根據中國和歐洲規范的預應力混凝土連續剛構橋地震反應譜法計算比較

唐 濤， 易 達， 李劍鸞， 翁怡軍

(西南交通大學土木工程學院, 四川成都 610031)

根據中國和歐洲規范的預應力混凝土連續剛構橋地震反應譜法計算比較

唐 濤， 易 達， 李劍鸞， 翁怡軍

(西南交通大學土木工程學院, 四川成都 610031)

文章將中國鐵路工程抗震設計規范與歐洲規范中的地震反應譜法進行比較，并按照所得兩種不同的反應譜計算保加利亞某鐵路橋的地震響應。通過計算，認為中國鐵路工程抗震設計規范所取得的水平地震反應譜值在長周期段高于歐洲規范，在短周期段低于歐洲規范；且中國規范對豎直地震反應譜沒有詳細規定。

歐洲規范； 鐵路規范； 抗震設計； 反應譜法

反應譜法是驗算土木工程結構抗震性能的重要方法，但不同規范對反應譜的選擇有較大差異。沈建文[1]等指出，重大工程地震安全性評價得出的一致概率反應譜的長周期部分，通常低于中國規范給出的設計反應譜，這將造成長周期重大工程的抗震設防標準偏低。在將中國規范地震反應譜和歐洲、美國規范進行比較后，余湛[2]等認為現行的歐洲和美國規范的設計反應譜短周期部分高于中國規范，但隨著周期的加大，由于中國規范反應譜下降指數較小，使得中國規范的反應譜逐漸接近并超過歐洲規范。倪永軍[3]等通過與歐洲規范的對比研究，表明我國鐵路橋梁多遇地震和設防地震的反應譜峰值加速度均低于歐洲規范的響應地震作用取值，但反應譜的下降段基本重合。現有的研究多是將規范中選取反應譜的條文進行比較，而用根據中歐規范選取的不同反應譜進行實橋計算，能更直觀的考察中歐規范的差異。本文以保加利亞某橋為例，根據歐洲規范和中國鐵路工程抗震設計規范選取地震反應譜，計算該橋在地震作用下的內力響應。

1 工程背景

保加利亞某橋設計方案為預應力混凝土箱梁連續剛構橋，位于保加利亞西南連接首都索菲亞和第二大城市普羅夫迪夫之間的鐵路線上。該橋為兩線鐵路橋，設計時速為160km/h，客貨共線。跨徑布置為(52+70+78+100×3+78+70+52)m，混凝土箱梁為單箱單室，頂板寬13.51m，梁高最高8m，最小5m；梁體采用C45混凝土，后張預應力。中間P4、P5號橋墩為雙薄壁墩，采用C55混凝土，墩梁固結。薄壁墩長6.674m，厚1.2m，兩壁中心距5m。P4墩高18.5m，P5墩高18m。其余為獨柱空心墩，采用C35混凝土。墩梁鉸接，采用半球形鋼支座。P1、P2墩因臨近既有鐵路，采用沉井基礎，其余墩臺處采用擴大基礎。該橋擬用懸臂澆筑法施工，由兩側邊跨至中間主跨依次合龍。全橋跨徑布置見圖1，主梁斷面見圖2。該橋位于保加利亞地震帶上，地震重現周期475a的地面加速度為0.23g。

圖1 橋跨布置 (單位: m)

2 自振特性分析

本文首先利用Midas Civil軟件建立全橋梁單元模型，計算V832號橋的自振特性。全橋有限元模型見圖3。橋址處均為風化程度較輕的良好巖石，因此該橋未采用樁、箱基礎，而采用混凝土擴大基礎和沉井式基礎。在計算橋梁動力特性時，不考慮剛性基礎的影響，在各橋墩墩底采用全固結形式，即限制所有方向平動和轉動。橋梁上部附屬設施、非受力結構(軌道、道砟、供電線路、排水設施和擋砟墻等)和列車活載均以質量形式施加于橋面高度處的橋軸線上。用Lanczos方法計算橋梁自振特性。橋梁前10階振型見表1。

3 按歐洲規范的地震反應譜法計算分析

根據歐洲規范，結合保加利亞國家附錄中相關規定，確定該橋在地震重現周期475a的地面加速度為0.23g，橋址處為A類地形，重要性系數取1.4，行為系數q=1.5，選取反應譜類型為1類譜。根據GB 50111-2006 (2009年版)《鐵路工程抗震設計規范》，該橋場地類型為I類；該橋位于交通要塞，跨越長大山谷，聯長較長，因此為B類工程，設計地震為8度，抗震設防烈度為8度(0.3g)。水平設計譜短周期段界限值TA取0.1 s，特征周期選取I類二區Tg=0.3 s。豎向設計譜按水平設計譜形狀參數取值且設計地震動加速度取水平加速度的65 %。按照以上規范規定所取得的水平和豎直地震反應譜如圖4所示。

圖2 箱梁斷面 (單位:m)

圖3 全橋梁單元模型

表1 橋梁前10階振型

圖4 根據中國規范和歐洲規范的加速度反應譜

地震時橋上有車的工況在鐵路橋梁抗震計算中值得考慮。根據歐洲規范，應在各方向計入0.3倍單線列車活載引起的地震力。根據鐵路工程抗震規范，順橋向、橫橋向和豎向分別按照0、50 %和100 %計入單線活載引起的地震力。利用Midas Civil計算得各墩墩底反力和彎矩見表2、表3。

表2 順橋向地震力作用下按歐洲規范和中國鐵路抗震規范墩底反力和墩底彎矩

表3 橫橋向地震力作用下按歐洲規范和中國鐵路抗震規范墩底反力和墩底彎矩

本橋第一階振型為主梁縱飄，周期為2.34 s，振型參與質量達到93.85 %，對于該階振型，中國規范計算得加速度反應譜值為1.324 m/s2，歐洲規范計算所得加速度反應譜值為0.865 m/s2，中國規范為歐洲規范的1.53倍。計入活載影響后，中國規范計算所得前120階墩底反力和墩底順橋向彎矩比歐洲規范大49 %。橋梁橫向振型參與質量主要集中在第2階(周期0.746 s)和第10階(周期0.427 s), 對于這兩階振型所對應的加速度反應譜值而言，中國規范計算所得值約為歐洲規范計算所得值的0.7倍。其他橫向振型對應的周期下，中國規范均較歐洲規范小。根據兩種規范計算得到各墩墩底橫橋向反力和彎矩最大相差30 %。

4 結論

由以上計算可知，由于反應譜形狀和對應取值的不同，根據中國規范和歐洲規范計算結果相差較大。中國規范在水平反映譜的長周期段譜值大于歐洲規范，短周期段小于歐洲規范。

對于豎向地震反應譜而言，中國規范規定不詳細，中國規范和歐洲規范選定的豎向反應譜相差甚大，因此建議在以后的規范修訂中，將豎直反應譜的取值進行細化。

[1] 沈建文, 石樹中. 一致概率譜與規范譜[J]. 地震學報, 2004, 26(1)：94-101.

[2] 余湛. 從中國、美國、歐洲抗震設計規范譜的比較探討我國的抗震設計反應譜[J]. 震災防御技術, 2008， 3(2)：136-143.

[3] 倪永軍. 高鐵大跨橋梁設計地震作用與國內外主要抗震規范的比較研究[J]. 振動與沖擊, 2016, 35(4): 72-80.

U442.5+5

A

[定稿日期]2016-10-18

[作者信息]唐濤(1991～)，男，在讀研究生，研究方向為大跨橋梁設計計算和復雜鋼橋結構設計。