印度与中国桥梁抗震设计规范对比

冯智铭、孙凤启

（中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

0 引言

近年来，中国基建企业大量走出国门，必须应用国外标准规范。印度桥梁抗震设计作为一种区域性规范，国内设计院对其研究还有一定空白。本文将对印度桥梁抗震设计规范IRC:SP:114—2018《Guidelines for Seismic Design of Road Bridges》（以下简称“印度规范”）进行介绍，重要内容与国内规范JTG/T 2231-01—2020《公路桥梁抗震设计规范》（以下简称“中国规范”）进行对比，并对中印两国规范的设计反应谱进行计算和对比。

1 适用范围

印度规范明确规定了设计寿命超过100 年的桥梁，印度规范不在其适用范围内。中国规范并未对桥梁的设计寿命作要求，仅限定了桥梁的结构形式。

2 设防标准

印度规范将地震作用分为两个等级，DBE（Design Basis Earthquake）和MCE（Maximum Considered Earthquake）。DBE 是指在桥梁设计寿命内可能多次发生的，桥梁能够承受，发生较小损坏的地震。MCE 是指桥梁在设计寿命内可能发生的一次大地震，桥梁会发生严重损坏，但不会倒塌[1]。规范规定设计寿命小于等于100 年的桥梁，可仅按DBE 设计（一阶段设防）。结合1 中的限定条件，印度规范仅适用于DBE 设计。印度规范根据桥梁的重要性，将桥梁分为普通桥梁、重要桥梁、大型关键桥梁三类抗震等级，每一类对应不同的重要性系数，以达到针对性设防。

中国规范根据桥梁的等级将设防分类分为A～D四类，每一类设防分类对应不同的设防目标和抗震措施。对于等级较高的桥梁，需进行E1 设计和E2 设计，两阶段设防。

3 荷载组合

根据印度桥梁荷载规范IRC:6—2017《Standard Specifications and Code of Practice For Road Bridges-Section:II Loads and Load Combinations》，桥梁抗震计算中应考虑结构恒载、预应力、土压力、水压力、地震作用、活载和温度荷载等。其中地震作用的组合系数为1.5 而不是1.0，活载的组合系数为0.2，温度荷载的组合系数为0.5，但并未阐明是否在结构计算中考虑温度荷载。

中国规范规定桥梁抗震设计应考虑结构恒载、预应力、土压力、水压力、地震作用和温度荷载。其中地震作用的组合系数为1.0，温度荷载仅在支座等连接构件计算时计入，其组合系数同为0.5，不考虑活载。

4 场地类别及岩土类别

印度规范并未在抗震设计中应用场地类别，设计反应谱仅依据岩土类别进行计算。印度规范根据标贯值N、级配、岩土分类等将岩土类别划分为三类：岩石或坚硬土（Rock or Hard soils）、中硬土（Medium or Stiff soils）、软土（Soft soils），如表1 所示。

表1 印度规范岩土类别

中国规范根据岩土计算深度内的平均剪切波速将场地分为Ⅰ0、Ⅰ1、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ共5 类，设计反应谱根据场地类别取用场地系数Cs和反应谱特征周期Tg对设计反应谱进行计算。但是，中国规范中也对岩土给出了分类标准，共分为岩石、坚硬土或软质岩、中硬土、中软土和软弱土5 类[2]。

5 地震动峰值加速度

印度规范中，将印度划分为4 个区域，根据项目所在地的位置取用区域系数Z，区域系数即代表地震动峰值加速度。而规范并未明确区域系数对应的地震重现期及岩土类别（或场地），如表2 所示。

表2 印度规范区域系数（无Ⅰ区）

中国规范中，根据项目所在地在《中国地震动参数区划图》的分区，查找设防烈度和地震动峰值加速度，对应重现期475 年的Ⅱ类场地峰值加速度，有0.05g、0.1g、0.15g、0.2g、0.3g 和0.4g 共6 组取值。

6 设计反应谱曲线

6.1 印度规范

印度规范中，水平地震系数按如下公式计算。

式（1）中：Z为区域系数；I为重要性系数；R为响应折减系数；Sa/g为设计加速度系数，其表达式（对应0.05的结构阻尼比）如下：

式（2）～式（4）中：T为结构周期。

6.2 中国规范

中国规范中，设计反应谱根据以下公式计算。

式（5）中：T0=0.1s；T为结构周期；Tg为特征周期；Smax为设计加速度反应谱最大值。

式（6）中：Ci为抗震重要性系数；Cs为场地系数；Cd为阻尼调整系数;A为水平向基本地震动峰值加速度。

6.3 对比

印度规范中的Z对应中国规范中的A，但印度规范在计算反应谱时将Z 乘以了1/2 的系数，已达到DBE 设计。

印度规范中的响应折减系数R在中国规范中没有应用，但在美标、欧标等主流规范中均有应用。R用于拟发生塑性行为的结构中，对于完全弹性的结构，不能盲目使用该系数。中国规范中要求E1 地震作用下结构总体反应在弹性范围，不允许进入塑性，E2 地震作用下结构可以进入塑性。但印度规范仅一阶段设防，DBE 设计中结构也可以进入塑性。

I与Ci均为重要性系数，印度规范中重要性系数根据不同的抗震等级选择即可，如表3 所示。

表3 印度规范中重要性系数

而中国规范需根据桥梁抗震设防类别和地震作用取值，已达到两阶段设防的目的，如表4 所示。

表4 中国规范桥梁抗震重要性系数Ci

括号中数值为高速公路和一级公路上的B 类大桥、特大桥的抗震重要性系数。

中国规范中规定了不同结构阻尼比的阻尼调整系数的计算公式，且结构阻尼比为0.05 时，阻尼调整系数为1.0。印度规范中反应谱计算公式是基于结构阻尼比为0.05 的情况，未明确对不同阻尼比的结构应该如何调整计算公式，但在印度结构抗震设计规范IS 1893(Part Ⅰ):2002《Criteria for Earthquake Resistant Design of Structures》中，规定了不同结构阻尼比的阻尼调整系数，结构阻尼比为0.05 时阻尼调整系数也为1.0。

反应谱的起点值（T=0s）和峰值，印度规范中为(Z/2)I/R和2.5(Z/2)I/R，而中国规范中为CiCsCd A和2.5CiCsCd A。对于阻尼比为0.05 的混凝土桥梁，不考虑塑性设计仅对比弹性反应谱，即不考虑R和Cd，反应谱起点值分别为(Z/2)I和CiCs A，反应谱峰值为2.5(Z/2)I和2.5CiCs A，可见中国规范的反应谱起点值和峰值考虑了场地对谱值起点的影响，而印度规范没有考虑场地（岩土类别）的影响，不同场地（岩土类别）下反应谱起点值和峰值均为相同值。

印度规范中，每种岩土类别对应的反应谱峰值相同仅特征周期不同。中国规范中，需要根据项目所在地场地类别以及在区划图上的特征周期，选取反应谱特征周期，场地类别和项目所在地的地理位置都有影响。印度规范中竖向反应谱取水平反应谱的2/3，而中国规范竖向反应谱不仅数值小于水平反应谱，反应谱曲线形状也不一样，需要根据竖向场地系数和竖向反应谱特征周期另外计算竖向反应谱，与水平反应谱之间不是简单的等比例折减关系。

7 反应谱实例计算对比

为了对中印两国规范的设计水平反应谱进行直观比较，现依据尼泊尔当地某高速公路桥梁项目对设计水平反应谱进行计算和对比。该项目桥梁为(45+80+45)m 预应力混凝土刚构桥，按印度规范V 区进行抗震设计[3]。

区域系数Z=0.36，对应中国规范取A=0.36g，按9度区考虑。重要性系数I 取1.2，对应中国规范为B 类设防类别、四级抗震措施，重要性系数E1 地震作用下取0.5、E2 地震作用下取1.7。为了使两国反应谱有可比性，仅对比弹性反应谱，不考虑塑性设计，响应折减系数R=1.0。参考西藏樟木地区，反应谱特征周期取值，详见表5：

表5 调整后反应谱特征周期取值

印度规范取各岩土类别下设计反应谱，与中国规范E1 和E2 作用下所有场地类别的设计反应谱进行对比，画出图像如图1 所示。

图1 中印设计反应谱对比图

图1 中，“印-岩石”代表印度规范岩石或坚硬土类别的设计反应谱，以此类推。“中-I0-E1”代表中国规范E1 地震作用下Ⅰ0场地对应的设计反应谱，以此类推。对比可知，印度规范的水平弹性反应谱普遍接近中国规范E1 作用下的反应谱，明显小于E2 作用下的反应谱。在桥梁结构计算中重点关注的1～3s 周期段，“印-岩石”反应谱与“中Ⅱ-E1”反应谱十分接近，差距在7%左右。“印-中硬土”反应谱与“中Ⅲ-E1”反应谱十分接近，差距在0.4%左右。“印-软土”反应谱与“中Ⅳ-E1”反应谱十分接近，差距在1%左右。

8 结语

印度桥梁抗震设计规范在设防标准上要求较中国规范偏低，仅一阶段设防，还允许桥梁结构进入塑性；荷载组合中存在未明确部分，且地震作用组合系数为1.5 而非1.0，与国际主流规范不同；场地类别的划分相对简略，采用岩土类别而非场地类别进行反应谱设计；地震动峰值加速度未明确对应的重现期和场地类别（岩土类别）；设计反应谱的计算没有考虑场地类别对特征周期、反应谱起点和峰值的影响；印度规范的水平弹性反应谱普遍接近中国规范E1 反应谱，明显小于E2 反应谱。综上所述，印度桥梁抗震设计规范还有一定滞后性和待完善空间。