高烈度區(qū)現(xiàn)代有軌電車橋梁延性抗震設(shè)計

阮 良 奉

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

1 概述

現(xiàn)代有軌電車以其獨特的優(yōu)勢在我國各大城市得到迅速地發(fā)展[1]。其中在高地震烈度地區(qū)修建有軌電車，橋梁抗震設(shè)計是重要環(huán)節(jié)。延性抗震作為橋梁抗震設(shè)計的主要方法，與減隔震設(shè)計不同，主要通過選定合適的彈塑性變形、耗能部位，以延長結(jié)構(gòu)周期達(dá)到減少地震反應(yīng)的目的[2]。

一般情況下，對于高墩墩柱剛度較小，橋墩頂、底易形成塑性鉸，可采用延性抗震設(shè)計。其余部分包括上部結(jié)構(gòu)、支座、蓋梁、橋墩抗剪以及橋梁基礎(chǔ)等則作為能力保護(hù)構(gòu)件，要求不受損傷保持在彈性范圍內(nèi)。有軌電車作為輪軌系統(tǒng)采用無縫線路，橋上鋪設(shè)無砟軌道需要保證軌道的平順性和行車舒適性，要求橋墩滿足最小縱向剛度要求[3]。橋墩剛度增大，給延性抗震設(shè)計帶來困難，其一橋墩易發(fā)生脆性剪切破壞，很難形成塑鉸[4]；其二塑性鉸區(qū)域截面的超強(qiáng)彎矩增大，橋梁基礎(chǔ)設(shè)計困難。

現(xiàn)代有軌電車屬于新型軌道交通，目前還沒有明確的抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。本文結(jié)合GB 50111—2006鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范(2009年版)(簡稱《鐵抗規(guī)》)和CJJ 166—2011城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范(簡稱《城橋抗規(guī)》)[5]就高烈度區(qū)有軌電車橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行延性抗震設(shè)計分析，為今后類似工程建設(shè)提供參考。

2 工程實例

某雙線有軌電車高架橋位于地震基本烈度8度，動峰值加速度0.30g的高烈度地區(qū)。橋梁全長682.7 m，孔跨布置為17-40 m簡支箱梁，箱梁采用單箱單室截面，梁高2.2 m、箱梁頂面寬8.8 m、底寬4 m，跨中截面布置如圖1所示。箱梁采用C50混凝土，梁重630 t，橋面二期恒載70 kN/m，采用支架現(xiàn)澆法施工。箱梁兩端分別設(shè)置兩固定、兩縱向活動盆式橡膠支座，同時在梁底設(shè)置縱、橫向防落梁擋塊。

橋墩采用獨柱圓端形T墩，墩高H=6 m～12.5 m。墩頂為矩形鋼筋混凝土蓋梁，墩柱順橋向×橫橋向尺寸為2.4 m×2.8 m。主筋配置直徑22 mm的HRB400鋼筋，間距10 cm，全截面配筋率為5.6‰，箍筋配置直徑14 mm的HRB400鋼筋，墩底加密區(qū)箍筋間距10 cm，體積配箍率5.3‰。樁基礎(chǔ)采用4根φ1.25 m樁徑鉆孔灌注柱，按行列式布置樁間距3.2 m。橋墩、樁基礎(chǔ)分別采用C40，C35混凝土，橋墩構(gòu)造圖如圖2所示。

3 計算分析

橋墩墩高6 m～12.5 m，橋墩地震反應(yīng)以一階振型為主，罕遇地震作用下橋墩底形成塑性鉸，可以采用反應(yīng)譜法按照《城橋抗規(guī)》規(guī)定的各種簡化計算公式進(jìn)行延性抗震設(shè)計[6]。對于橋墩延性抗震設(shè)計，在滿足靜力及多遇地震作用的強(qiáng)度與剛度要求下，橋墩截面尺寸及配筋越小對抗震設(shè)計越有利。

因此首先根據(jù)TB 10092—2017鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范(簡稱《鐵橋規(guī)》)分別按照主力、主+附和主+地(多遇地震)[7]工況對墩身強(qiáng)度、剛度以及樁基強(qiáng)度、承載力等進(jìn)行驗算，確定墩身最小截面尺寸和配筋率[8]。然后根據(jù)《城橋抗規(guī)》在罕遇地震作用下，按等效剛度Ieff調(diào)整墩底塑性鉸截面抗彎剛度，通過反應(yīng)譜確定罕遇地震作用下墩底彎矩。若墩底彎矩大于屈服彎矩，墩身進(jìn)入塑性，橋墩按延性設(shè)計。同時計算得出墩底截面的屈服曲率φy和極限曲率φu、塑性鉸長度Lp、容許轉(zhuǎn)角θu、墩頂容許位移Δu以及塑性鉸區(qū)域的超強(qiáng)彎矩Myo。最后按超強(qiáng)彎矩對樁基、支座、橋墩抗剪作為能力保護(hù)構(gòu)件進(jìn)行驗算，并對橋墩變形進(jìn)行驗算[9]。

3.1 模型建立

以墩高H=12.5 m為例，利用Midas Civil有限元軟件建立單墩計算模型，蓋梁、橋墩和承臺按梁單元模擬，樁基礎(chǔ)根據(jù)基礎(chǔ)剛度按一般彈性支承模擬，梁部按集中質(zhì)量模擬，梁體地震作用順橋向位于支座中心，橫橋向位于梁高的1/2處[10]，如圖3所示。有軌電車采用五模塊、三轉(zhuǎn)向架車型，列車縱向荷載如圖4所示，地震作用根據(jù)《鐵抗規(guī)》7.2.3規(guī)定的反應(yīng)譜進(jìn)行計算，橋址Ⅱ類場地，反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。

利用Midas Civil軟件，根據(jù)墩底恒載軸力、截面尺寸及配筋情況，通過彎矩曲率分析,可以得到墩底截面順、橫橋向M—Φ彎矩曲率曲線以及等效剛度Ieff，如表1所示。其中混凝土本構(gòu)關(guān)系采用Kent-Park模型，鋼筋本構(gòu)關(guān)系采用雙折線模型。

表1 墩底塑性鉸截面延性設(shè)計參數(shù)表

3.2 驗算結(jié)果

1)橋墩剛度。

橋墩墩高H=12.5 m，橋墩墩頂K縱=333.3 kN/cm,K橫=357.1 kN/cm，滿足規(guī)范縱向最小剛度320 kN/cm的要求[12]。

2)靜力及多遇地震作用強(qiáng)度驗算。

根據(jù)橋墩受力，墩底所產(chǎn)生的彎矩最大為控制截面。按《鐵橋規(guī)》對橋墩底主力、主+附和主+地工況進(jìn)行壓彎強(qiáng)度驗算，結(jié)果如表2所示。樁基礎(chǔ)作為能力保護(hù)構(gòu)件，靜力及多遇地震作用下不控制樁基的配筋，故僅對樁基豎向承載力進(jìn)行驗算即可。

表2 靜力及多遇地震作用下橋墩強(qiáng)度檢算表

計算結(jié)果表明，靜力及多遇地震作用下橋墩墩底截面尺寸及配筋滿足規(guī)范要求。

4 罕遇地震作用下樁基強(qiáng)度驗算

根據(jù)墩底軸力N以及截面配筋，按照材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值可以得到墩底截面抗彎承載力Mu。按照《城橋規(guī)》6.6條規(guī)定，可以得到塑性鉸區(qū)域截面超強(qiáng)彎矩Myo，以及其所對應(yīng)的剪力值，如表3所示。

根據(jù)表3內(nèi)力對承臺底樁基礎(chǔ)進(jìn)行強(qiáng)度驗算。計算結(jié)果表明，樁基主筋需要配置直徑28 mm的HRB400鋼筋，雙根一束布置間距15 cm，樁基全截面配筋率22‰，滿足強(qiáng)度要求。

表3 橋墩墩底塑性鉸截面超強(qiáng)彎矩內(nèi)力表

5 橋墩抗剪和支座驗算

根據(jù)《城軌橋規(guī)》7.4.2條規(guī)定，需要對墩柱塑性鉸區(qū)域的斜截面抗剪強(qiáng)度進(jìn)行驗算，保證墩柱作為能力保護(hù)構(gòu)件不發(fā)生剪切破壞。按照7.4.2條公式按圓形截面進(jìn)行橋墩抗剪承載力驗算，具體結(jié)果如表4所示。

表4 橋墩墩底塑性鉸區(qū)域水平抗剪強(qiáng)度驗算表

計算結(jié)果表明，在罕遇地震作用下橋墩底塑性鉸區(qū)域滿足截面抗剪強(qiáng)度要求，在地震作用下不會發(fā)生剪切脆性破壞。盆式橡膠支座水平抗剪承載力為2 700 kN，亦滿足水平承載力要求。

6 變形驗算

橋墩作為延性構(gòu)件，根據(jù)《城橋抗規(guī)》第7.3節(jié)規(guī)定，在罕遇地震作用階段需要驗算橋墩的位移能力，利用橋墩底截面的屈服曲率φy和極限曲率φu，根據(jù)相關(guān)公式，可以計算得出橋墩順橋向、橫橋向容許位移，具體結(jié)果如表5所示。

表5 橋墩墩頂位移與容許位移結(jié)果表

計算結(jié)果表明，橋墩在罕遇地震作用下橋墩不倒塌，產(chǎn)生的變形滿足規(guī)范要求。

7 結(jié)語

1)根據(jù)有軌電車功能需求，合理優(yōu)化梁部結(jié)構(gòu)尺寸及橋面附屬設(shè)施，減輕梁體自重和二恒，達(dá)到減少地震作用的目的。

2)優(yōu)化有軌電車軌道結(jié)構(gòu)減少扣件阻力，降低橋墩縱向剛度要求。當(dāng)橋墩剛度不足時，盡量通過調(diào)整樁間距的方式增加橋墩剛度，減少橋墩截面尺寸便于延性抗震設(shè)計。

3)按照《鐵橋規(guī)》和《鐵抗規(guī)》對橋墩主力、主+附和主+地(多遇地震)工況進(jìn)行墩身強(qiáng)度、樁基承載力驗算，確定橋墩截面尺寸和所需鋼筋配置。然后按《城橋規(guī)》對樁基、橋墩抗剪、支座作為能力保護(hù)構(gòu)件，橋墩按延性構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計驗算。

4)高烈度區(qū)采用延性抗震設(shè)計，在罕遇地震作用下橋墩承受水平力較大，尤其是矮橋墩。建議增強(qiáng)梁底各向防震擋塊，并參與受力。設(shè)計發(fā)現(xiàn)當(dāng)墩高小于5 m，樁基的鋼筋配置量非常大,超出規(guī)范最大配筋率要求，宜采用減隔震設(shè)計。