中菲桥梁抗震设计规范比较

冯国军

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

菲律宾是一个地震多发国家,且地震动峰值加速度高达0.4g以上。对菲律宾抗震设计研究成为做好该地区项目的关键。本文主要对中菲两国铁路桥梁抗震设计规范进行介绍和比较,以期为今后国际项目开展提供参考。

1 桥梁抗震设计的基本思想

桥梁抗震设计的基本思想和设计准则是制定规范的最重要之处,它决定了抗震设计要达到的目标、采用的设计地震动水平和地震反应的计算方法,因此这里首先介绍中菲两国的桥梁抗震设计规范的基本设计思想,见表1。

表1 中菲桥梁抗震设计规范比较

《铁路工程抗震设计规范》(GBJ111—87)采用单一水准的抗震设防思想,仅进行基本烈度下的抗震验算,在抗震设计时,只进行设计地震力作用下的强度验算,没有考虑桥梁结构的“变形能力”和“耗能能力”[1],而《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)明确规定了3个水准的抗震设防目标,这较GBJ111—87规范是一个较大的进步。从表中可见,中菲两国桥梁抗震设计规范的基本思想和设计准则在用词上虽有所不同,但可归纳为功能设计地震和安全设计地震,其思想是基本一致的；功能设计地震具有较大的发生概率,安全设计地震具有很小的发生概率,在功能设计地震作用下,桥梁结构只允许发生十分轻微的破坏,不影响正常的交通,不经修复也可以继续使用,在安全设计地震的作用下,允许桥梁结构发生较大的破坏,但不允许发生整体破坏[2～4,5]。

2 设计地震动

2.1 地震区划及场地分类

地震作用强度是结构抗震中最重要的地震动参数之一,我国《铁路工程抗震设计规范》采用地震设防烈度和地震动峰值加速度来表述,规范给出地震设防烈度和地震动峰值加速度的对应关系,采用3个地震烈度水准来考虑[4,6，7]：

多遇地震：重现期为50年；

设计地震：50年超越概率为10%,重现期为475年；

罕遇地震：50年超越概率为2%～3%,重现期为2 475年。

NSCP直接使用地震动峰值加速度来表述,50年超越概率5%～20%,相当于我国《铁路工程抗震设计规范》的设计地震[2～4]。

中菲两国桥梁抗震设计规范中都考虑了场地条件对设计地震动参数的影响,具体做法是按照一定规则对场地进行分类,然后分别给出各类别场地的地震设计反应谱。我国《铁路工程抗震设计规范》根据场地计算深度内土层等效剪切波速划分场地类别,共分为4类(表2)。

表2 场地类别

NSCP根据地表覆盖层厚度和场地剪切波速确定场地类别,共分为3类[2]：

Ⅰ类场地土(符合下列两款中任一款即可)：

厦门市财政要求各预算单位加快预算执行，1—6月、1—9月、1—10月序时进度分别不得低于45%、70%和80%，最后2个月支出金额不得超过全年预算数的20%，确保均衡支出，严控年底突击花钱。厦门T大学2017年的财政资金预算执行情况如下表。

(1)任何性质的岩石,或类似页岩、晶体性质的土壤(这类材料的剪切波速通长大于760 m/s)

(2)覆盖在岩石上面的土质类型为稳定的砂、砾石、坚硬的黏性土,且这些坚硬土的厚度小于60 m。

Ⅱ类场地土:覆盖在岩石上面的土质类型为稳定的砂、砾石、坚硬的黏性土,且这些坚硬土的厚度大于60 m。

Ⅲ类场地土:具有不小于10 m厚的中软土,中间有无砂或其他非黏性土夹层均可。

当对土质特性了解不充分或无法确定工程位置处的场地类型是否与上述3种类型相符时,应采用II类场地土的相关参数。

2.2 地震反应谱

我国《铁路工程抗震设计规范》与NSCP的弹性反应谱曲线见图1及图2。

图1 动力放大系数β曲线(中国铁路)

图2 标准化加速度谱曲线(NSCP)

NSCP标准化加速度谱曲线由下述公式给出

(1)

式中A——地震动峰值加速度；

S——场地类型系数；Ⅰ类场地土,S=1.0；Ⅱ类场地土,S=1.2；Ⅲ类场地土,S=1.5；

T——桥梁自振周期。

任何情况下Cs值不应超过2.5A；对于III类场地土,当A≥0.30g时,Cs不应超过2.0A。

由图可见两国规范反应谱之间存在差别：(1)在短周期段,我国规范有一个下降段,NSCP无下降段；理论上,有下降段是合理的,但无下降段的处理更简单。现行《铁路工程抗震设计规范》下降段的拐点周期是0.1 s,一般桥梁结构的基本周期远大于此,因此,下降段实际意义并非十分重要；(2)两国规范反应谱的平台最大值高度不同,且NSCP平台高度还随着场地类别变化,但我国规范反应谱的平台高度不随着场地变化,从地震反应谱的客观特性来说,标准化反应谱的台阶高度是随场地类型变化的；(3)NSCP的反应谱对应设计地震,而我国《铁路工程抗震设计规范》的反应谱对应多遇地震；(4)现行《铁路工程抗震设计规范》根据场地类别和地震动参数区划确定地震动反应谱特征周期Tg,然后确定反应谱曲线；NSCP没有归纳地震动反应谱的特征周期,由公式(1)直接给出加速度反应谱公式。

3 地震反应分析和计算方法

目前各国桥梁抗震设计规范采用的地震反应分析方法有4种：等效静力法、线性动力法、非线性静力法和非线性动力法。其中等效静力法和线性动力法是目前规范中广泛应用的方法。非线性静力分析方法主要是用来确定结构的倒塌机制和能力,目前只有极少数国家的桥梁抗震设计准则中引入这一方法,将来可能有更多的规范引入。各国规范对非线性动力法用于桥梁抗震设计一般只有定性的指导性条款,没有实施细则[5,8～9]。

我国《铁路工程抗震设计规范》采用了等效静力法(分析桥台及上下部结构连接)、线性动力法(多遇地震下桥梁抗震分析)和非线性动力法(罕遇地震下钢筋混凝土桥墩延性分析)；NSCP分析地震作用时采用了等效静力法(分析桥台及上下部结构连接)、线性动力法(设计地震下桥梁抗震分析)以及非线性动力法(钢筋混凝土桥墩的塑性分析)。两国桥梁抗震分析计算方法对比见表3、表4。

表3 我国铁路工程抗震分析方法

表4 NSCP抗震分析方法

关于地震力荷载组合：我国《铁路工程抗震设计规范》采用结构自重+水压力+水浮力+土压力+活载重力+离心力+列车活载土压力+地震力的组合方式;NSCP采用结构自重+水压力+水浮力+土压力+地震力的组合方式。两国规范的差别在于对活载是否与地震力进行组合上；NSCP虽未将活载与地震力进行组合,但在计算结构整体刚度时按以下条款考虑：一般情况下在进行结构分析时不考虑活载,但位于中心城区以及活载和恒载的比值较高时应该考虑活载的影响。

4 设计地震力

我国《铁路工程抗震设计规范》采用多遇地震作用下的弹性地震力作为桥墩和基础的设计地震力；采用设计地震验算连接构造；对罕遇地震作用下钢筋混凝土桥墩进行延性设计,并规定了钢筋混凝土桥墩的非线性位移延性比限值。

NSCP采用设计地震作用下的弹性地震力除以力折减系数R作为构件的设计地震力,不同构件因为其延性的差异而采用不同的折减系数。基础的设计地震力与其上桥墩的设计地震力不同,采用桥墩的塑性力或不除以折减系数R的弹性地震力(取两者中的较小者,一般情况下由桥墩塑性铰所产生的塑性力较小)作为基础的设计力；NSCP更加注重基础的安全性。由于建筑材料的实际强度往往大于其设计采用值,因此在确定结构塑性铰的位置时材料的这种超强会带来不利影响。NSCP引入结构超强系数这个概念,钢筋混凝土结构采用1.3、钢结构采用1.25的超强系数,实际用于设计的基础地震力为乘以结构超强系数后的桥墩塑性力。

5 混凝土结构设计方法(表5)

表5 混凝土结构设计方法

能力设计思想的基本概念在于合理地选择塑性铰出现的位置,通过牺牲塑性铰所在的延性构件的耗能能力,来保证结构中脆性构件(能力保护构件)处于弹性反应阶段,从而换取整个结构的安全。按照这一思想,为了确保塑性铰的弯曲耗能能力,必须防止塑性铰所在的延性构件内部发生脆性破坏模式,因此有必要在非延性破坏模式和设计延性变形模式之间确保一个合适的强度界限,这是能力设计的基础。在桥梁抗震设计中,为了使地震造成的破坏易于检查和维修,通常把桥墩选为延性构件,要求弯曲塑性铰出现在地面以上桥墩部分的顶部或底部,上部结构和地面以下的基础结构为能力保护构件[2,3,8,10]。

6 结语

本文对我国现行《铁路工程抗震设计规范》以及菲律宾NSCP规范抗震篇进行了对比,两国规范的主要差别在抗震设防标准、构造细节及桥梁基础的抗震设计上,总结如下。

(1)抗震设防标准:这是桥梁抗震设计的最基本问题；NSCP采用一水平设计,我国《铁路工程抗震设计规范》采用三水准设防,总体上“三水准设防”优于“一水平设计”,我国规范中的设计方法及具体细节尚需完善。

(2)构造细节:桥梁结构抗震设计中的许多问题目前还不能完全通过量化方法借以解决。因此根据震害经验等提出的构造要求对保证桥梁结构的抗震安全十分重要,相比之下我国铁路抗震设计规范在延性设计的构造细节上略显不足。

(3)桥梁基础的抗震设计:从历次大地震震害可以看出,基础破坏是导致桥梁结构地震破坏的主要原因之一。基于阪神地震的经验,地震后桥梁上部结构的修复和重建都比下部基础经济和省时、省力,因此桥梁基础的抗震能力的要求应比桥墩高。我国铁路抗震设计规范亦指出：“大量的震害经验表明,基础震害常使桥梁的修复、加固十分困难,甚至无法修复。因此,对地震区(特别是8度及以上地区)的桥梁在场地选择和基础设计时应倍加重视”。NSCP及美国的桥梁抗震设计规范采用能力设计方法对基础进行设计值得我们参考和借鉴。

[1]GBJ111—87,铁路工程抗震设计规范[S]．

[2]National Structural Code of the Philippines Volume Ⅱ (Bridges), 2005.

[3]HB-17, Standard Specifications for Highway bridges. 17th Edition 2002[S]. American Association of State Highway and Transportation Officials, 2002.

[4]GB50111—2006,铁路工程抗震设计规范[S].

[5]范立础，等.桥梁抗震设计规范的现状与发展趋势[J].地震工程与工程振动,2001,21(2)：71-77.

[6]GB50011—2001,建筑抗震设计规范[S]．

[7]GB18306—2001,中国地震动参数区划图[S]．

[8]M.J.N.普瑞斯特雷,F.塞勃勒,G.M.卡尔维.袁万城,等译.桥梁抗震设计与加固[M].北京：人民交通出版社,1997．

[9]范立础，等.桥梁延性抗震设计[M].北京：人民交通出版社,2001．

[10]赵冠远，等.对美国桥梁抗震规范中桥墩抗剪强度计算公式的评价[J].世界地震工程,2002，18(4)：85-90.