基于四塔斜拉橋分析的中美橋梁抗震標準差異比較

仝 波

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070）

在一帶一路背景下，國內的設計團隊會和外方交流越來越多，在一些發展中國家，大多采用美標或者歐標，中國設計標準要走出去［1］，總包方往往想了解采用中國標準與國外標準，相同的結構，哪種標準設計更經濟合理，符合當地需要.國內公路規范體系和AASHTO規范體系有著不同的發展歷史［2］，在2020年新出版了規范［3］（以下簡稱為“中國標準”），美國在2017年出版了第8版的規范［4］（以下簡稱“AASHTO標準”），均加入了最新的抗震研究成果.殷鵬程等［5］對比了中美橋梁抗震規范，探討了橋梁抗震體系的合理設計；劉越［6］對比了《08細則》與《Caltrans抗震設計準則》的延性抗震區別，認為國外延性設計體系較國內保守；劉婧［7］比較了中美標準下連續剛構橋的抗震差異，認為《08細則》設防標準比AASHTO嚴格；李俊義等［8］對比了中國建筑抗震規范和美國建筑荷載規范反應譜差異，認為國標反應譜峰值加速度較大，但隨著周期衰減較快，美標反應譜峰值加速度較國標偏小，但隨周期衰減較慢.然而對中美新版橋梁抗震規范，針對實際工程中的應用對比，相關案例很少，此次以柬埔寨金邊市跨越洞里薩河的72 m+3×120 m+72 m矮塔斜拉橋為例，討論了中美橋梁抗震標準計算地震效應的差異性.

1 工程概況

矮塔斜拉橋跨越內河航道，相對連續梁及剛構橋，具有結構高度小，橋型美觀，在滿足縱坡要求和通航孔徑的前提下，方便和兩邊道路銜接，在城市內河航道橋設計中具有很高的競爭力.柬埔寨某跨越洞里薩河的主橋布置為72 m+3×120 m+72 m四塔單索面矮塔斜拉橋，主梁采用預應力混凝土結構，單箱三室，橋面寬20.5 m，支點梁高4.5 m，跨中梁高2.2 m；塔高40 m，P2、P3為塔梁墩固結體系，P1、P4為塔梁固結體系；每個塔上設8對拉索，塔上拉索間距1.6 m，梁上拉索間距4.5 m；橋墩采用13根?2.0 m鉆孔灌注樁，橋臺采用10根?1.5 m鉆孔灌注樁.橋下通航孔為90 m×10 m，線路標準為柬埔寨當地標準，主梁跨中豎曲線半徑1 500 m，兩邊均為5%大縱坡接地，全橋布置圖如圖1～3所示.

圖1 橋型總體布置圖（單位：m）Fig．1 General layout of bridge（unit：m）

2 地質構造

橋址位于洞里薩河下游，是典型的平原漫灘河流地區，河道順直，平坦開闊，河床呈寬緩的“U”形河谷，主河槽偏向西側，呈現兩岸斜坡較陡，河床底部寬平的特點.第一層為軟塑性黏土，層厚10～15 m；第二層為可塑～硬塑性黏土，層厚5～7 m；第三層為砂夾黏土，第四層為粉砂，三層和四層局部鉆孔缺失；第五層為強風化砂巖，層厚13～19 m；第六層，中風化砂巖，持力層起伏較大，并伴有夾層.P1墩樁長33 m，P2墩樁長62 m，P3樁長44 m，P4樁長43 m，樁端均位于第六層中風化砂巖上.

3 橋梁自振特性

橋梁自振周期與樁基自由長度、樁側土彈簧約束剛度有著密切的關系［9］，本橋樁頂設計標高按低于最低水位0.5 m左右控制，高出既有河床線約8 m，經過現場老橋調查及水文分析等，因為季節性的逆流［10］，橋梁沖刷并不顯著，本橋樁基自由長度取10 m.

AASHTO標準自振周期Tm的計算如式1所示，其計算理論和中國標準相同，對下部基礎的剛度規定略有差異，土彈簧剛度計算結果中國標準大于AASHTO標準［11］，但均為沿深度方向的線性函數.

式中：W為重力，單位kN；g為重力加速度，單位m／s2；K為剛度，單位kN／m.

建立有限元模型如圖4所示，主梁及橋塔采用C55混凝土，橋墩C50混凝土，承臺和樁基C35混凝土，拉索材料為鋼絞線，除拉索為桁架單元外其余均采用梁單元，一階振型如圖5所示，前五階動力特性分析結果如表1所列，兩種標準得到的自振周期和振型差異不大，因為P1和P4是支座體系，對應二階和三階振型均為主塔面外擺動，符合多塔矮塔斜拉橋的動力特性［12］.

圖2 支點斷面圖（單位：m）Fig．2 Fulcrum section（unit：m）

圖3 跨中斷面圖（單位：m）Fig．3 Mid-span section（unit：m）

圖4 有限元計算模型Fig．4 Finite element calculation model

圖5 主橋一階振型Fig．5 The first mode of the main bridge

表1 兩種標準計算下自振特性Tab．1 Natural vibration characteristics under two standards

4 中美標準下地震效應分析

中國標準和AASHTO標準，統計其地震效應分析的主要參數如表2所列，柬埔寨主要自然災害為洪水，地震危害并不突出［13］，其地震統計參數較少［14］，地震動區劃是震災防御的核心技術之一［15］，本次按國內Ⅶ度區驗算.

表2 兩種標準抗震分析參數對比Tab．2 Comparison of two standard seismic analysis parameters

4．1 AASHTO標準反應譜

依據地勘資料，場地下30 m內平均剪切波速在1 200 ft／s到2 500 ft／s，判別為C類場地，設計地震峰值加速度PGA取0.1，75 a超越概率7%的短周期加速度系數Ss取0.2，長周期系數S1取0．05，阻尼比取5%，查表Fa為1.2，Fv為1.7，擬合周期Tm和彈性地震系數Csm反應譜如圖6所示.

圖6 AASHTO標準擬合反應譜Fig．6 AASHTO specifications fitting reaction spectrum

4.2 中國標準反應譜

按7度區，0.1 g，Ⅱ類場地，特征周期取0.4 s，E1地震，B類橋梁，Smax=2.5×0.5×1.0×1.0×0.1 g=0.125 g，擬合周期T和設計加速度系數S反應譜如圖7所示.

圖7 中國標準擬合E1反應譜Fig．7 Chinese specifications fitting E1 reaction spectrum

4.3 中美標準計算結果對比

4.3.1 反應譜的差異

對比本場地兩種標準擬合的反應譜，均為三分法，對于上升段，AASHTO標準較短；水平段AASHTO標準較長，且最大加速度系數較中國標準高；下降段均為周期的倒數，趨勢相近.

4.3.2 地震效應差異

四塔矮塔斜拉橋在中美兩種抗震標準彈性分析下，P1和P2所對應的橋梁主塔、墩底、樁頂的最大彎矩和剪力設計值如表3～4所列，如圖8～10所示.鑒于類似斜拉橋曾出現地震中拉索被拉斷的情形［16］，此次亦比較了P1和P2塔對應的兩側8＃索（最長索）、1＃索（最短索）的內力，如表5所列.

表5 拉索內力Tab．5 Cable internal force

圖8 塔底彎矩對比圖Fig．8 Pylon bottom bending moment contrast diagram

表3 P1墩對應構件內力Tab．3 P1 internal forces

表4 P2墩對應構件內力Tab．4 P2 internal forces

由表3～5可知，彈性分析下，中國標準計算結果均低于AASHTO標準，對于主塔，內力低15%左右，橋墩低5%～9%，樁基彎矩效應低10%，剪力效應低約35%.拉索內力變化，中國標準總體小于AASHTO標準，且以P2塔右側最長索差值最大，低約15%，以P1塔左側最短索差值最小，低約6.1%.

四塔矮塔斜拉橋，P2和P3塔梁墩固結體系，P1和P4塔梁固結體系，中間塔和墩的彎矩是邊塔和墩的4倍左右，樁頂彎矩基本持平.因為持力層的起伏，P3樁基較P2樁基短，下部結構地震響應P3約是P2的1.05～1.1倍.

圖9 墩底彎矩對比圖Fig．9 Pier bottom bending moment contrast diagram

圖10 樁頂彎矩對比圖Fig．10 Pile top bending moment contrast diagram

5 結論

通過對金邊市四塔矮塔斜拉橋的地震效應在“中國抗震規范”和“AASHTO LRFD 8th”的對比分析，得到如下結論.

1）場地劃分中，平均剪切波速AASHTO標準計算深度較大，其得到的剪切波速往往大于中國標準.

2）由于橋梁重要性系數不同以及重現期的差異，彈性分析下，反應譜得到的加速度系數AASHTO標準大于中國標準.

3）中間塔梁墩固結體系，次中塔梁固結體系的四塔矮塔斜拉橋，地震響應長索內力約是短索的2.5倍，中間塔和墩的彎矩是邊塔和墩的4倍左右.

4）對矮塔斜拉橋彈性分析，中國標準下地震效應均小于AASHTO標準，對于主塔，內力低15%左右；橋墩低5%～9%；樁基彎矩效應低10%，剪力效應低35%；拉索內力以中間跨最長索差值最大，低15%左右.

5）對橋梁的地震效應彈性分析，中國標準更加經濟，對外橋梁工程，宜按不同的地震重現期設防.