中菲橋梁抗震設計規范比較

馮國軍

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

菲律賓是一個地震多發國家,且地震動峰值加速度高達0.4g以上。對菲律賓抗震設計研究成為做好該地區項目的關鍵。本文主要對中菲兩國鐵路橋梁抗震設計規范進行介紹和比較,以期為今后國際項目開展提供參考。

1 橋梁抗震設計的基本思想

橋梁抗震設計的基本思想和設計準則是制定規范的最重要之處,它決定了抗震設計要達到的目標、采用的設計地震動水平和地震反應的計算方法,因此這里首先介紹中菲兩國的橋梁抗震設計規范的基本設計思想,見表1。

表1 中菲橋梁抗震設計規范比較

《鐵路工程抗震設計規范》(GBJ111—87)采用單一水準的抗震設防思想,僅進行基本烈度下的抗震驗算,在抗震設計時,只進行設計地震力作用下的強度驗算,沒有考慮橋梁結構的“變形能力”和“耗能能力”[1],而《鐵路工程抗震設計規范》(GB50111—2006)明確規定了3個水準的抗震設防目標,這較GBJ111—87規范是一個較大的進步。從表中可見,中菲兩國橋梁抗震設計規范的基本思想和設計準則在用詞上雖有所不同,但可歸納為功能設計地震和安全設計地震,其思想是基本一致的；功能設計地震具有較大的發生概率,安全設計地震具有很小的發生概率,在功能設計地震作用下,橋梁結構只允許發生十分輕微的破壞,不影響正常的交通,不經修復也可以繼續使用,在安全設計地震的作用下,允許橋梁結構發生較大的破壞,但不允許發生整體破壞[2～4,5]。

2 設計地震動

2.1 地震區劃及場地分類

地震作用強度是結構抗震中最重要的地震動參數之一,我國《鐵路工程抗震設計規范》采用地震設防烈度和地震動峰值加速度來表述,規范給出地震設防烈度和地震動峰值加速度的對應關系,采用3個地震烈度水準來考慮[4,6，7]：

多遇地震：重現期為50年；

設計地震：50年超越概率為10%,重現期為475年；

罕遇地震：50年超越概率為2%～3%,重現期為2 475年。

NSCP直接使用地震動峰值加速度來表述,50年超越概率5%～20%,相當于我國《鐵路工程抗震設計規范》的設計地震[2～4]。

中菲兩國橋梁抗震設計規范中都考慮了場地條件對設計地震動參數的影響,具體做法是按照一定規則對場地進行分類,然后分別給出各類別場地的地震設計反應譜。我國《鐵路工程抗震設計規范》根據場地計算深度內土層等效剪切波速劃分場地類別,共分為4類(表2)。

表2 場地類別

NSCP根據地表覆蓋層厚度和場地剪切波速確定場地類別,共分為3類[2]：

Ⅰ類場地土(符合下列兩款中任一款即可)：

廈門市財政要求各預算單位加快預算執行，1—6月、1—9月、1—10月序時進度分別不得低于45%、70%和80%，最后2個月支出金額不得超過全年預算數的20%，確保均衡支出，嚴控年底突擊花錢。廈門T大學2017年的財政資金預算執行情況如下表。

(1)任何性質的巖石,或類似頁巖、晶體性質的土壤(這類材料的剪切波速通長大于760 m/s)

(2)覆蓋在巖石上面的土質類型為穩定的砂、礫石、堅硬的黏性土,且這些堅硬土的厚度小于60 m。

Ⅱ類場地土:覆蓋在巖石上面的土質類型為穩定的砂、礫石、堅硬的黏性土,且這些堅硬土的厚度大于60 m。

Ⅲ類場地土:具有不小于10 m厚的中軟土,中間有無砂或其他非黏性土夾層均可。

當對土質特性了解不充分或無法確定工程位置處的場地類型是否與上述3種類型相符時,應采用II類場地土的相關參數。

2.2 地震反應譜

我國《鐵路工程抗震設計規范》與NSCP的彈性反應譜曲線見圖1及圖2。

圖1 動力放大系數β曲線(中國鐵路)

圖2 標準化加速度譜曲線(NSCP)

NSCP標準化加速度譜曲線由下述公式給出

(1)

式中A——地震動峰值加速度；

S——場地類型系數；Ⅰ類場地土,S=1.0；Ⅱ類場地土,S=1.2；Ⅲ類場地土,S=1.5；

T——橋梁自振周期。

任何情況下Cs值不應超過2.5A；對于III類場地土,當A≥0.30g時,Cs不應超過2.0A。

由圖可見兩國規范反應譜之間存在差別：(1)在短周期段,我國規范有一個下降段,NSCP無下降段；理論上,有下降段是合理的,但無下降段的處理更簡單。現行《鐵路工程抗震設計規范》下降段的拐點周期是0.1 s,一般橋梁結構的基本周期遠大于此,因此,下降段實際意義并非十分重要；(2)兩國規范反應譜的平臺最大值高度不同,且NSCP平臺高度還隨著場地類別變化,但我國規范反應譜的平臺高度不隨著場地變化,從地震反應譜的客觀特性來說,標準化反應譜的臺階高度是隨場地類型變化的；(3)NSCP的反應譜對應設計地震,而我國《鐵路工程抗震設計規范》的反應譜對應多遇地震；(4)現行《鐵路工程抗震設計規范》根據場地類別和地震動參數區劃確定地震動反應譜特征周期Tg,然后確定反應譜曲線；NSCP沒有歸納地震動反應譜的特征周期,由公式(1)直接給出加速度反應譜公式。

3 地震反應分析和計算方法

目前各國橋梁抗震設計規范采用的地震反應分析方法有4種：等效靜力法、線性動力法、非線性靜力法和非線性動力法。其中等效靜力法和線性動力法是目前規范中廣泛應用的方法。非線性靜力分析方法主要是用來確定結構的倒塌機制和能力,目前只有極少數國家的橋梁抗震設計準則中引入這一方法,將來可能有更多的規范引入。各國規范對非線性動力法用于橋梁抗震設計一般只有定性的指導性條款,沒有實施細則[5,8～9]。

我國《鐵路工程抗震設計規范》采用了等效靜力法(分析橋臺及上下部結構連接)、線性動力法(多遇地震下橋梁抗震分析)和非線性動力法(罕遇地震下鋼筋混凝土橋墩延性分析)；NSCP分析地震作用時采用了等效靜力法(分析橋臺及上下部結構連接)、線性動力法(設計地震下橋梁抗震分析)以及非線性動力法(鋼筋混凝土橋墩的塑性分析)。兩國橋梁抗震分析計算方法對比見表3、表4。

表3 我國鐵路工程抗震分析方法

表4 NSCP抗震分析方法

關于地震力荷載組合：我國《鐵路工程抗震設計規范》采用結構自重+水壓力+水浮力+土壓力+活載重力+離心力+列車活載土壓力+地震力的組合方式;NSCP采用結構自重+水壓力+水浮力+土壓力+地震力的組合方式。兩國規范的差別在于對活載是否與地震力進行組合上；NSCP雖未將活載與地震力進行組合,但在計算結構整體剛度時按以下條款考慮：一般情況下在進行結構分析時不考慮活載,但位于中心城區以及活載和恒載的比值較高時應該考慮活載的影響。

4 設計地震力

我國《鐵路工程抗震設計規范》采用多遇地震作用下的彈性地震力作為橋墩和基礎的設計地震力；采用設計地震驗算連接構造；對罕遇地震作用下鋼筋混凝土橋墩進行延性設計,并規定了鋼筋混凝土橋墩的非線性位移延性比限值。

NSCP采用設計地震作用下的彈性地震力除以力折減系數R作為構件的設計地震力,不同構件因為其延性的差異而采用不同的折減系數。基礎的設計地震力與其上橋墩的設計地震力不同,采用橋墩的塑性力或不除以折減系數R的彈性地震力(取兩者中的較小者,一般情況下由橋墩塑性鉸所產生的塑性力較小)作為基礎的設計力；NSCP更加注重基礎的安全性。由于建筑材料的實際強度往往大于其設計采用值,因此在確定結構塑性鉸的位置時材料的這種超強會帶來不利影響。NSCP引入結構超強系數這個概念,鋼筋混凝土結構采用1.3、鋼結構采用1.25的超強系數,實際用于設計的基礎地震力為乘以結構超強系數后的橋墩塑性力。

5 混凝土結構設計方法(表5)

表5 混凝土結構設計方法

能力設計思想的基本概念在于合理地選擇塑性鉸出現的位置,通過犧牲塑性鉸所在的延性構件的耗能能力,來保證結構中脆性構件(能力保護構件)處于彈性反應階段,從而換取整個結構的安全。按照這一思想,為了確保塑性鉸的彎曲耗能能力,必須防止塑性鉸所在的延性構件內部發生脆性破壞模式,因此有必要在非延性破壞模式和設計延性變形模式之間確保一個合適的強度界限,這是能力設計的基礎。在橋梁抗震設計中,為了使地震造成的破壞易于檢查和維修,通常把橋墩選為延性構件,要求彎曲塑性鉸出現在地面以上橋墩部分的頂部或底部,上部結構和地面以下的基礎結構為能力保護構件[2,3,8,10]。

6 結語

本文對我國現行《鐵路工程抗震設計規范》以及菲律賓NSCP規范抗震篇進行了對比,兩國規范的主要差別在抗震設防標準、構造細節及橋梁基礎的抗震設計上,總結如下。

(1)抗震設防標準:這是橋梁抗震設計的最基本問題；NSCP采用一水平設計,我國《鐵路工程抗震設計規范》采用三水準設防,總體上“三水準設防”優于“一水平設計”,我國規范中的設計方法及具體細節尚需完善。

(2)構造細節:橋梁結構抗震設計中的許多問題目前還不能完全通過量化方法借以解決。因此根據震害經驗等提出的構造要求對保證橋梁結構的抗震安全十分重要,相比之下我國鐵路抗震設計規范在延性設計的構造細節上略顯不足。

(3)橋梁基礎的抗震設計:從歷次大地震震害可以看出,基礎破壞是導致橋梁結構地震破壞的主要原因之一。基于阪神地震的經驗,地震后橋梁上部結構的修復和重建都比下部基礎經濟和省時、省力,因此橋梁基礎的抗震能力的要求應比橋墩高。我國鐵路抗震設計規范亦指出：“大量的震害經驗表明,基礎震害常使橋梁的修復、加固十分困難,甚至無法修復。因此,對地震區(特別是8度及以上地區)的橋梁在場地選擇和基礎設計時應倍加重視”。NSCP及美國的橋梁抗震設計規范采用能力設計方法對基礎進行設計值得我們參考和借鑒。

[1]GBJ111—87,鐵路工程抗震設計規范[S]．

[2]National Structural Code of the Philippines Volume Ⅱ (Bridges), 2005.

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

[4]GB50111—2006,鐵路工程抗震設計規范[S].

[5]范立礎，等.橋梁抗震設計規范的現狀與發展趨勢[J].地震工程與工程振動,2001,21(2)：71-77.

[6]GB50011—2001,建筑抗震設計規范[S]．

[7]GB18306—2001,中國地震動參數區劃圖[S]．

[8]M.J.N.普瑞斯特雷,F.塞勃勒,G.M.卡爾維.袁萬城,等譯.橋梁抗震設計與加固[M].北京：人民交通出版社,1997．

[9]范立礎，等.橋梁延性抗震設計[M].北京：人民交通出版社,2001．

[10]趙冠遠，等.對美國橋梁抗震規范中橋墩抗剪強度計算公式的評價[J].世界地震工程,2002，18(4)：85-90.