橋梁抗震規范地震動參數與結構響應對比分析

李延 閆桂豪

[摘? 要]：橋梁抗震設計領域內的現行參考規范共有3本，對橋梁抗震設計地震動參數取值均有不同的規定。文章對3本現行參考規范的地震動參數相關規定條款進行了對比，并以1座公路斜拉橋、1座公路連續梁橋為例采用多振型反應譜法對計算響應結果進行了對比，以期為相關工程從業人員提供參考依據。

[關鍵詞]：橋梁抗震; 反應譜; 抗震規范

U442.5+5A

在橋梁抗震設計領域內，設計人員主要參考2013年頒布的JTG B02-2013《公路工程抗震規范》[1]（以下簡稱13公路抗震規范）、2020年頒布的JTG/T 2231-01-2020《公路橋梁抗震設計規范》[2]（以下簡稱20橋梁抗震規范）和2012年頒布的CJJ166-2011《城市橋梁抗震設計規范》[3]（以下簡稱12城市抗震規范）作為日常設計工作的參考規范，但是這3本規范由于發布年限相差較大，編寫時的參考文獻也不盡相同，導致包括設防標準、重要性系數、函數形式、阻尼系數、場地系數等多種地震動參數的取值均存在一定的差異。此外，雖然3本規范的適用范圍不同，但是在實際工程項目中存在部分工程項目處于適用范圍的模糊區域，這些問題均對日常設計工作產生一定的困擾。目前，由于20橋梁抗震規范處于新發布狀態，雖然已有部分從業人員對20橋梁抗震規范與2008年JTG/T B02-01-2008《公路橋梁抗震設計細則》的修訂之處進行了對比[4]，但是與現行其他橋梁設計規范尚未進行對比。

因此，本文對3本參考規范中反應譜參數和曲線進行對比，同時以兩座不同橋型的公路橋梁為例，對比3本規范反應譜計算方法下結構地震響應，以期為相關工程人員提供參考借鑒。

1 抗震規范地震動參數對比

13公路抗震規范、20橋梁抗震規范和12城市抗震規范從設計理念上均采用“兩水準設防、兩階段設計”的設計理念，根據橋梁抗震設防分類、場地、阻尼比等多個參數確定橋梁結構抗震設計反應譜。

1.1 橋梁抗震設防分類對比

13公路抗震規范、20橋梁抗震規范均根據公路等級、結構形式、橋梁跨徑等因素將橋梁分為A、B、C、D 4類。根據不同橋梁的設防分類，對橋梁結構的重要性系數進行了規定，重要性系數與地震動重現期如表1所示。

而12城市抗震規范根據結構形式、在城市交通網絡中位置的重要性以及承擔的交通量，將城市橋梁分為甲、乙、丙、丁4類。根據不同橋梁的設防分類，對橋梁結構的地震調整系數進行了規定。其中甲類橋梁按照地震場地安全性評價中重現期475年和2 500年的設防標準取用，其他設防分類橋梁具體規定參見表2。

12城市抗震規范E1地震調整系數是根據GB 50011-2001《建筑抗震設計規范》的多遇地震（重現期63年）乘以相應重要性系數得到，E2地震作用直接采用GB 50011-2001《建筑抗震設計規范》罕遇地震的相關規定（重現期2000年—2450年）。

由此可見，12城市抗震規范的丁類橋梁的地震設防重現期可近似等同于13公路抗震規范、20橋梁抗震規范C類橋梁的設防重現期，而乙類橋梁、丙類橋梁均高于13公路抗震規范、20橋梁抗震規范中的B類橋梁。從設防標準上講，12城市抗震規范的設防標準稍高于兩本公路行業設防標準。

1.2 地震動反應譜形式對比

在反應譜函數形式上，13公路抗震規范、20橋梁抗震規范均由上升段、平臺段和下降段共計3段組成，其中上升段兩者均為恒定斜率的上升直線，平臺段遍布周期區間0.1 s～Tg（特征周期）的設計加速度等值，下降段兩者均規定為遍布周期區間Tg～10 s的反比例函數曲線（圖1）。兩者的差異主要體現在2點：一是上升段的形式不同;13抗震規范在周期零點對應的縱坐標數值大小為0.45 Smax，20抗震規范為0.4 Smax，前者較后者數值稍大、上升段斜率偏小，但上升段的差別總體來講很小。二是平臺段峰值不同;20抗震規范平臺段峰值的動力放大系數由13抗震規范固定的2.25增加為2.5。

而12城市抗震規范中由上升段、平臺段、反比例下降段和線性下降段，共計4段組成構成（圖1）;其中上升段與平臺段形式與公路行業2本規范相同，上升段終點周期為0.1 s;平臺段遍布周期區間0.1 s～Tg（特征周期）;反比例下降段形式上公路行業相似，增加了考慮阻尼效應的阻尼衰減指數，遍布周期區間Tg ～5Tg;在5Tg～6 s之間，為直線下降段，考慮長周期位移控制的影響。與13公路抗震規范相比，12城市抗震規范反應譜的最長周期僅到6 s。

工程結構李延， 閆桂豪： 橋梁抗震規范地震動參數與結構響應對比分析

1.3 結構阻尼比影響對比

在結構阻尼比對反應譜的影響方面，3本規范均采用阻尼調整系數對反應譜峰值進行調整，其中12城市抗震規范和13公路抗震規范阻尼調整系數計算公式完全相同，而20橋梁抗震規范阻尼調整系數計算公式略有差異，不同阻尼比下阻尼調整系數對應關系見圖2。

1.4 地震動場地因素影響對比

在場地因素影響上，3本規范均需要根據地震場地對反應譜特征周期進行調整，除20橋梁抗震規范對I類場地進行了細分外，3本規范在II、III、IV場地類型的特征周期調整上完全一致。

此外13公路抗震規范和20橋梁抗震規范采用場地調整系數對地震動反應譜峰值進行調整，其中20橋梁抗震規范水平場地系數引自GB 18306-2015《中國地震動參數區劃圖》[5]，此概念也是首次引入《中國地震動參數區劃圖》[6]。而13公路抗震規范引自JTG/T B02-01-2008《公路橋梁抗震設計細則》，兩者在場地調整系數的具體數值上存在些許差異。而12城市抗震規范中未有針對場地調整系數的相關規定。

2 水平地震動響應對比分析

對比結果表明12城市抗震規范、13公路抗震規范和20橋梁抗震規范在多個地震動參數上均有不同程度的差異。為更加實際對比12城市抗震規范、13公路抗震規范和20橋梁抗震規范對橋梁結構地震響應的影響，本文后續將以1座公路斜拉橋、1座公路連續梁橋為例，對比橋梁結構水平地震動反應譜下的地震響應。

2.1 工程項目簡介

某公路雙塔斜拉橋中跨鋼混組合梁橋，邊跨為混凝土箱梁，全跨65 m+75 m+75 m+75 m+820 m+75 m+75 m+75 m+65 m，橋梁結構體系為矮塔處塔梁固結，高塔處縱向漂浮，具體橋梁布置如圖3所示。

某公路橋梁引橋為4×40 m的混凝土T梁，支座采用板式橡膠支座，具體橋梁標準斷面如圖4所示。

2.2 結構建模與特征周期

利用sap2000有限元軟件對斜拉橋和連續梁橋進行建模，其中橋梁墩柱、橋塔、主梁均采用梁單元進行模擬，斜拉索采用桁架單元進行模擬同時考慮拉索幾何大變形所造成的剛度影響，基礎采用六彈簧模擬，板式橡膠支座采用彈性連接單元模擬，橋梁模型如圖5所示，特征周期見表3。

2.3 水平向反應譜地震響應對比分析

考慮到12城市抗震規范乙、丙、丁類橋梁采用建筑抗震規范中多遇地震乘重要系數的方式得到地震調整系數，地震重現期對應不明確。因此本小節計算過程中橋梁設防標準均統一選用重現期475年的標準，對應重要性系數和地震調整系數均為1.0。

采用多振型反應譜計算斜拉橋和連續梁橋的縱向地震動響應，計算振型為200階，保證模型在各個方向上累計振型參與質量均大于90%，計算精度滿足要求。具體計算結果如圖6所示。

可以看出，對于20橋梁抗震規范和13公路抗震規范在結構地震響應差別的區間在[0.85，1.31]之間，其差異相對較小，且與橋型類別無關。造成的差異主要是由20橋梁抗震規范中將反應譜平臺段峰值的動力放大系數由13抗震規范的2.25增加為2.5，和兩者場地系數的參考文獻不同導致的。而12城市抗震規范和13公路抗震規范的結構地震響應差別區間為[0.78，1.62]，尤其在II類場地條件下的差異較大，且地震動響應比值與橋型結構本身相關。造成這種差異的因素主要是由于12城市抗震規范中未考慮場地因素的影響，且在反應譜曲線的下降段函數上也存在不同。

3 結論

本文重點對比現行的3本橋梁抗震規范中地震動參數，同時以1座斜拉橋、1座連續梁橋為例對其結構響應進行了對比分析，總體結論：

（1）20橋梁抗震規范與13公路抗震規范的地震動參數的體系基本相同，僅在部分數值上存在少量差別，橋梁結構的地震響應差異基本上是由修訂中部分系數的調整造成的。

（2）12城市抗震規范和13公路橋梁抗震規范的地震動參數體系差別較大，在橋梁結構地震響應上存在明顯的差異。

參考文獻

[1] 公路工程抗震規范： JTG B02-2013[S].

[2] 公路橋梁抗震設計規范： JTG/T 2231-01-2020[S].

[3] 城市橋梁抗震設計規范： CJJ 166-2011[S].

[4] 唐光武， 鄭萬山， 劉海明. 《公路橋梁抗震設計規范》修訂簡介： JTG/T 2231-01—2020[J]. 公路交通技術， 2021， 37（6）：5.

[5] 中國地震動參數區劃圖： GB 18306-2015[S].

[6] 劉曉東. 新版國家標準《中國地震動參數區劃圖》（GB18306—2015）的主要變化[J]. 中國標準導報， 2015（9）：23-26.