根据中国和欧洲规范的预应力混凝土连续刚构桥地震反应谱法计算比较

唐 涛， 易 达， 李剑鸾， 翁怡军

(西南交通大学土木工程学院, 四川成都 610031)

根据中国和欧洲规范的预应力混凝土连续刚构桥地震反应谱法计算比较

唐 涛， 易 达， 李剑鸾， 翁怡军

(西南交通大学土木工程学院, 四川成都 610031)

文章将中国铁路工程抗震设计规范与欧洲规范中的地震反应谱法进行比较，并按照所得两种不同的反应谱计算保加利亚某铁路桥的地震响应。通过计算，认为中国铁路工程抗震设计规范所取得的水平地震反应谱值在长周期段高于欧洲规范，在短周期段低于欧洲规范；且中国规范对竖直地震反应谱没有详细规定。

欧洲规范； 铁路规范； 抗震设计； 反应谱法

反应谱法是验算土木工程结构抗震性能的重要方法，但不同规范对反应谱的选择有较大差异。沈建文[1]等指出，重大工程地震安全性评价得出的一致概率反应谱的长周期部分，通常低于中国规范给出的设计反应谱，这将造成长周期重大工程的抗震设防标准偏低。在将中国规范地震反应谱和欧洲、美国规范进行比较后，余湛[2]等认为现行的欧洲和美国规范的设计反应谱短周期部分高于中国规范，但随着周期的加大，由于中国规范反应谱下降指数较小，使得中国规范的反应谱逐渐接近并超过欧洲规范。倪永军[3]等通过与欧洲规范的对比研究，表明我国铁路桥梁多遇地震和设防地震的反应谱峰值加速度均低于欧洲规范的响应地震作用取值，但反应谱的下降段基本重合。现有的研究多是将规范中选取反应谱的条文进行比较，而用根据中欧规范选取的不同反应谱进行实桥计算，能更直观的考察中欧规范的差异。本文以保加利亚某桥为例，根据欧洲规范和中国铁路工程抗震设计规范选取地震反应谱，计算该桥在地震作用下的内力响应。

1 工程背景

保加利亚某桥设计方案为预应力混凝土箱梁连续刚构桥，位于保加利亚西南连接首都索菲亚和第二大城市普罗夫迪夫之间的铁路线上。该桥为两线铁路桥，设计时速为160km/h，客货共线。跨径布置为(52+70+78+100×3+78+70+52)m，混凝土箱梁为单箱单室，顶板宽13.51m，梁高最高8m，最小5m；梁体采用C45混凝土，后张预应力。中间P4、P5号桥墩为双薄壁墩，采用C55混凝土，墩梁固结。薄壁墩长6.674m，厚1.2m，两壁中心距5m。P4墩高18.5m，P5墩高18m。其余为独柱空心墩，采用C35混凝土。墩梁铰接，采用半球形钢支座。P1、P2墩因临近既有铁路，采用沉井基础，其余墩台处采用扩大基础。该桥拟用悬臂浇筑法施工，由两侧边跨至中间主跨依次合龙。全桥跨径布置见图1，主梁断面见图2。该桥位于保加利亚地震带上，地震重现周期475a的地面加速度为0.23g。

图1 桥跨布置 (单位: m)

2 自振特性分析

本文首先利用Midas Civil软件建立全桥梁单元模型，计算V832号桥的自振特性。全桥有限元模型见图3。桥址处均为风化程度较轻的良好岩石，因此该桥未采用桩、箱基础，而采用混凝土扩大基础和沉井式基础。在计算桥梁动力特性时，不考虑刚性基础的影响，在各桥墩墩底采用全固结形式，即限制所有方向平动和转动。桥梁上部附属设施、非受力结构(轨道、道砟、供电线路、排水设施和挡砟墙等)和列车活载均以质量形式施加于桥面高度处的桥轴线上。用Lanczos方法计算桥梁自振特性。桥梁前10阶振型见表1。

3 按欧洲规范的地震反应谱法计算分析

根据欧洲规范，结合保加利亚国家附录中相关规定，确定该桥在地震重现周期475a的地面加速度为0.23g，桥址处为A类地形，重要性系数取1.4，行为系数q=1.5，选取反应谱类型为1类谱。根据GB 50111-2006 (2009年版)《铁路工程抗震设计规范》，该桥场地类型为I类；该桥位于交通要塞，跨越长大山谷，联长较长，因此为B类工程，设计地震为8度，抗震设防烈度为8度(0.3g)。水平设计谱短周期段界限值TA取0.1 s，特征周期选取I类二区Tg=0.3 s。竖向设计谱按水平设计谱形状参数取值且设计地震动加速度取水平加速度的65 %。按照以上规范规定所取得的水平和竖直地震反应谱如图4所示。

图2 箱梁断面 (单位:m)

图3 全桥梁单元模型

表1 桥梁前10阶振型

图4 根据中国规范和欧洲规范的加速度反应谱

地震时桥上有车的工况在铁路桥梁抗震计算中值得考虑。根据欧洲规范，应在各方向计入0.3倍单线列车活载引起的地震力。根据铁路工程抗震规范，顺桥向、横桥向和竖向分别按照0、50 %和100 %计入单线活载引起的地震力。利用Midas Civil计算得各墩墩底反力和弯矩见表2、表3。

表2 顺桥向地震力作用下按欧洲规范和中国铁路抗震规范墩底反力和墩底弯矩

表3 横桥向地震力作用下按欧洲规范和中国铁路抗震规范墩底反力和墩底弯矩

本桥第一阶振型为主梁纵飘，周期为2.34 s，振型参与质量达到93.85 %，对于该阶振型，中国规范计算得加速度反应谱值为1.324 m/s2，欧洲规范计算所得加速度反应谱值为0.865 m/s2，中国规范为欧洲规范的1.53倍。计入活载影响后，中国规范计算所得前120阶墩底反力和墩底顺桥向弯矩比欧洲规范大49 %。桥梁横向振型参与质量主要集中在第2阶(周期0.746 s)和第10阶(周期0.427 s), 对于这两阶振型所对应的加速度反应谱值而言，中国规范计算所得值约为欧洲规范计算所得值的0.7倍。其他横向振型对应的周期下，中国规范均较欧洲规范小。根据两种规范计算得到各墩墩底横桥向反力和弯矩最大相差30 %。

4 结论

由以上计算可知，由于反应谱形状和对应取值的不同，根据中国规范和欧洲规范计算结果相差较大。中国规范在水平反映谱的长周期段谱值大于欧洲规范，短周期段小于欧洲规范。

对于竖向地震反应谱而言，中国规范规定不详细，中国规范和欧洲规范选定的竖向反应谱相差甚大，因此建议在以后的规范修订中，将竖直反应谱的取值进行细化。

[1] 沈建文, 石树中. 一致概率谱与规范谱[J]. 地震学报, 2004, 26(1)：94-101.

[2] 余湛. 从中国、美国、欧洲抗震设计规范谱的比较探讨我国的抗震设计反应谱[J]. 震灾防御技术, 2008， 3(2)：136-143.

[3] 倪永军. 高铁大跨桥梁设计地震作用与国内外主要抗震规范的比较研究[J]. 振动与冲击, 2016, 35(4): 72-80.

U442.5+5

A

[定稿日期]2016-10-18

[作者信息]唐涛(1991～)，男，在读研究生，研究方向为大跨桥梁设计计算和复杂钢桥结构设计。