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）

孟加拉國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)非常落后，已經(jīng)嚴(yán)重影響了該國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展。在中國共建“一帶一路”的倡議下，中孟兩國在公路、鐵路、水利、電力等多方面開展了深入合作，根據(jù)2011—2030年規(guī)劃，孟加拉國將修建4 500 km鐵路［1］。孟加拉國的地質(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，通過合理選用規(guī)范體系，開展鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)研究。

1 孟加拉國地質(zhì)構(gòu)造基本特征

孟加拉國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。孟加拉國位于世界最活動的大地構(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頻繁。全國河流縱橫交織，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)開展工程建設(shè)，不可避免地會遇到軟土的低強(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 孟加拉國抗震規(guī)范研究

2.1 地震區(qū)劃

孟加拉國規(guī)范沿用了美國抗震的理念，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）。為保證全國具有統(tǒng)一的抗倒塌水準(zhǔn)，依據(jù)MCE把全國分成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 場地類別與設(shè)計(jì)地震反應(yīng)譜

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

圖1 孟加拉國地震動參數(shù)區(qū)劃圖

表1 孟加拉國地震分區(qū)及區(qū)域系數(shù)

表2 孟加拉國場地類別劃分

孟加拉國規(guī)范的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜形狀與中國規(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)域地震動水平、結(jié)構(gòu)重要性、結(jié)構(gòu)類型、阻尼比以及場地類別。

孟加拉國設(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為場地系數(shù)；TB，TC，TD均為由場地土決定的常數(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 場地類別對應(yīng)參數(shù)

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

我的喪事辦得很潦草。我沒有一個(gè)親人，所以，我的尸骨就沒有哪個(gè)愿意前來認(rèn)領(lǐng)。后來還是小六子母子為我買了一口雜木棺材，找來了幾個(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 孟加拉國規(guī)范不同場地類別下設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜

關(guān)于I和R，孟加拉國規(guī)范中只有建筑結(jié)構(gòu)的取值，而橋梁結(jié)構(gòu)無相關(guān)規(guī)定。因此，建議參考與孟加拉國規(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見表4，結(jié)構(gòu)響應(yīng)折減系數(shù)R見表5。由于孟加拉國規(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

孟加拉國規(guī)范依據(jù)重要性程度、區(qū)域系數(shù)和場地類別將結(jié)構(gòu)分為B，C，D 3類。對于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。對于C，D類結(jié)構(gòu)，應(yīng)在對于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，但孟加拉國建筑規(guī)范僅適用于建筑結(jié)構(gòu)，對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，孟加拉國沒有鐵路和橋梁的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，無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]到中國設(shè)計(jì)人員更熟悉中國規(guī)范，因此以孟加拉國建筑抗震規(guī)范劃定的地區(qū)地震動水平和場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）并非描述地震動的最理想?yún)?shù)，由高頻成分所組成的個(gè)別尖銳峰值對結(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、場地系數(shù)S和結(jié)構(gòu)阻尼比ξ，在確定場地后可以通過查閱區(qū)劃圖和相關(guān)取值表后計(jì)算得到EPA，按式（3）計(jì)算。

對于頻譜特性和持續(xù)時(shí)間，可按照孟加拉國設(shè)計(jì)地震反應(yīng)譜，通過反應(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)，解決了國內(nèi)有限元軟件不包含孟加拉國反應(yīng)譜的問題。

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支梁橋，對應(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、不均勻沉降等問題。地震活動較為強(qiáng)烈，地基土易發(fā)生液化和震陷。

2）對于風(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，將孟加拉國的地震動烈度水平和場地類別作為輸入條件，參考印度規(guī)范取值并采用中國抗震規(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，按照孟加拉國設(shè)計(jì)反應(yīng)譜擬合地震波，以綜合反映頻譜特性和場地的影響。

4）我國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)度安全等級級差。考慮到本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的橋墩剛度相比國內(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。