中美鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)對(duì)比研究

馮國軍

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

橋梁結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算理論經(jīng)歷了靜力法、反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法3個(gè)階段，在實(shí)際橋梁抗震設(shè)計(jì)中均得到了應(yīng)用。本文對(duì)中美兩國鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行介紹和比較，選取具有代表性的簡支梁橋，分別按中美兩國鐵路抗震規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，探究兩國抗震規(guī)范的差異，以期對(duì)國際項(xiàng)目的橋梁抗震設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 橋梁抗震設(shè)計(jì)的基本思想和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本思想和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是抗震設(shè)計(jì)的最重要之處，它決定了抗震設(shè)計(jì)要達(dá)到的目標(biāo)、采用的設(shè)計(jì)地震動(dòng)水平和地震反應(yīng)的計(jì)算方法。目前橋梁的抗震設(shè)計(jì)方法主要有基于強(qiáng)度和基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法。美國《AREMA》以及我國的《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50111—2006)都是采用基于強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法，《AASHTO—GUID SPECIFICATION FOR LRFD SEISMIC DESIGN》采用基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法。中美兩國鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)基本思想對(duì)比見表1。

可見，中美兩國鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的基本思想和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則在用詞上雖有所不同，但其思想是基本一致的，均可歸納為功能設(shè)計(jì)地震和安全設(shè)計(jì)地震。功能設(shè)計(jì)地震具有較大的發(fā)生概率，安全設(shè)計(jì)地震具有很小的發(fā)生概率;在功能設(shè)計(jì)地震作用下，橋梁結(jié)構(gòu)只允許發(fā)生十分輕微的破壞，不影響正常的交通，不經(jīng)修復(fù)即可繼續(xù)使用;在安全設(shè)計(jì)地震的作用下，允許橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的破壞，但不允許發(fā)生整體破壞。雖然中美鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)的基本思想一致，但實(shí)現(xiàn)方法確有著顯著的不同，美國鐵路抗震規(guī)范采用能力設(shè)計(jì)方法來保證“大震不倒”;我國鐵路規(guī)范則采用經(jīng)典的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，沒有考慮在不同性質(zhì)的構(gòu)件之間形成適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度安全等級(jí)級(jí)差［1-6]。

表1 中美兩國鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)基本思想對(duì)比

2 地震動(dòng)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 地震重現(xiàn)期

工程抗震設(shè)防首先要進(jìn)行地震危險(xiǎn)性分析，合理估計(jì)不同地區(qū)可能遭受的地震破壞作用，也就是說，首先要確定不同地區(qū)遭遇一定超越概率的地震動(dòng)參數(shù)，以此作為抗震設(shè)防的依據(jù)。

我國《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50111—2006)中多遇地震:50年超越概率為63%，重現(xiàn)期為50年;設(shè)計(jì)地震:50年超越概率為10%，重現(xiàn)期為475年;罕遇地震:50年超越概率為2%～3%，重現(xiàn)期為2475 年［3，8]。

美國《AREMA》給出了100年、475年及2400年重現(xiàn)期的基本加速度圖。除上述提到的重現(xiàn)周期外，其他重現(xiàn)周期的場地加速系數(shù)按規(guī)范給定公式進(jìn)行計(jì)算。中美兩國地震動(dòng)參數(shù)對(duì)比見表2。

《AREMA》抗震篇規(guī)定的Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)地震分別與我國鐵路抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中的多遇、設(shè)計(jì)、罕遇地震相對(duì)應(yīng)，僅在具體采用的重現(xiàn)期上稍有不同。《AREMA》抗震篇所采用的I級(jí)地震的重現(xiàn)期大于我國鐵路抗震規(guī)范所采用的數(shù)值;Ⅱ、Ⅲ級(jí)地震的重現(xiàn)期略低于我國鐵路抗震規(guī)范所采用的數(shù)值。

表2 中美兩國地震動(dòng)參數(shù)對(duì)比

2.2 場地分類

場地條件對(duì)工程抗震性能有很大影響，我國鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范根據(jù)場地計(jì)算深度內(nèi)土層等效剪切波速把場地土劃分為4類，劃分類型見表3。

表3 中國鐵路抗震規(guī)范場地土類型劃分

美國鐵路抗震設(shè)計(jì)規(guī)范根據(jù)土層厚度和剪切波速對(duì)場地進(jìn)行分類，場地類型劃分見表4。

中美兩國鐵路抗震規(guī)范均把場地土劃分為4類，劃分標(biāo)準(zhǔn)基本相當(dāng)。

3 地震動(dòng)反應(yīng)分析方法

我國《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50111—2006)規(guī)定:多遇地震作用下，橋墩抗震計(jì)算可采用反應(yīng)譜法。對(duì)B類橋梁或采用減震裝置的橋梁，宜按反應(yīng)譜法計(jì)算，或選用符合抗震設(shè)計(jì)要求的地震波，采用時(shí)程反應(yīng)分析法進(jìn)行分析。在罕遇地震作用下，應(yīng)采用非線性時(shí)程反應(yīng)分析法，對(duì)鋼筋混凝土橋墩可按簡化方法進(jìn)行延性驗(yàn)算。

表4 美國鐵路抗震規(guī)范場地土類型及場地系數(shù)

美國鐵路抗震設(shè)計(jì)規(guī)范采用基于彈性分析的方法確定I級(jí)地震動(dòng)下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，通過合理的結(jié)構(gòu)布局、構(gòu)造細(xì)節(jié)及墩柱塑性鉸的設(shè)計(jì)來滿足II、III級(jí)地震動(dòng)性能標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)力應(yīng)為該等級(jí)下的地震力與各構(gòu)件所能傳遞的最大力的較小者。I級(jí)地震動(dòng)下橋梁結(jié)構(gòu)采用的分析方法見表5。

表5 美國鐵路抗震分析方法

4 基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)

我國《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50111—2006)采用多遇地震作用下的彈性地震力作為橋墩和基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)地震力。美國鐵路抗震設(shè)計(jì)規(guī)范采用I級(jí)地震作用下的彈性地震力作為墩柱的設(shè)計(jì)地震力。基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)地震力采用橋墩塑性彎矩的1.3倍或III級(jí)地震作用下地震力的較小者，把基礎(chǔ)作為能力保護(hù)構(gòu)件，注重基礎(chǔ)的地震安全性。對(duì)于脆性構(gòu)件或不希望出現(xiàn)塑性變形的構(gòu)件，確保其強(qiáng)度安全等級(jí)高于包含塑性鉸的構(gòu)件。這樣，不論可能出現(xiàn)的地震動(dòng)強(qiáng)度有多大，這些構(gòu)件都因其“能力”高于包含塑性鉸的構(gòu)件而始終處于彈性狀態(tài)［1，3，11]。

5 鐵路混凝土簡支梁抗震設(shè)計(jì)對(duì)比分析

以位于9度地震區(qū)的某雙線鐵路24 m混凝土簡支T梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)鋼筋混凝土橋墩、樁基礎(chǔ)分別采用中國和美國鐵路規(guī)范(AREMA)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。多遇地震下我國鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)方法不再贅述，對(duì)美國鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)步驟簡述如下:首先根據(jù)《AREMA》確定結(jié)構(gòu)重要性分級(jí)并確定抗震設(shè)計(jì)所采用的重現(xiàn)期及相應(yīng)的地震動(dòng)加速度;其次根據(jù)《AREMA》規(guī)定公式計(jì)算地震響應(yīng)系數(shù)，得到橋墩設(shè)計(jì)地震力，進(jìn)行橋墩配筋設(shè)計(jì);最后應(yīng)用能力設(shè)計(jì)方法對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要地震動(dòng)參數(shù)及抗震設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比見表6。

表6 設(shè)計(jì)地震加速度、重現(xiàn)期對(duì)比

多遇地震(Ⅰ級(jí)地震)下結(jié)構(gòu)處于彈性工作階段，對(duì)于常規(guī)簡支梁橋，中美兩國鐵路抗震分析均可采用簡化辦法或反應(yīng)譜方法。計(jì)算水平地震力時(shí)，《AREMA》抗震篇根據(jù)客貨運(yùn)量、橋高、橋長、是否存在繞行線路以及修復(fù)難度等對(duì)設(shè)計(jì)采用的地震重現(xiàn)期進(jìn)行修正。對(duì)于本橋，經(jīng)修正后的I級(jí)地震重現(xiàn)期為95年，對(duì)應(yīng)的水平地震加速度為0.195g。而中國《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》采用的多遇地震的重現(xiàn)期為50年，對(duì)應(yīng)的水平加速度為0.14g，這是引起水平地震力差別較大的重要因素。

多遇地震(Ⅰ級(jí)地震)下的地震力對(duì)比結(jié)果見圖1;分別應(yīng)用兩國規(guī)范規(guī)定的抗震計(jì)算方法對(duì)橋墩及樁基礎(chǔ)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，主要計(jì)算結(jié)果見圖2、圖3。

圖1 水平地震力比值

圖2 樁身截面配筋

圖3 截面配筋比值

根據(jù)抗震分析結(jié)果，對(duì)于墩底地震力，《AREMA》計(jì)算結(jié)果約為《中國鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算結(jié)果的1.35～1.52倍。進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算時(shí)，《AREMA》采用極限狀態(tài)法，《中國鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》采用容許應(yīng)力法。由于采用的結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算辦法的差異且我國規(guī)范須滿足非線性位移延性比的要求，使得墩底配筋結(jié)果較為接近，二者比值在0.92～1.07。

我國《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》采用多遇地震作用下的彈性地震力作為橋墩和基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)地震力，美國鐵路抗震設(shè)計(jì)規(guī)范采用橋墩塑性彎矩的1.3倍或3級(jí)地震(罕遇地震)作用下地震力的較小者，采用《AREMA》抗震篇計(jì)算的基礎(chǔ)地震力與我國《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》所計(jì)算的基礎(chǔ)地震力的比值大概在2.1～2.65。《AREMA》抗震篇引入了“能力設(shè)計(jì)方法”，把基礎(chǔ)作為能力保護(hù)構(gòu)件，確保其強(qiáng)度安全等級(jí)高于橋墩，這是《AREMA》抗震篇樁基配筋遠(yuǎn)大于我國的主要原因。另外，由于把基礎(chǔ)作為“能力保護(hù)構(gòu)件”，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)地震力與墩高關(guān)系不大，僅與墩柱的截面尺寸及配筋有關(guān)，也即與橋墩的塑性能力有關(guān);我國《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》采用多遇地震作用下的彈性地震力作為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)地震力，該力與墩高緊密相關(guān)，樁基配筋與墩高亦緊密相關(guān);這一點(diǎn)在圖2“樁身截面配筋”中有較明顯的體現(xiàn)。

6 結(jié)語

本文對(duì)我國《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》以及《AREMA》抗震篇進(jìn)行了對(duì)比分析，并按照兩種規(guī)范分別對(duì)位于直線上的某雙線鐵路簡支橋梁進(jìn)行了抗震設(shè)計(jì)研究，得出以下結(jié)論。

(1)地震動(dòng)作用:對(duì)于水平地震力，《AREMA》計(jì)算結(jié)果較大，約為中國《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算結(jié)果的1.35～1.52倍。地震力的組合，我國《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》分別考慮縱向和橫向的地震力作用，不考慮他們相互組合，《AREMA》考慮一個(gè)主方向上的地震力與另一主方向地震力30%的組合。根據(jù)《AREMA》抗震篇計(jì)算的地震動(dòng)作用大于我國《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，但進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算時(shí)，《AREMA》采用極限狀態(tài)法，中國《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》采用容許應(yīng)力法，結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算辦法的差異使得最終墩底配筋結(jié)果相當(dāng)。極限狀態(tài)法比較全面地考慮了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不同工作狀態(tài)，采用分項(xiàng)系數(shù)分別考慮荷載、材料及結(jié)構(gòu)構(gòu)件工作條件等方面的隨機(jī)因素的影響，更適合于地震動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)。

(2)《AREMA》及我國的《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》都是采用基于強(qiáng)度的抗震設(shè)計(jì)方法，抗震設(shè)計(jì)基本思想及抗震設(shè)防目標(biāo)亦基本一致，但實(shí)現(xiàn)“三階段設(shè)防”的具體做法不同。《AREMA》應(yīng)用了能力設(shè)計(jì)原理，非彈性變形被限制在預(yù)期出現(xiàn)塑性鉸的橋墩上。基礎(chǔ)因受到能力保護(hù)，其反應(yīng)被限制在彈性范圍內(nèi)，大大地簡化了設(shè)計(jì)過程。對(duì)預(yù)期出現(xiàn)塑性鉸的橋墩，可以通過抗震構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，使自身和結(jié)構(gòu)整體的延性有充分的保證。盡管這些構(gòu)件局部造價(jià)有所提高，但結(jié)構(gòu)整體因設(shè)計(jì)地震力水平大大降低而使總體造價(jià)下降，實(shí)際上是經(jīng)濟(jì)合理的。從歷次大地震震害可以看出，基礎(chǔ)破壞是導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)地震破壞的主要原因之一。我國鐵路抗震設(shè)計(jì)規(guī)范亦指出:“大量的震害經(jīng)驗(yàn)表明，基礎(chǔ)震害常使橋梁的修復(fù)、加固十分困難，甚至無法修復(fù)。因此，對(duì)地震區(qū)(特別是8度及以上地區(qū))的橋梁在場地選擇和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)倍加重視”。《AREMA》抗震設(shè)計(jì)規(guī)范采用能力設(shè)計(jì)方法對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)值得我們參考和借鑒。

(3)構(gòu)造細(xì)節(jié):橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的許多問題目前還不能完全通過量化方法加以解決。因此根據(jù)震害經(jīng)驗(yàn)等提出的構(gòu)造要求對(duì)保證橋梁結(jié)構(gòu)的抗震安全十分重要，相比之下我國鐵路抗震設(shè)計(jì)規(guī)范在延性設(shè)計(jì)的構(gòu)造細(xì)節(jié)上略顯不足。

［1]AREMA VolumeⅡ (Bridges)［S].U.S.A:2009.

［2]American Association of State Highway and Transportation Officials，AASHTO—GUID SPECIFICATION FOR LRFD SEISMIC DESIGN［S].USA:2010.

［3]GB 50111—2006，鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2009年版)［S].

［4]GB50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S].

［5]馮國軍.中菲橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范比較［J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(11):65-67.

［6]張立江.中國、歐盟和美國鐵路橋梁抗震規(guī)范簡要對(duì)比［J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(11):51-53.

［7]Dynamics of Structures(Theory and applications to Earthquake Engineering)［M].北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［8]GB 18306—2001，中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖［S].

［9]M.J.N.普瑞斯特雷，F(xiàn).塞勃勒，G.M.卡爾維.橋梁抗震設(shè)計(jì)與加固［M].袁萬城，等譯.北京:人民交通出版社，1997.

［10]American Association of State Highway and Transportation Officials，HB-17，Standard Specifications for Highway bridges.17th Edition 2002［S].USA:2002.

［11]范立礎(chǔ)，等.橋梁延性抗震設(shè)計(jì)［M].北京:人民交通出版社，2001.