國內(nèi)外鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)比較

韋虹

0 引言

橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范是一個國家橋梁抗震設(shè)計(jì)的依據(jù)，對橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)極其重要。因此，各國均會根據(jù)最新的抗震研究成果及地震災(zāi)害，不斷改進(jìn)其抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。隨著我國經(jīng)濟(jì)及鐵路工程的快速發(fā)展，我國現(xiàn)行的《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》已表現(xiàn)出越來越多的不適應(yīng)性。為了更好的滿足鐵路工程事業(yè)發(fā)展的需要，我國鐵路橋梁抗震規(guī)范的修訂工作勢在必行。美國在工程抗震領(lǐng)域均處于世界領(lǐng)先地位，其研究成果及工程經(jīng)驗(yàn)，對我國鐵路抗震規(guī)范的修訂具有一定的參考價值。為此，本文重點(diǎn)對我國現(xiàn)行GB 50111-2006鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范、美國《AASHTO橋梁抗震指南》的反應(yīng)譜進(jìn)行了比較分析。

1 中、美抗震規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜及其特點(diǎn)

抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜是地震作用的表征和工程抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，由于影響地震動的因素較多且較復(fù)雜，國內(nèi)外學(xué)者對反應(yīng)譜影響因素的研究并無確切定論，因此各規(guī)范所采用的抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜之間存在較大的差異。但從反應(yīng)譜值隨周期的變化關(guān)系來看，各規(guī)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(guī)范所采用的加速度反應(yīng)譜由上升段、平臺段、下降段曲線組成，而美國規(guī)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(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜參數(shù)的比較

反應(yīng)譜參數(shù)的比較主要包括:反應(yīng)譜曲線的拐點(diǎn)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(yīng)譜譜型的影響，本文分析討論了各規(guī)范關(guān)于反應(yīng)譜參數(shù)的確定。

2.1 譜曲線的拐點(diǎn)周期

在我國GB 50111-2006規(guī)范反應(yīng)譜曲線中第一個拐點(diǎn)周期取定值0.1，其他拐點(diǎn)周期則與特征周期有關(guān)，特征周期為根據(jù)設(shè)計(jì)地震分組(考慮了近遠(yuǎn)震、震級的影響)及場地類別確定。美國AASHTO規(guī)范反應(yīng)譜曲線是根據(jù)場地類別分別給出了4條形狀相似的曲線，各曲線的拐點(diǎn)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(yīng)譜曲線都考慮了場地條件對拐點(diǎn)周期的影響。關(guān)于場地條件對反應(yīng)譜的影響，國內(nèi)外學(xué)者研究表明場地條件對反應(yīng)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(rèn)為，場地條件明顯影響反應(yīng)譜的形狀，軟弱土場地上反應(yīng)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(diǎn)周期的影響是合理的。此外，我國的反應(yīng)譜曲線還考慮了近遠(yuǎn)震的影響，1972年美國學(xué)者Kuribayshi［3］研究指出長周期范圍內(nèi)大震級和遠(yuǎn)震時譜值較大，1974年美國學(xué)者M(jìn)cGuire將加速度反應(yīng)譜看作是震級和震中距的函數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析指出，大震級、遠(yuǎn)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(jié)論，可見考慮近遠(yuǎn)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(guī)范反應(yīng)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(guī)范反應(yīng)譜曲線中，平臺高度根據(jù)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(yīng)譜平臺高度的影響。

由上述可知，美國規(guī)范考慮了場地條件對反應(yīng)譜平臺高度的影響，而在我國的規(guī)范當(dāng)中未體現(xiàn)。但近些年國內(nèi)外的學(xué)者研究表明，場地條件對反應(yīng)譜平臺高度確實(shí)有影響，如Seed［1］通過對1971年San Fernando地震動記錄的分析研究認(rèn)為，軟弱土場地上反應(yīng)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(jié)果。

2.3 譜曲線的下降速度

在我國GB 50111-2006規(guī)范中，下降段曲線均取為T－1次冪，且在5Tg≤T≤2 s段設(shè)了下限值0.45;美國AASHTO規(guī)范的反應(yīng)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(shù)，即便是在較長周期段(Tm＞4)也只采用了T－4/3的衰減指數(shù)，與我國規(guī)范相比略顯保守。

3 各抗震規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜值的比較

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

表2 各規(guī)范場地土分類

由于我國GB 50111-2006規(guī)范給出的是動力放大系數(shù)β—T反應(yīng)譜，為便于比較，在此我們統(tǒng)一將地面加速度取為1，即美國AASHTO規(guī)范中A=1。同時設(shè)計(jì)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(guī)范、美國AASHTO規(guī)范在Ⅰ類和Ⅳ類場地上反應(yīng)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(guī)范的特征周期基本相同，但由于美國AASHTO規(guī)范的反應(yīng)譜平臺高度較大而衰減指數(shù)較小，因此反應(yīng)譜值在0 s～2 s內(nèi)始終大于我國GB 50111-2006規(guī)范反應(yīng)譜值;由圖2可知，對于Ⅳ類場地，我國GB 50111-2006規(guī)范與美國AASHTO規(guī)范相差較大;由于美國規(guī)范的反應(yīng)譜平臺高度較低，在0 s～0.8 s內(nèi)美國規(guī)范的反應(yīng)譜值低于我國的，但由于美國規(guī)范的衰減指數(shù)較小，且平臺寬度較大，在0.8 s后反應(yīng)譜值迅速超過了我國規(guī)范的反應(yīng)譜值。可見，我國GB 50111-2006規(guī)范的反應(yīng)譜值相對美國AASHTO規(guī)范略微偏低，這主要與各國的經(jīng)濟(jì)水平、設(shè)防水準(zhǔn)以及設(shè)防目標(biāo)有關(guān)。

4 結(jié)語

本文分析比較了我國GB 50111-2006規(guī)范、美國AASHTO規(guī)范的基本特征與差別，結(jié)果表明，我國GB 50111-2006規(guī)范的主要特點(diǎn)及尚需進(jìn)一步研究的問題如下:

1 )我國GB 50111-2006規(guī)范的反應(yīng)譜值比美國AASHTO規(guī)范相比略顯偏低，這主要與各國的經(jīng)濟(jì)水平、設(shè)防水準(zhǔn)以及設(shè)防目標(biāo)有關(guān)。2)我國規(guī)范沒有考慮場地條件對反應(yīng)譜值的影響，而國內(nèi)外學(xué)者的研究以及大量的工程實(shí)踐證明，場地條件是影響反應(yīng)譜最大值的主要因素。3)我國規(guī)范的周期范圍較小，近年來由于鐵路發(fā)展的需要，大跨、高墩橋梁結(jié)構(gòu)日益增多，我國現(xiàn)行的規(guī)范已不能滿足長周期橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)展的需要。建議適當(dāng)延長周期適用范圍，且考慮到長周期反應(yīng)由位移控制，長周期段采用與位移反應(yīng)譜相結(jié)合的方法確定反應(yīng)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(jīng)宇.烈度、震中距和場地條件對地面運(yùn)動反應(yīng)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(shè)計(jì)中的地震動輸入?yún)?shù)的研究［D］.哈爾濱：中國地震局工程力學(xué)研究所，2005.

［6］ 呂紅山.基于地震動參數(shù)的災(zāi)害風(fēng)險分析［D］.北京：中國地震局地球物理研究所，2005.