大跨度懸索橋地震動峰值加速度取值分析

王寶喜

（四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川成都 610000）

0 引言

對于大跨度懸索橋、斜拉橋和拱橋等特殊橋梁結構，要根據橋梁所在的場地條件來確定其相關的地震動參數，而橋梁設計地震動參數的確定是一個基于一定設計基準期和重現期的概率問題。對于不同的設計基準期和重現期，計算得到的地震動峰值加速度不同。對于常規橋梁，抗震設計時一般均可根據現行橋梁抗震設計規范實施，即以設計基準期為50年、超越概率為10%的地震動峰值加速度作為基本地震動峰值加速度，其他超越概率下的峰值加速度通過乘以重要性系數來調整。而對于大跨度懸索橋、斜拉橋和拱橋等特殊橋梁結構，因為需要采用更高標準的設計基準期和重現期[1]，其抗震設計所采用的地震動參數一般都不在現行橋梁抗震規范的適用范圍內。

鑒于現行抗震規范對大跨度懸索橋的抗震設計反應譜沒有明確規定，確定此類結構在不同設計基準期和重現期下的地震動峰值加速度取值，對于還沒有進行地震安全性評價，無法獲得地震動設計參數的橋梁抗震設計來說尤其重要。

本文通過建立基本烈度、設計基準期和重現期與地震動峰值加速度之間的聯系，總結現行抗震規范對于大跨度橋梁抗震設計的規定，分析設計基準期為50年時地震動峰值加速度的取值方法，計算不同設計基準期和重現期下的地震動對峰值加速度，由此確定重現期為1000年和2500年可適用于大跨度懸索橋的反應譜值。

1 我國現行橋梁抗震設計規范

我國現行各類橋梁規范對大跨度懸索橋等特殊結構抗震設計的基準期、重現期和地震動峰值加速度規定并不一致，現梳理如下。

（1）依據《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166—2011）[2]，懸索橋抗震設防類別為甲類，《城市橋梁設計規范》中的甲類橋梁的抗震設防標準如表1所示。

表1 甲類橋梁的抗震設防標準

《城市橋梁抗震設計規范》第3.2.1條規定：對于甲類橋梁，當承受所在地區的E1和E2地震作用時，相應的地震重現期應分別為475年和2500年。但是，《城市橋梁抗震設計規范》規定甲類橋梁應根據專門的過程場地安全性評價確定地震作用，故規范中沒有關于甲類橋梁的抗震設計反應譜的規定。因此甲類大跨度懸索橋無法依據《城市橋梁抗震設計規范》進行反應譜分析。

（2）現行《公路橋梁抗震設計規范》（JTG/T 2231-01—2020）[3]規定：懸索橋法人抗震設防類別應該為A類，《公路橋梁抗震設計規范》中的A類橋梁抗震設防目標如表2所示。

表2 《公路橋梁抗震設計規范》中的A類橋梁抗震設防目標

《公路橋梁抗震設計規范》規定的A類橋梁E1和E2地震作用重現期分別為475年和2000年。

（3）現行《公路懸索橋設計規范》（JTG/T D65-05—2015）[4]規定：懸索橋應采用E1、E2兩個水準下地震作用進行抗震設防。E1地震作用一般采用設計基準期為100年超越概率為10%的地震動；而E2地震作用應該采用設計基準期100年超越概率為4%的地震動。E1、E2地震作用所采用的設計加速度反應譜應進行專門的地震安全評價，根據安全評價結果確定相應的地震作用。

根據上述論述可知，雖然《城市橋梁抗震設計規范》規定了甲類橋梁相應的E1和E2地震重現期分別為475年2500年，但規范適用范圍不包括相應的反應譜值，因此無法用于大跨度懸索橋的抗震設計。現行《公路橋梁抗震設計規范》規定的A類橋梁E1和E2地震作用重現期分別為475年和2000年；《公路懸索橋設計規范》又規定懸索橋E1和E2地震作用重現期分別為1000年和2500年。

2 超越概率和重現期的確定

根據重現期T0與超越概率F（t）的關系[5]如下。

因此，《公路懸索橋設計規范》中規定的100年超越概率10%地震動的重現期如下。

100年超越概率4%地震動的重現期如下。

綜上所述，不同規范中超越概率和重現期的對應關系如表3所示。

表3 不同規范中超越概率和重現期的對應關系

考慮到四川地區地震多發，并結合相關研究，為確保大跨度橋梁結構安全，本文認為，大跨度懸索橋抗震設計的地震重現期應依據《公路懸索橋設計規范》進行，E1和E2地震作用重現期分別取為1000年和2500年。

常規橋梁的抗震設計，一般都是參照《公路橋梁抗震設計規范》進行，即常規橋梁抗震設計所采用反應譜的設計基準期為50年，超越概率為10%。而對于大跨度懸索橋，設計基準期多采用100年，設計地震波重現期超出了規范規定，因此需要通過設計基準期來確立結構的抗震設防標準和橋梁所在場地的地震動參數（主要是地震動峰值加速度）。

3 地震動峰值計算

不同設計基準期下的地震動峰值加速度計算如下[5-7]。

其中：I0——基本烈度；T——設計基準期；R——重現期。

考慮到目前多數橋梁均采用100年設計基準期來進行抗震設計，表4為100年設計基準期下不同重現期下地震動峰值加速度。

表4 100年設計基準下不同動重現期下地震動峰值加速度

相關橋梁抗震設計規范中只給出了設計基準期為50年、超越概率為10%所對應的地震動峰值加速度，因此，本文以50年設計基準期、超越概率10%下的地震動峰值加速度（規范規定的基本地震動峰值加速度）為基準值，其他基準期下不同超越概率的地震動峰值加速度采用比值關系來描述。即定義以下比例系數k。

不同重現期下地震動峰值加速度比值如表5所示。

表5 不同重現期下地震動峰值加速度比值

根據表5計算結果，繪制以系數k計算的475年、1000年和2500年重現期地震反應譜（圖1），據此可進行大跨度懸索橋的反應譜分析。

圖1 不同重現期對應反應譜

根據表5和圖1的計算結果及反應譜曲線可以進行人工地震波的擬合，本文采用SeismoArtif軟件進行地震波擬合，得到7條時程曲線，將所得到的7條地震波時程曲線的反應譜與圖1中2500年重現期反應譜曲線的對比（圖2）。由圖2可知，根據人工波得到的反應譜與計算得到的反應譜吻合良好，由此可根據人工波進行大跨度懸索橋的時程分析。

圖2 2500年重現期擬合地震波反應譜與計算反應譜對比

4 結語

（1）現行各類橋梁規范對大跨度懸索橋等特殊結構抗震設計的基準期、重現期和地震動峰值加速度規定并不一致。E1和E2地震作用下，大跨度懸索橋抗震設計的地震重現期應分別取1000年和2500年。

（2）以50年設計基準期、超越概率10%下的地震動峰值加速度（規范規定的基本地震動峰值加速度）為基準值，50年、100年、1000年和2500年重現期的反應譜值分別為基準值的0.346倍、0.495倍、1.337倍和1.832倍，以此為基礎可以確定不同設防水準下的峰值加速度，該設計反應譜對工程可行性研究階段甚至初步設計階段具有重要的參考意義。