

2　軌道交通橋梁下部結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

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)，確定合理的下部結(jié)構(gòu)尺寸。與市政橋梁相比，梁部較窄，上部結(jié)構(gòu)恒載豎向力較小，軌道交通橋梁下部結(jié)構(gòu)需承受通過軌道結(jié)構(gòu)傳遞的軌道力，且橋墩剛度有一定要求，故同等橋?qū)挄r(shí)軌道交通下部結(jié)構(gòu)尺寸較大；與鐵路相比，軌道交通設(shè)計(jì)速度較低，剛度要求偏低，軌道交通梁部截面相比鐵路偏小，梁部恒載小，故下部結(jié)構(gòu)較鐵路也更纖細(xì)，軌道交通橋墩剛度介于市政公路、鐵路橋梁之間。

表1中列舉了墩高10 m獨(dú)柱墩對(duì)應(yīng)幾個(gè)不同類型項(xiàng)目的橋墩結(jié)構(gòu)形式和尺寸，可見軌道交通橋墩尺寸一般介于市政、鐵路橋梁之間。

表1　不同類型項(xiàng)目橋墩形式及尺寸

3　工程實(shí)例

高架區(qū)間雙線標(biāo)準(zhǔn)段采用30 m單箱單室簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)為花瓶型獨(dú)柱墩，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁，見圖1。抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10 g，設(shè)計(jì)地震為第一組，Ⅲ類場(chǎng)地，特征周期為0.45 g。

3.1能力保護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)樁基設(shè)計(jì)的影響

初步擬定不同墩高時(shí)的下部結(jié)構(gòu)尺寸（見表2），分別按兩種工況進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)：工況1僅進(jìn)行多遇地震下橋墩、樁基強(qiáng)度驗(yàn)算和罕遇地震作用下橋墩延性計(jì)算，未進(jìn)行能力保護(hù)設(shè)計(jì)。工況2采用新《地鐵規(guī)》進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，在工況1基礎(chǔ)上需補(bǔ)充能力保護(hù)計(jì)算。

圖1　橋墩構(gòu)造示意圖（單位：cm）

表2　是否進(jìn)行能力保護(hù)計(jì)算結(jié)果比較

計(jì)算結(jié)果表明：工況2采用能力保護(hù)設(shè)計(jì)后，中低墩樁基主筋配筋率較工況1明顯增大，9 m、12 m、16 m橋墩的樁基配筋率增加88%、111%、17%?？梢姴捎眯隆兜罔F規(guī)》進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)后，樁基主筋配筋率增加較多。

3.2能力保護(hù)設(shè)計(jì)影響參數(shù)分析

根據(jù)能力保護(hù)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在確定樁根數(shù)、直徑后，橋墩的屈服彎矩、樁間距決定樁身內(nèi)力，進(jìn)而決定樁基配筋量。

3.2.1橋墩尺寸和主筋配筋率對(duì)屈服彎矩的影響

影響橋墩屈服彎矩的因素主要為橋墩尺寸和主筋配筋率，以墩高H=12 m為例，圖2為橋墩配筋數(shù)量相同時(shí)，不同橋墩尺寸對(duì)應(yīng)的橋墩屈服彎矩，橋墩尺寸減小時(shí)屈服彎矩相應(yīng)減小。圖3為橋墩尺寸為2.2 m×2.0 m（橫橋向×縱橋向）時(shí)，配筋率分別為0.5%、0.7%、0.9%時(shí)橋墩屈服彎矩，橋墩配筋增加時(shí)屈服彎矩增加較少。橋墩尺寸和主筋配筋率對(duì)橋墩屈服彎矩均有影響，但影響程度不同，設(shè)計(jì)時(shí)在滿足規(guī)范要求的條件下，宜選取合理的橋墩尺寸，盡量減小屈服彎矩，但橋墩需要滿足線剛度要求。

圖2　橋墩尺寸對(duì)屈服彎矩的影響

圖3　橋墩配筋率對(duì)屈服彎矩影響

3.2.2基礎(chǔ)尺寸對(duì)樁基配筋的影響

以墩高H=12 m橋墩尺寸2.2 m×2.0 m為例，樁基為4根直徑1.2 m鉆孔灌注樁，取不同樁間距：3.2 m、3.6 m、4 m，根據(jù)樁基抗彎能力驗(yàn)算，計(jì)算樁基配筋結(jié)果見表3。

表3　不同樁間距時(shí)樁基配筋率

根據(jù)表3可見加大樁間距可以減小樁基配筋率，但承臺(tái)尺寸加大，承臺(tái)造價(jià)增加。另外，增加樁基根數(shù)和加大樁直徑，可明顯增加整個(gè)橋墩基礎(chǔ)的抗彎能力。下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要權(quán)衡墩柱、承臺(tái)和樁基的工程量，以確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

4　采用能力保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)下部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于初步擬定的尺寸采用能力保護(hù)設(shè)計(jì)后，樁基主筋配筋率太高，故對(duì)下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本橋墩墩柱主筋配筋率很小，故采用減小橋墩截面尺寸、增大樁間距的方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表4為優(yōu)化后下部結(jié)構(gòu)尺寸（尺寸二）和按能力保護(hù)計(jì)算配筋結(jié)果，可見墩柱截面尺寸減小后，混凝土方量減少，配筋率增大。優(yōu)化后墩高9 m、12 m的樁基增大、承臺(tái)尺寸增大，樁基主筋配筋率明顯下降。樁間距增大后，樁基配筋較合理。

表4　優(yōu)化后下部結(jié)構(gòu)尺寸和按能力保護(hù)計(jì)算配筋結(jié)果

5　結(jié)語

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157-2013）對(duì)軌道交通橋梁抗震的規(guī)定，采用能力保護(hù)原則進(jìn)行軌道交通橋梁抗震設(shè)計(jì)時(shí)，主要是對(duì)樁基礎(chǔ)要求更高，同樣條件下，采用能力保護(hù)設(shè)計(jì)后樁基配筋明顯增加。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)權(quán)衡墩柱、承臺(tái)和樁基的工程量，宜適當(dāng)減小墩柱尺寸，加大樁間距，合理配置下部結(jié)構(gòu)尺寸。

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U443.2

A

1009-7716（2016）04-0077-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.024

2015-12-24

張欣欣（1987-），女，安徽人，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。