印度與中國橋梁抗震設計規范對比

馮智銘、孫鳳啟

（中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088）

0 引言

近年來，中國基建企業大量走出國門，必須應用國外標準規范。印度橋梁抗震設計作為一種區域性規范，國內設計院對其研究還有一定空白。本文將對印度橋梁抗震設計規范IRC:SP:114—2018《Guidelines for Seismic Design of Road Bridges》（以下簡稱“印度規范”）進行介紹，重要內容與國內規范JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設計規范》（以下簡稱“中國規范”）進行對比，并對中印兩國規范的設計反應譜進行計算和對比。

1 適用范圍

印度規范明確規定了設計壽命超過100 年的橋梁，印度規范不在其適用范圍內。中國規范并未對橋梁的設計壽命作要求，僅限定了橋梁的結構形式。

2 設防標準

印度規范將地震作用分為兩個等級，DBE（Design Basis Earthquake）和MCE（Maximum Considered Earthquake）。DBE 是指在橋梁設計壽命內可能多次發生的，橋梁能夠承受，發生較小損壞的地震。MCE 是指橋梁在設計壽命內可能發生的一次大地震，橋梁會發生嚴重損壞，但不會倒塌[1]。規范規定設計壽命小于等于100 年的橋梁，可僅按DBE 設計（一階段設防）。結合1 中的限定條件，印度規范僅適用于DBE 設計。印度規范根據橋梁的重要性，將橋梁分為普通橋梁、重要橋梁、大型關鍵橋梁三類抗震等級，每一類對應不同的重要性系數，以達到針對性設防。

中國規范根據橋梁的等級將設防分類分為A～D四類，每一類設防分類對應不同的設防目標和抗震措施。對于等級較高的橋梁，需進行E1 設計和E2 設計，兩階段設防。

3 荷載組合

根據印度橋梁荷載規范IRC:6—2017《Standard Specifications and Code of Practice For Road Bridges-Section:II Loads and Load Combinations》，橋梁抗震計算中應考慮結構恒載、預應力、土壓力、水壓力、地震作用、活載和溫度荷載等。其中地震作用的組合系數為1.5 而不是1.0，活載的組合系數為0.2，溫度荷載的組合系數為0.5，但并未闡明是否在結構計算中考慮溫度荷載。

中國規范規定橋梁抗震設計應考慮結構恒載、預應力、土壓力、水壓力、地震作用和溫度荷載。其中地震作用的組合系數為1.0，溫度荷載僅在支座等連接構件計算時計入，其組合系數同為0.5，不考慮活載。

4 場地類別及巖土類別

印度規范并未在抗震設計中應用場地類別，設計反應譜僅依據巖土類別進行計算。印度規范根據標貫值N、級配、巖土分類等將巖土類別劃分為三類：巖石或堅硬土（Rock or Hard soils）、中硬土（Medium or Stiff soils）、軟土（Soft soils），如表1 所示。

表1 印度規范巖土類別

中國規范根據巖土計算深度內的平均剪切波速將場地分為Ⅰ0、Ⅰ1、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ共5 類，設計反應譜根據場地類別取用場地系數Cs和反應譜特征周期Tg對設計反應譜進行計算。但是，中國規范中也對巖土給出了分類標準，共分為巖石、堅硬土或軟質巖、中硬土、中軟土和軟弱土5 類[2]。

5 地震動峰值加速度

印度規范中，將印度劃分為4 個區域，根據項目所在地的位置取用區域系數Z，區域系數即代表地震動峰值加速度。而規范并未明確區域系數對應的地震重現期及巖土類別（或場地），如表2 所示。

表2 印度規范區域系數（無Ⅰ區）

中國規范中，根據項目所在地在《中國地震動參數區劃圖》的分區，查找設防烈度和地震動峰值加速度，對應重現期475 年的Ⅱ類場地峰值加速度，有0.05g、0.1g、0.15g、0.2g、0.3g 和0.4g 共6 組取值。

6 設計反應譜曲線

6.1 印度規范

印度規范中，水平地震系數按如下公式計算。

式（1）中：Z為區域系數；I為重要性系數；R為響應折減系數；Sa/g為設計加速度系數，其表達式（對應0.05的結構阻尼比）如下：

式（2）～式（4）中：T為結構周期。

6.2 中國規范

中國規范中，設計反應譜根據以下公式計算。

式（5）中：T0=0.1s；T為結構周期；Tg為特征周期；Smax為設計加速度反應譜最大值。

式（6）中：Ci為抗震重要性系數；Cs為場地系數；Cd為阻尼調整系數;A為水平向基本地震動峰值加速度。

6.3 對比

印度規范中的Z對應中國規范中的A，但印度規范在計算反應譜時將Z 乘以了1/2 的系數，已達到DBE 設計。

印度規范中的響應折減系數R在中國規范中沒有應用，但在美標、歐標等主流規范中均有應用。R用于擬發生塑性行為的結構中，對于完全彈性的結構，不能盲目使用該系數。中國規范中要求E1 地震作用下結構總體反應在彈性范圍，不允許進入塑性，E2 地震作用下結構可以進入塑性。但印度規范僅一階段設防，DBE 設計中結構也可以進入塑性。

I與Ci均為重要性系數，印度規范中重要性系數根據不同的抗震等級選擇即可，如表3 所示。

表3 印度規范中重要性系數

而中國規范需根據橋梁抗震設防類別和地震作用取值，已達到兩階段設防的目的，如表4 所示。

表4 中國規范橋梁抗震重要性系數Ci

括號中數值為高速公路和一級公路上的B 類大橋、特大橋的抗震重要性系數。

中國規范中規定了不同結構阻尼比的阻尼調整系數的計算公式，且結構阻尼比為0.05 時，阻尼調整系數為1.0。印度規范中反應譜計算公式是基于結構阻尼比為0.05 的情況，未明確對不同阻尼比的結構應該如何調整計算公式，但在印度結構抗震設計規范IS 1893(Part Ⅰ):2002《Criteria for Earthquake Resistant Design of Structures》中，規定了不同結構阻尼比的阻尼調整系數，結構阻尼比為0.05 時阻尼調整系數也為1.0。

反應譜的起點值（T=0s）和峰值，印度規范中為(Z/2)I/R和2.5(Z/2)I/R，而中國規范中為CiCsCd A和2.5CiCsCd A。對于阻尼比為0.05 的混凝土橋梁，不考慮塑性設計僅對比彈性反應譜，即不考慮R和Cd，反應譜起點值分別為(Z/2)I和CiCs A，反應譜峰值為2.5(Z/2)I和2.5CiCs A，可見中國規范的反應譜起點值和峰值考慮了場地對譜值起點的影響，而印度規范沒有考慮場地（巖土類別）的影響，不同場地（巖土類別）下反應譜起點值和峰值均為相同值。

印度規范中，每種巖土類別對應的反應譜峰值相同僅特征周期不同。中國規范中，需要根據項目所在地場地類別以及在區劃圖上的特征周期，選取反應譜特征周期，場地類別和項目所在地的地理位置都有影響。印度規范中豎向反應譜取水平反應譜的2/3，而中國規范豎向反應譜不僅數值小于水平反應譜，反應譜曲線形狀也不一樣，需要根據豎向場地系數和豎向反應譜特征周期另外計算豎向反應譜，與水平反應譜之間不是簡單的等比例折減關系。

7 反應譜實例計算對比

為了對中印兩國規范的設計水平反應譜進行直觀比較，現依據尼泊爾當地某高速公路橋梁項目對設計水平反應譜進行計算和對比。該項目橋梁為(45+80+45)m 預應力混凝土剛構橋，按印度規范V 區進行抗震設計[3]。

區域系數Z=0.36，對應中國規范取A=0.36g，按9度區考慮。重要性系數I 取1.2，對應中國規范為B 類設防類別、四級抗震措施，重要性系數E1 地震作用下取0.5、E2 地震作用下取1.7。為了使兩國反應譜有可比性，僅對比彈性反應譜，不考慮塑性設計，響應折減系數R=1.0。參考西藏樟木地區，反應譜特征周期取值，詳見表5：

表5 調整后反應譜特征周期取值

印度規范取各巖土類別下設計反應譜，與中國規范E1 和E2 作用下所有場地類別的設計反應譜進行對比，畫出圖像如圖1 所示。

圖1 中印設計反應譜對比圖

圖1 中，“印-巖石”代表印度規范巖石或堅硬土類別的設計反應譜，以此類推。“中-I0-E1”代表中國規范E1 地震作用下Ⅰ0場地對應的設計反應譜，以此類推。對比可知，印度規范的水平彈性反應譜普遍接近中國規范E1 作用下的反應譜，明顯小于E2 作用下的反應譜。在橋梁結構計算中重點關注的1～3s 周期段，“印-巖石”反應譜與“中Ⅱ-E1”反應譜十分接近，差距在7%左右。“印-中硬土”反應譜與“中Ⅲ-E1”反應譜十分接近，差距在0.4%左右。“印-軟土”反應譜與“中Ⅳ-E1”反應譜十分接近，差距在1%左右。

8 結語

印度橋梁抗震設計規范在設防標準上要求較中國規范偏低，僅一階段設防，還允許橋梁結構進入塑性；荷載組合中存在未明確部分，且地震作用組合系數為1.5 而非1.0，與國際主流規范不同；場地類別的劃分相對簡略，采用巖土類別而非場地類別進行反應譜設計；地震動峰值加速度未明確對應的重現期和場地類別（巖土類別）；設計反應譜的計算沒有考慮場地類別對特征周期、反應譜起點和峰值的影響；印度規范的水平彈性反應譜普遍接近中國規范E1 反應譜，明顯小于E2 反應譜。綜上所述，印度橋梁抗震設計規范還有一定滯后性和待完善空間。