中美鐵路橋梁抗震設計對比研究

馮國軍

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

橋梁結構抗震計算理論經(jīng)歷了靜力法、反應譜法和時程分析法3個階段，在實際橋梁抗震設計中均得到了應用。本文對中美兩國鐵路橋梁抗震設計規(guī)范進行介紹和比較，選取具有代表性的簡支梁橋，分別按中美兩國鐵路抗震規(guī)范進行設計研究，探究兩國抗震規(guī)范的差異，以期對國際項目的橋梁抗震設計提供一定的參考。

1 橋梁抗震設計的基本思想和設計準則

橋梁結構抗震設計的基本思想和設計準則是抗震設計的最重要之處，它決定了抗震設計要達到的目標、采用的設計地震動水平和地震反應的計算方法。目前橋梁的抗震設計方法主要有基于強度和基于位移的抗震設計方法。美國《AREMA》以及我國的《鐵路工程抗震設計規(guī)范》(GB50111—2006)都是采用基于強度的設計方法，《AASHTO—GUID SPECIFICATION FOR LRFD SEISMIC DESIGN》采用基于位移的抗震設計方法。中美兩國鐵路橋梁抗震設計基本思想對比見表1。

可見，中美兩國鐵路橋梁抗震設計規(guī)范的基本思想和設計準則在用詞上雖有所不同，但其思想是基本一致的，均可歸納為功能設計地震和安全設計地震。功能設計地震具有較大的發(fā)生概率，安全設計地震具有很小的發(fā)生概率;在功能設計地震作用下，橋梁結構只允許發(fā)生十分輕微的破壞，不影響正常的交通，不經(jīng)修復即可繼續(xù)使用;在安全設計地震的作用下，允許橋梁結構發(fā)生較大的破壞，但不允許發(fā)生整體破壞。雖然中美鐵路橋梁抗震設計的基本思想一致，但實現(xiàn)方法確有著顯著的不同，美國鐵路抗震規(guī)范采用能力設計方法來保證“大震不倒”;我國鐵路規(guī)范則采用經(jīng)典的強度設計方法，沒有考慮在不同性質(zhì)的構件之間形成適當?shù)膹姸劝踩燃壖壊睿?-6]。

表1 中美兩國鐵路橋梁抗震設計基本思想對比

2 地震動設計參數(shù)

2.1 地震重現(xiàn)期

工程抗震設防首先要進行地震危險性分析，合理估計不同地區(qū)可能遭受的地震破壞作用，也就是說，首先要確定不同地區(qū)遭遇一定超越概率的地震動參數(shù)，以此作為抗震設防的依據(jù)。

我國《鐵路工程抗震設計規(guī)范》(GB50111—2006)中多遇地震:50年超越概率為63%，重現(xiàn)期為50年;設計地震:50年超越概率為10%，重現(xiàn)期為475年;罕遇地震:50年超越概率為2%～3%，重現(xiàn)期為2475 年［3，8]。

美國《AREMA》給出了100年、475年及2400年重現(xiàn)期的基本加速度圖。除上述提到的重現(xiàn)周期外，其他重現(xiàn)周期的場地加速系數(shù)按規(guī)范給定公式進行計算。中美兩國地震動參數(shù)對比見表2。

《AREMA》抗震篇規(guī)定的Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級地震分別與我國鐵路抗震設計規(guī)范中的多遇、設計、罕遇地震相對應，僅在具體采用的重現(xiàn)期上稍有不同。《AREMA》抗震篇所采用的I級地震的重現(xiàn)期大于我國鐵路抗震規(guī)范所采用的數(shù)值;Ⅱ、Ⅲ級地震的重現(xiàn)期略低于我國鐵路抗震規(guī)范所采用的數(shù)值。

表2 中美兩國地震動參數(shù)對比

2.2 場地分類

場地條件對工程抗震性能有很大影響，我國鐵路工程抗震設計規(guī)范根據(jù)場地計算深度內(nèi)土層等效剪切波速把場地土劃分為4類，劃分類型見表3。

表3 中國鐵路抗震規(guī)范場地土類型劃分

美國鐵路抗震設計規(guī)范根據(jù)土層厚度和剪切波速對場地進行分類，場地類型劃分見表4。

中美兩國鐵路抗震規(guī)范均把場地土劃分為4類，劃分標準基本相當。

3 地震動反應分析方法

我國《鐵路工程抗震設計規(guī)范》(GB50111—2006)規(guī)定:多遇地震作用下，橋墩抗震計算可采用反應譜法。對B類橋梁或采用減震裝置的橋梁，宜按反應譜法計算，或選用符合抗震設計要求的地震波，采用時程反應分析法進行分析。在罕遇地震作用下，應采用非線性時程反應分析法，對鋼筋混凝土橋墩可按簡化方法進行延性驗算。

表4 美國鐵路抗震規(guī)范場地土類型及場地系數(shù)

美國鐵路抗震設計規(guī)范采用基于彈性分析的方法確定I級地震動下的結構強度，通過合理的結構布局、構造細節(jié)及墩柱塑性鉸的設計來滿足II、III級地震動性能標準，設計力應為該等級下的地震力與各構件所能傳遞的最大力的較小者。I級地震動下橋梁結構采用的分析方法見表5。

表5 美國鐵路抗震分析方法

4 基礎抗震設計

我國《鐵路工程抗震設計規(guī)范》(GB50111—2006)采用多遇地震作用下的彈性地震力作為橋墩和基礎的設計地震力。美國鐵路抗震設計規(guī)范采用I級地震作用下的彈性地震力作為墩柱的設計地震力?；A的設計地震力采用橋墩塑性彎矩的1.3倍或III級地震作用下地震力的較小者，把基礎作為能力保護構件，注重基礎的地震安全性。對于脆性構件或不希望出現(xiàn)塑性變形的構件，確保其強度安全等級高于包含塑性鉸的構件。這樣，不論可能出現(xiàn)的地震動強度有多大，這些構件都因其“能力”高于包含塑性鉸的構件而始終處于彈性狀態(tài)［1，3，11]。

5 鐵路混凝土簡支梁抗震設計對比分析

以位于9度地震區(qū)的某雙線鐵路24 m混凝土簡支T梁橋為研究對象，對鋼筋混凝土橋墩、樁基礎分別采用中國和美國鐵路規(guī)范(AREMA)進行抗震設計。多遇地震下我國鐵路橋梁抗震設計方法不再贅述，對美國鐵路橋梁抗震設計步驟簡述如下:首先根據(jù)《AREMA》確定結構重要性分級并確定抗震設計所采用的重現(xiàn)期及相應的地震動加速度;其次根據(jù)《AREMA》規(guī)定公式計算地震響應系數(shù)，得到橋墩設計地震力，進行橋墩配筋設計;最后應用能力設計方法對基礎進行設計。主要地震動參數(shù)及抗震設計結果對比見表6。

表6 設計地震加速度、重現(xiàn)期對比

多遇地震(Ⅰ級地震)下結構處于彈性工作階段，對于常規(guī)簡支梁橋，中美兩國鐵路抗震分析均可采用簡化辦法或反應譜方法。計算水平地震力時，《AREMA》抗震篇根據(jù)客貨運量、橋高、橋長、是否存在繞行線路以及修復難度等對設計采用的地震重現(xiàn)期進行修正。對于本橋，經(jīng)修正后的I級地震重現(xiàn)期為95年，對應的水平地震加速度為0.195g。而中國《鐵路工程抗震設計規(guī)范》采用的多遇地震的重現(xiàn)期為50年，對應的水平加速度為0.14g，這是引起水平地震力差別較大的重要因素。

多遇地震(Ⅰ級地震)下的地震力對比結果見圖1;分別應用兩國規(guī)范規(guī)定的抗震計算方法對橋墩及樁基礎進行抗震設計，主要計算結果見圖2、圖3。

圖1 水平地震力比值

圖2 樁身截面配筋

圖3 截面配筋比值

根據(jù)抗震分析結果，對于墩底地震力，《AREMA》計算結果約為《中國鐵路工程抗震設計規(guī)范》計算結果的1.35～1.52倍。進行結構配筋計算時，《AREMA》采用極限狀態(tài)法，《中國鐵路工程抗震設計規(guī)范》采用容許應力法。由于采用的結構配筋計算辦法的差異且我國規(guī)范須滿足非線性位移延性比的要求，使得墩底配筋結果較為接近，二者比值在0.92～1.07。

我國《鐵路工程抗震設計規(guī)范》采用多遇地震作用下的彈性地震力作為橋墩和基礎的設計地震力，美國鐵路抗震設計規(guī)范采用橋墩塑性彎矩的1.3倍或3級地震(罕遇地震)作用下地震力的較小者，采用《AREMA》抗震篇計算的基礎地震力與我國《鐵路工程抗震設計規(guī)范》所計算的基礎地震力的比值大概在2.1～2.65?！禔REMA》抗震篇引入了“能力設計方法”，把基礎作為能力保護構件，確保其強度安全等級高于橋墩，這是《AREMA》抗震篇樁基配筋遠大于我國的主要原因。另外，由于把基礎作為“能力保護構件”，基礎設計地震力與墩高關系不大，僅與墩柱的截面尺寸及配筋有關，也即與橋墩的塑性能力有關;我國《鐵路工程抗震設計規(guī)范》采用多遇地震作用下的彈性地震力作為基礎的設計地震力，該力與墩高緊密相關，樁基配筋與墩高亦緊密相關;這一點在圖2“樁身截面配筋”中有較明顯的體現(xiàn)。

6 結語

本文對我國《鐵路工程抗震設計規(guī)范》以及《AREMA》抗震篇進行了對比分析，并按照兩種規(guī)范分別對位于直線上的某雙線鐵路簡支橋梁進行了抗震設計研究，得出以下結論。

(1)地震動作用:對于水平地震力，《AREMA》計算結果較大，約為中國《鐵路工程抗震設計規(guī)范》計算結果的1.35～1.52倍。地震力的組合，我國《鐵路工程抗震設計規(guī)范》分別考慮縱向和橫向的地震力作用，不考慮他們相互組合，《AREMA》考慮一個主方向上的地震力與另一主方向地震力30%的組合。根據(jù)《AREMA》抗震篇計算的地震動作用大于我國《鐵路工程抗震設計規(guī)范》，但進行結構配筋計算時，《AREMA》采用極限狀態(tài)法，中國《鐵路工程抗震設計規(guī)范》采用容許應力法，結構配筋計算辦法的差異使得最終墩底配筋結果相當。極限狀態(tài)法比較全面地考慮了結構構件的不同工作狀態(tài)，采用分項系數(shù)分別考慮荷載、材料及結構構件工作條件等方面的隨機因素的影響，更適合于地震動作用下的結構配筋設計。

(2)《AREMA》及我國的《鐵路工程抗震設計規(guī)范》都是采用基于強度的抗震設計方法，抗震設計基本思想及抗震設防目標亦基本一致，但實現(xiàn)“三階段設防”的具體做法不同?！禔REMA》應用了能力設計原理，非彈性變形被限制在預期出現(xiàn)塑性鉸的橋墩上。基礎因受到能力保護，其反應被限制在彈性范圍內(nèi)，大大地簡化了設計過程。對預期出現(xiàn)塑性鉸的橋墩，可以通過抗震構造細節(jié)設計，使自身和結構整體的延性有充分的保證。盡管這些構件局部造價有所提高，但結構整體因設計地震力水平大大降低而使總體造價下降，實際上是經(jīng)濟合理的。從歷次大地震震害可以看出，基礎破壞是導致橋梁結構地震破壞的主要原因之一。我國鐵路抗震設計規(guī)范亦指出:“大量的震害經(jīng)驗表明，基礎震害常使橋梁的修復、加固十分困難，甚至無法修復。因此，對地震區(qū)(特別是8度及以上地區(qū))的橋梁在場地選擇和基礎設計時應倍加重視”?！禔REMA》抗震設計規(guī)范采用能力設計方法對基礎進行設計值得我們參考和借鑒。

(3)構造細節(jié):橋梁結構抗震設計中的許多問題目前還不能完全通過量化方法加以解決。因此根據(jù)震害經(jīng)驗等提出的構造要求對保證橋梁結構的抗震安全十分重要，相比之下我國鐵路抗震設計規(guī)范在延性設計的構造細節(jié)上略顯不足。

［1]AREMA VolumeⅡ (Bridges)［S].U.S.A:2009.

［2]American Association of State Highway and Transportation Officials，AASHTO—GUID SPECIFICATION FOR LRFD SEISMIC DESIGN［S].USA:2010.

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［4]GB50011—2010，建筑抗震設計規(guī)范［S].

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