李秀華 曹海靜 王玉玨

（1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都610031；2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，成都610031）

孟加拉國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)非常落后，已經(jīng)嚴(yán)重影響了該國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展。在中國(guó)共建“一帶一路”的倡議下，中孟兩國(guó)在公路、鐵路、水利、電力等多方面開(kāi)展了深入合作，根據(jù)2011—2030年規(guī)劃，孟加拉國(guó)將修建4 500 km鐵路［1］。孟加拉國(guó)的地質(zhì)條件和自然環(huán)境復(fù)雜，且缺乏鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范。因此，本文以孟加拉帕德瑪大橋鐵路連接線項(xiàng)目為依托，通過(guò)合理選用規(guī)范體系，開(kāi)展鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)研究。

1 孟加拉國(guó)地質(zhì)構(gòu)造基本特征

孟加拉國(guó)位于南亞次大陸的東北部，是世界上最大的三角洲，全境約75%的國(guó)土面積是由恒河、布拉馬普特拉河、梅格納河以及許多支流的沖積層、洪積層組成的平原地區(qū)，僅東南部為丘陵和山地。孟加拉國(guó)位于世界最活動(dòng)的大地構(gòu)造區(qū)之一，受印度板塊和西藏、緬甸次板塊的互相碰撞推沖，導(dǎo)致北部和東部地震活動(dòng)頻繁。全國(guó)河流縱橫交織，沼澤多，河水流量充沛，主要災(zāi)害為洪災(zāi)，洪水期持續(xù)3～4個(gè)月［2-3］。

三角洲沉積環(huán)境獨(dú)特，廣泛分布著超深厚的沖積成因地層，主要為淤泥、黏土、粉細(xì)砂、細(xì)砂等軟弱土層。在深厚覆蓋層地區(qū)尤其是軟土地區(qū)開(kāi)展工程建設(shè)，不可避免地會(huì)遇到軟土的低強(qiáng)度、高壓縮性、低承載力、觸變性、蠕變性、軟土震陷等地質(zhì)問(wèn)題。帕德瑪河兩岸均為深厚的第四系河流沖積物（Q4al），以粉質(zhì)砂土層為主；在深度130 m未能揭示到基巖［4-5］。

孟加拉帕德瑪大橋鐵路連接線為連接孟加拉國(guó)東西部鐵路的主要通道，是孟中印緬通道的一部分，該線路為單線客貨共線鐵路［6］。線路始于既有達(dá)卡中心車站，經(jīng)過(guò)馬瓦、跨帕德瑪大橋抵達(dá)邦嘎樞紐，與福里德布爾—邦嘎鐵路相連，再經(jīng)卡西亞尼樞紐與馬杜克哈里—卡西亞尼鐵路相連，最終到達(dá)杰索爾與西南部鐵路干線網(wǎng)相連，新建鐵路全長(zhǎng)168.8 km［7］。孟加拉帕德瑪大橋鐵路連接線區(qū)域的主要不良地質(zhì)為砂土液化，特殊巖土為人工填土、軟土及軟黏土。

2 孟加拉國(guó)抗震規(guī)范研究

2.1 地震區(qū)劃

孟加拉國(guó)規(guī)范沿用了美國(guó)抗震的理念，與印度規(guī)范類似，以50年超越概率2%的最大考慮地震（Maximum Considered Earthquake，MCE）作為編圖基準(zhǔn)，將MCE乘以2/3得到設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震（Design Basis Earthquake，DBE）。為保證全國(guó)具有統(tǒng)一的抗倒塌水準(zhǔn)，依據(jù)MCE把全國(guó)分成4個(gè)區(qū)（圖1）。地震作用計(jì)算時(shí)以DBE為基礎(chǔ)，并考慮場(chǎng)地類別、重要性系數(shù)、結(jié)構(gòu)延性等因素加以修正［8］。區(qū)域系數(shù)Z見(jiàn)表1。帕德瑪大橋鐵路連接線主要穿越范圍為Z=0.20和Z=0.12的2個(gè)區(qū)域。

2.2 場(chǎng)地類別與設(shè)計(jì)地震反應(yīng)譜

孟加拉國(guó)規(guī)范以場(chǎng)地土平均剪切波速、平均標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)和不排水抗剪強(qiáng)度來(lái)綜合確定場(chǎng)地類別，分為SA，SB，SC，SD，SE，S1和S27類場(chǎng)地，見(jiàn)表2。帕德瑪大橋鐵路連接線場(chǎng)地類型主要為SD類。

圖1 孟加拉國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖

表1 孟加拉國(guó)地震分區(qū)及區(qū)域系數(shù)

表2 孟加拉國(guó)場(chǎng)地類別劃分

孟加拉國(guó)規(guī)范的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜形狀與中國(guó)規(guī)范接近，只是參數(shù)有所區(qū)別。決定反應(yīng)譜取值的因素主要包括區(qū)域地震動(dòng)水平、結(jié)構(gòu)重要性、結(jié)構(gòu)類型、阻尼比以及場(chǎng)地類別。

孟加拉國(guó)設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜函數(shù)Sa表達(dá)式為

式中：I為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；R為結(jié)構(gòu)響應(yīng)折減系數(shù)，與結(jié)構(gòu)延性有關(guān)；Cs為標(biāo)準(zhǔn)加速度反應(yīng)譜，計(jì)算式為

式中：S為場(chǎng)地系數(shù)；TB，TC，TD均為由場(chǎng)地土決定的常數(shù)（表3）；T為結(jié)構(gòu)自振周期，s；η為阻尼修正系數(shù)，當(dāng)阻尼比ξ為5%時(shí)η=1，阻尼比為其他值時(shí)，η=。

表3 場(chǎng)地類別對(duì)應(yīng)參數(shù)

孟加拉國(guó)規(guī)范不同場(chǎng)地類別下設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜見(jiàn)圖2?？芍?，隨著場(chǎng)地土的密實(shí)度、堅(jiān)硬程度的下降，Cs呈上升趨勢(shì)（SC類除外），其中SE類場(chǎng)地土Cs峰值最高，SD類場(chǎng)地土Cs峰值平臺(tái)段最長(zhǎng)。所有場(chǎng)地類別峰值平臺(tái)段周期均介于0.15～0.80 s。

我的喪事辦得很潦草。我沒(méi)有一個(gè)親人，所以，我的尸骨就沒(méi)有哪個(gè)愿意前來(lái)認(rèn)領(lǐng)。后來(lái)還是小六子母子為我買了一口雜木棺材，找來(lái)了幾個(gè)平素要好的工友，把我埋在了西山一個(gè)雜草叢生異常僻靜的溝壕里。

圖2 孟加拉國(guó)規(guī)范不同場(chǎng)地類別下設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜

關(guān)于I和R，孟加拉國(guó)規(guī)范中只有建筑結(jié)構(gòu)的取值，而橋梁結(jié)構(gòu)無(wú)相關(guān)規(guī)定。因此，建議參考與孟加拉國(guó)規(guī)范相近的印度橋梁規(guī)范進(jìn)行取值［9］，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)I見(jiàn)表4，結(jié)構(gòu)響應(yīng)折減系數(shù)R見(jiàn)表5。由于孟加拉國(guó)規(guī)范要求I/R≤1，可參考表中取值，但應(yīng)限制I/R≤1。

表4 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)

表5 結(jié)構(gòu)響應(yīng)折減系數(shù)R

2.3 地震力組合

孟加拉國(guó)規(guī)范依據(jù)重要性程度、區(qū)域系數(shù)和場(chǎng)地類別將結(jié)構(gòu)分為B，C，D 3類。對(duì)于B類結(jié)構(gòu)，允許以2個(gè)正交方向單獨(dú)作用地震力，并且可忽略其正交組合作用的影響。對(duì)于C，D類結(jié)構(gòu)，應(yīng)在對(duì)于B類結(jié)構(gòu)要求的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮一個(gè)主要方向100%地震力與其正交方向30%的地震力作用進(jìn)行組合，并考慮其最不利情況組合。對(duì)于鐵路橋梁，可認(rèn)為是生命線工程，因此建議按照C，D類結(jié)構(gòu)相同標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)。

3 孟加拉鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)

對(duì)于風(fēng)荷載、地震荷載等與結(jié)構(gòu)所在地區(qū)的自然條件息息相關(guān)的荷載只能采用當(dāng)?shù)匾?guī)范，但孟加拉國(guó)建筑規(guī)范僅適用于建筑結(jié)構(gòu)，對(duì)于鐵路橋梁缺乏相應(yīng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)系數(shù)、結(jié)構(gòu)驗(yàn)算等規(guī)定，孟加拉國(guó)沒(méi)有鐵路和橋梁的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，無(wú)法完成鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)和驗(yàn)算，因此只能用世界范圍內(nèi)成熟的橋梁抗震規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)?？紤]到中國(guó)設(shè)計(jì)人員更熟悉中國(guó)規(guī)范，因此以孟加拉國(guó)建筑抗震規(guī)范劃定的地區(qū)地震動(dòng)水平和場(chǎng)地類別作為輸入條件，參考相近體系印度規(guī)范的參數(shù)取值和中國(guó)成熟的橋梁抗震規(guī)范體系（JTGT B02-01—2008《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》、GB 50111—2006《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、CJJ 166—2011《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》等）進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)算，以保證橋梁工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

3.1 設(shè)計(jì)加速度時(shí)程

正確選擇地震加速度時(shí)程曲線，要滿足地震動(dòng)三要素的要求，即頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間。地震動(dòng)幅值包括加速度、速度和位移的峰值、最大值或某種意義上的有效值。因?yàn)榈孛娣逯导铀俣龋℅round Peak Acceleration，GPA）并非描述地震動(dòng)的最理想?yún)?shù)，由高頻成分所組成的個(gè)別尖銳峰值對(duì)結(jié)構(gòu)的影響并不明顯［10］，因此采用有效峰值加速度（Effective Peak Acceleration，EPA）。有效峰值加速度的定義是阻尼比為5%的加速度反應(yīng)譜高頻段的平均值除以放大系數(shù)β。美國(guó)抗震設(shè)計(jì)樣板規(guī)范ATC3-06定義5%阻尼比的加速度反應(yīng)譜高頻段（0.1～0.5 s）的平均值除以2.5為EPA；中國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范定義EPA為阻尼比為5%的加速度反應(yīng)譜相應(yīng)平臺(tái)段的加速度反應(yīng)譜平均值除以放大系數(shù)（約2.25）［11］。根據(jù)孟加拉國(guó)反應(yīng)譜函數(shù)特點(diǎn)，取阻尼比為5%的加速度反應(yīng)譜相應(yīng)平臺(tái)段的加速度反應(yīng)譜平均值除以放大系數(shù)2.5。因此，EPA取決于結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)I、橋址處的區(qū)域系數(shù)Z、結(jié)構(gòu)響應(yīng)折減系數(shù)R、場(chǎng)地系數(shù)S和結(jié)構(gòu)阻尼比ξ，在確定場(chǎng)地后可以通過(guò)查閱區(qū)劃圖和相關(guān)取值表后計(jì)算得到EPA，按式（3）計(jì)算。

對(duì)于頻譜特性和持續(xù)時(shí)間，可按照孟加拉國(guó)設(shè)計(jì)地震反應(yīng)譜，通過(guò)反應(yīng)譜與功率譜的近似關(guān)系式，求出相應(yīng)的功率譜再合成人工地震波［12］，人工地震波應(yīng)保證有效持時(shí)并考慮場(chǎng)地類別的影響。帕德瑪大橋鐵路連接線擬合的地震波曲線（圖3）可直接導(dǎo)入有限元分析軟件進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，解決了國(guó)內(nèi)有限元軟件不包含孟加拉國(guó)反應(yīng)譜的問(wèn)題。

圖3 帕德瑪大橋鐵路連接線某橋設(shè)計(jì)地震波

3.2 抗震計(jì)算和驗(yàn)算

帕德瑪大橋鐵路連接線項(xiàng)目橋梁類型包括鋼板梁、鋼桁梁和混凝土箱梁的簡(jiǎn)支梁橋，對(duì)應(yīng)的橋墩類型有雙柱墩、圓端形墩和矩形墩，特殊情況下還有門式墩?？紤]橋墩類型、經(jīng)濟(jì)性等因素，采用能力保護(hù)設(shè)計(jì)思想進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

1）孟加拉國(guó)三角洲地層具有天然含水量較大、空隙比大、高液限、含有機(jī)質(zhì)、壓縮性較高、承載力極低、滲透性差等特點(diǎn)，主要存在地基沉降變形量大、不均勻沉降等問(wèn)題。地震活動(dòng)較為強(qiáng)烈，地基土易發(fā)生液化和震陷。

2）對(duì)于風(fēng)荷載、地震荷載等與結(jié)構(gòu)所在地區(qū)的自然條件相關(guān)的荷載應(yīng)采用當(dāng)?shù)匾?guī)范，但孟加拉國(guó)建筑規(guī)范僅適用于建筑結(jié)構(gòu)，難以保證設(shè)計(jì)的安全和合理性。因此，將孟加拉國(guó)的地震動(dòng)烈度水平和場(chǎng)地類別作為輸入條件，參考印度規(guī)范取值并采用中國(guó)抗震規(guī)范體系進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)算，從而保證橋梁工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

3）地面峰值加速度GPA并非描述地震動(dòng)的最理想?yún)?shù)，因此采用有效峰值加速度EPA作為描述地震動(dòng)水準(zhǔn)指標(biāo)。設(shè)計(jì)采用阻尼比為5%的加速度反應(yīng)譜高頻段的平均值除以放大系數(shù)2.5計(jì)算得出EPA，按照孟加拉國(guó)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜擬合地震波，以綜合反映頻譜特性和場(chǎng)地的影響。

4）我國(guó)GB 50111—2006《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》采用經(jīng)典的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，未在不同性質(zhì)的構(gòu)件之間形成適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度安全等級(jí)級(jí)差?？紤]到本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的橋墩剛度相比國(guó)內(nèi)偏小，結(jié)合橋墩類型和構(gòu)造特點(diǎn)，采用能力保護(hù)設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)抗震設(shè)計(jì)，保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全和經(jīng)濟(jì)性。