城市轨道交通桥梁抗震设计与研究

韩振

摘要 城轨桥梁的抗震设计，能直接影响整体结构的抗震性能。为在城轨桥梁工程中，不断优化桥梁的抗震性能。文章依据城轨桥梁及城市桥梁相关抗震设计的要求，分析当下桥梁抗震设计的不足。为提高城轨桥梁使用的安全性，工程设计人员必须在设计中明确桥梁抗震设计的思路，以全面保证工程设计的合理化。

关键词 城轨桥梁;抗震设计;设计优化

中图分类号 TU71 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）03-0153-03

0 引言

在城轨桥梁工程的抗震设计中，工程设计人员必须制定抗震设计框架方案，保证设计工作的合理性和可行性。并按照工程抗震相關规定，严格遵循“小震完好、中震可修、大震不倒”的原则进行结构设计，使城轨桥梁始终保持安全运行状况。

1 城轨桥梁抗震设计思路

城轨桥梁抗震设计，需要对结构振动能量进行全面的优化设计，将桥梁结构设计中的地震效应控制在规定范围内。在遇到地震过程中，其结构基本可以实现合理缓冲能量波动。在此基础上产生的动能加以相互抵消，避免塑性变形导致结构的破坏。由于地震的发生存在不确定性，以及设计模型与实际相差很大。在桥梁工程设计中，要以功能要求为出发点，以静力分析来确定具体的设计参数，充分考虑抗震特性，选择抗震系统。在设计中，应重视上部与下部结构的重要连接，加强桥梁支座的合理选择，确保设计的合理性。为使轨道交通桥梁工程设计具有良好的抗震效果，应进行动力分析和地震评估等，并对薄弱部位进行分析[1]。对城轨桥梁进行抗震设计分析，确定是否使用相关的加固措施，来改善其抗震特性。设计工作完成后，根据分析结果对城轨桥梁整体抗震效率进行评估，确定是否要修改相关抗震设计方案。

综上所述，桥梁结构抗震设计包括抗震概念设计、抗震计算和抗震结构措施。其中，抗震概念设计从概念上进行，工程决策从总体结构考虑;抗震计算主要包括地震反应计算、强度验证计算和支撑变形验证计算。抗震结构的设计和措施应从结构措施方面考虑。

2 关于城轨桥梁工程抗震概念设计的思考

2.1 抗震设防标准及计算方法的确定

随着地震对结构破坏的不断增多，人们对抗震特性和地震动力学、破坏机制加强了不断地研究和探索，同时提高了认识。由于经济原因，社会对结构在不同级别地震下的预期性能有不同的具体要求。从最初的一级加固设计，到抗震设计和方法的发展，逐渐向二、三级设计演变。加强了多层次强化和多目标维度的抗震设计等[2]。结合近年来设计及在建城轨高架的抗震设计论证报告框架（如表1所示），不难发现设计速度120 km/h以下，抗震设计以铁路标准及城轨标准为依据;设计速度120 km/h以上突破了城轨桥梁设计速度要求，目前各大设计院均以铁路标准为依据，其余标准为补充。随着《市域（郊）铁路设计规范》的发布，城轨桥梁基础向着尺寸更小、结构更轻薄进一步发展，根据城市桥梁抗震标准对基础能力保护的验算也变得越发重要了。

2.2 控制工程参数和指标的选取

一般情况下，城轨桥梁设计中，其刚度、强度和延性对结构抗震性能有重要影响。因此，工程设计人员在设计时，必须考虑各指标的应用情况，严格执行相关标准工作，避免因工程设计强度不合理或延性不足，引起结构抗震性能的缺陷。

在刚度设计中，要准确分析结构在地震力作用下变化状态，控制好变形量并做好估算，同时进行科学比较负载对比。根据数据值对结构变形分析，以确保结构强度符合抗震标准的要求，避免在地震中发生结构位移问题。在校核结构相关强度指标时，应进行全面的验证分析，明确不同强度下结构工程性能，确保有效提高结构的弹性反应性能。延性指标设计应根据抗震设计要求，分析桥梁结构在地震过程中的特性，明确地震发生时的变形过程，以满足城轨桥梁初始强度要求。通过有效的延展性设计，防止桥梁发生倒塌，降低损坏程度。按照相关规范，要加强极端和罕见地震下桥梁的延展性，提升其抗震性能[3]。

（1）根据《城市轨道交通抗震设计规范》要求，对结构构件和支座的抗震性能构件按照震后无需修复、可修复的损伤、更新换构件划分为1～3三个等级，而支座根据考虑是否更换划分为1～2两个等级。它们与结构抗震关系应满足如表2所示要求。

（2）按《铁路工程抗震设计》的相关要求（如表3所示），根据地震频发校核支柱、基础、偏心度和稳定性的结构连接强度，根据设计地震进行结构连接强度校核;根据罕见地震检查支柱的延性并进行最大位移分析。

（3）为实现墩柱的延性性能，在发生塑性变形时，按超强弯矩及其对应的剪力检算桩基础、盖梁、结点、支座、墩柱强度承载力。根据《城市轨道交通桥梁设计规范》对设防烈度为6度地区的A类桥梁、设防烈度为7 度及以上的A、B类桥梁，其基础、结点和支座应作为保护构件，对于墩柱的抗剪宜按保护原则进行有效地设计。

3 城轨桥梁抗震计算流程

3.1 城轨桥梁抗震设计的相关原则

进行城轨桥梁抗震设计，应遵循相关原则，不断完善体系设计，提高桥梁抗震性能。桥梁动力计算模型必须准确反映上部结构、下部结构、基础强度和阻尼特性[4]。分析直线地震反应时，考虑沿桥梁方向和交叉口水平方向的运动;在分析地震效应时，建议遵循以下几点：对于连接线的方向和相邻轴竖向连接。多向地震输入线性以确定地震输入有利方向。在线性时程分析时，柱必须接受能够指示动态弹塑性运动的元素;接受地基计算模型考虑土体与堆积物作用，使用等代土弹簧进行必要的模拟，刚度采用M法。

3.2 抗震模型设计

以无锡-宜兴轨道交通工程单支双线标准简支桥跨为例，有限元软件Midas Civil建立了35 m单支座空间有限元模型进行抗震分析。考虑相邻边界条件的影响，建立3跨简支梁模型模拟边界条件（如图1所示）。立柱主梁采用空间梁单元，采用弹簧刚度矩阵模拟平台底座。对于第二阶段，恒载和梁用作承载元件。列类型包括A型墩（列高12 m，即沿列的平均高度）和D型墩（列高23 m，即全线的最大墩高）。

3.3 抗震反应分析

（1）多遇地震工况。在多遇地震作用下，对于城市轨道交通桥梁桩基截面混凝土最大应力小于容许应力，桩基处于弹性阶段，地震后可以保持其正常功能。

（2）设计地震工况。设计地震作用输入时，支座抗剪承载力、抗拉承载力均满足地震响应需求，保证上下部结构可靠连接。

（3）罕遇地震工况。在罕遇地震作用下，桥梁工程结构未进入塑性时，墩柱剪力设计值和支座设计值按罕遇地震计算;必须验证抗震抗剪强度，设计弯矩和剪力，取弯矩和剪力的值。

在罕见地震情况下，《铁路工程抗震设计》要求弹塑性桥墩的非线性位移小于4.8，但没有对桩基提出具体要求。根据保护原理设计桩基时，应小于桩基要求的等效屈服弯矩。等效屈服弯矩可以根据截面M-φ进行分析，截面M-φ的曲线等效于双线性，如图2所示。

在罕遇地震下，桥墩未进入塑性范围，基础的内力设计值需要按罕遇地震计算结果，对于已屈服的桩基础，按照保护方法进行抗震验算。

4 抗震构造设计

为使区间结构在不同地震动水准作用下达到满足规范的性能要求，除满足以上抗震计算和设计及规范要求的配筋构造要求外，在实际工程中常采用减隔震装置。以常见的波浪形弹塑性钢阻尼支座为例，其支座性能应满足如下要求：

4.1 正常工作状态下

安全销调整及限位滑动装置可有效实现正常工作状态。为了传递桥梁的水平力和支架因制动力、收缩和滑动等载荷而产生的有规律的主动位移，支架处于弹性工作状态，阻尼装置不工作。

4.2 设计地震作用下

支座在弹性作用下处于相对弹性状态。移动支柱可正常分担水平荷载。移动支架的弹塑钢减震器工作，同时可以弹性变形，起到隔震效果。

4.3 罕遇地震作用下

在罕见地震中，支架处于相对弹性状态，剪力销被切断，波形弹塑性钢阻尼器工作，处于弹塑性阶段。地震能量通过变形消散，移动柱可以与其他柱一起工作，减震的基本功能是实现整个桥梁结构的抗震协调。

5 结束语

综上所述，城轨桥梁抗震是城轨桥梁设计的重中之重，将严重影响其安全和正常使用，甚至存在倒塌和人员伤亡的风险。因此，工程设计人员在进行城轨桥梁设计过程中，必须应以抗震性能設计为重点，全面优化设计方案，提高桥梁结构的抗震强度，防止地震造成的破坏性结构问题，满足城轨桥梁安全标准和要求。

参考文献

[1]蒋韩华.城轨桥梁抗震设计思路分析[J].江苏科技信息，2021（31）：39-41.

[2]马华军.铁路桩基础桥墩墩底摇摆隔震机制及抗震设计方法研究[J].岩石力学与工程学报，2021（8）：1727.

[3]胡松松，王毅娟，王健.城市轨道交通桥梁墩柱延性抗震设计方法[J].北京建筑大学学报，2015（1）：47-51.

[4]郑一峰，陈鑫.城市轨道桥梁桩基抗震简化模型的比较研究[J].震灾防御技术，2018（1）：23-40.