國內外鐵路橋梁抗震設計比較

韋虹

0 引言

橋梁抗震設計規范是一個國家橋梁抗震設計的依據，對橋梁結構的抗震設計極其重要。因此，各國均會根據最新的抗震研究成果及地震災害，不斷改進其抗震設計規范。隨著我國經濟及鐵路工程的快速發展，我國現行的《鐵路工程抗震設計規范》已表現出越來越多的不適應性。為了更好的滿足鐵路工程事業發展的需要，我國鐵路橋梁抗震規范的修訂工作勢在必行。美國在工程抗震領域均處于世界領先地位，其研究成果及工程經驗，對我國鐵路抗震規范的修訂具有一定的參考價值。為此，本文重點對我國現行GB 50111-2006鐵路工程抗震設計規范、美國《AASHTO橋梁抗震指南》的反應譜進行了比較分析。

1 中、美抗震規范設計反應譜及其特點

抗震設計反應譜是地震作用的表征和工程抗震設計的基礎，由于影響地震動的因素較多且較復雜，國內外學者對反應譜影響因素的研究并無確切定論，因此各規范所采用的抗震設計反應譜之間存在較大的差異。但從反應譜值隨周期的變化關系來看，各規范的趨勢是一致的，即隨周期變化逐漸由小變大(或不變)直至一個平臺，然后逐漸衰減。我國規范所采用的加速度反應譜由上升段、平臺段、下降段曲線組成，而美國規范則采用了平臺段、下降段兩段譜型，如表1所示。

2 各抗震規范設計反應譜參數的比較

反應譜參數的比較主要包括:反應譜曲線的拐點周期、平臺高度、下降速度。它們反映了場地條件、阻尼比、震級和震中距等因素對反應譜譜型的影響，本文分析討論了各規范關于反應譜參數的確定。

2.1 譜曲線的拐點周期

在我國GB 50111-2006規范反應譜曲線中第一個拐點周期取定值0.1，其他拐點周期則與特征周期有關，特征周期為根據設計地震分組(考慮了近遠震、震級的影響)及場地類別確定。美國AASHTO規范反應譜曲線是根據場地類別分別給出了4條形狀相似的曲線，各曲線的拐點周期均為定值，因而它只考慮了場地類別的影響。

由上述可知，各反應譜曲線都考慮了場地條件對拐點周期的影響。關于場地條件對反應譜的影響，國內外學者研究表明場地條件對反應譜的譜型有顯著影響，如Seed［1］和Mohraz［2］通過對1971年San Fernando地震動記錄的研究分析一致認為，場地條件明顯影響反應譜的形狀，軟弱土場地上反應譜長周期的譜值有明顯增大的趨勢。因此，考慮場地條件對拐點周期的影響是合理的。此外，我國的反應譜曲線還考慮了近遠震的影響，1972年美國學者Kuribayshi［3］研究指出長周期范圍內大震級和遠震時譜值較大，1974年美國學者McGuire將加速度反應譜看作是震級和震中距的函數進行統計分析指出，大震級、遠震記錄的長周期分量比小震級、近震記錄的要大，另外，我國的周錫元等［4］也得到類似的結論，可見考慮近遠震對譜曲線的影響是合理的。

2.2 譜曲線的平臺高度

在我國GB 50111-2006規范反應譜曲線中，平臺高度取定值β=2.25，未考慮其他因素的影響。在美國AASHTO規范反應譜曲線中，平臺高度根據不同的場地類別分別取不同的值，對Ⅰ，Ⅱ類場地取2.5，對Ⅲ，Ⅳ類場地取2.0，考慮了場地條件對反應譜平臺高度的影響。

由上述可知，美國規范考慮了場地條件對反應譜平臺高度的影響，而在我國的規范當中未體現。但近些年國內外的學者研究表明，場地條件對反應譜平臺高度確實有影響，如Seed［1］通過對1971年San Fernando地震動記錄的分析研究認為，軟弱土場地上反應譜中長周期的譜值有明顯增大的趨勢，我國耿淑偉［5］、呂紅山［6］也得出相似結果。

2.3 譜曲線的下降速度

在我國GB 50111-2006規范中，下降段曲線均取為T－1次冪，且在5Tg≤T≤2 s段設了下限值0.45;美國AASHTO規范的反應譜曲線下降速度則較為保守，在Tm≤4的下降段采用了T－2/3的衰減指數，即便是在較長周期段(Tm＞4)也只采用了T－4/3的衰減指數，與我國規范相比略顯保守。

3 各抗震規范設計反應譜值的比較

上述對各抗震規范反應譜參數進行了簡要的比較，為了具體了解各規范反應譜的差別，以下將對反應譜的譜值進行定量比較。中、美規范對場地類別的劃分方法不盡一樣，為了便于比較，根據土層的典型特征—剪切波速對其進行歸納比較，如表2所示。由表2可知，中國Ⅰ類場地相當于美國Ⅰ類，中國Ⅳ類場地相當于美國Ⅳ類。

表2 各規范場地土分類

由于我國GB 50111-2006規范給出的是動力放大系數β—T反應譜，為便于比較，在此我們統一將地面加速度取為1，即美國AASHTO規范中A=1。同時設計地震分組均取第二組，阻尼比取0.05。由此給出了我國GB 50111-2006規范、美國AASHTO規范在Ⅰ類和Ⅳ類場地上反應譜值的比較，如圖1，圖2所示。

由圖1可知，對于Ⅰ類場地，各國規范的特征周期基本相同，但由于美國AASHTO規范的反應譜平臺高度較大而衰減指數較小，因此反應譜值在0 s～2 s內始終大于我國GB 50111-2006規范反應譜值;由圖2可知，對于Ⅳ類場地，我國GB 50111-2006規范與美國AASHTO規范相差較大;由于美國規范的反應譜平臺高度較低，在0 s～0.8 s內美國規范的反應譜值低于我國的，但由于美國規范的衰減指數較小，且平臺寬度較大，在0.8 s后反應譜值迅速超過了我國規范的反應譜值?？梢姡覈鳪B 50111-2006規范的反應譜值相對美國AASHTO規范略微偏低，這主要與各國的經濟水平、設防水準以及設防目標有關。

4 結語

本文分析比較了我國GB 50111-2006規范、美國AASHTO規范的基本特征與差別，結果表明，我國GB 50111-2006規范的主要特點及尚需進一步研究的問題如下:

1 )我國GB 50111-2006規范的反應譜值比美國AASHTO規范相比略顯偏低，這主要與各國的經濟水平、設防水準以及設防目標有關。2)我國規范沒有考慮場地條件對反應譜值的影響，而國內外學者的研究以及大量的工程實踐證明，場地條件是影響反應譜最大值的主要因素。3)我國規范的周期范圍較小，近年來由于鐵路發展的需要，大跨、高墩橋梁結構日益增多，我國現行的規范已不能滿足長周期橋梁結構發展的需要。建議適當延長周期適用范圍，且考慮到長周期反應由位移控制，長周期段采用與位移反應譜相結合的方法確定反應譜值。

［1］ Seed.H.B，Ugas.C，Lysmer.J.Site-Dependent Spectra for Earthquake-Resistance Design［J］.Bull.Seismic.Soc.Am.，1976，66 (1)：221-243.

［2］ Mohraz B.A Study of Earthquake Response Spectra for Different Geological Conditions［J］.Bull.Seismic.Soc.Am.，1976，66 (3)：915-935.

［3］ Kuribayshi.E，Iwasaki.T，Iida.Y，et al.Effects of Seismic and Subsoil Condition on Earthquake Respond Spectra［J］.Proc.International Conf.Microzonation，Seattle，Wash，1972(8)：499-512.

［4］ 周錫元，蘇經宇.烈度、震中距和場地條件對地面運動反應譜的影響［J］.地震工程與工程振動，1983，3(2)：29-43.

［5］ 耿淑偉.抗震設計中的地震動輸入參數的研究［D］.哈爾濱：中國地震局工程力學研究所，2005.

［6］ 呂紅山.基于地震動參數的災害風險分析［D］.北京：中國地震局地球物理研究所，2005.