印度與中國橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對比

馮智銘、孫鳳啟

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088）

0 引言

近年來，中國基建企業(yè)大量走出國門，必須應(yīng)用國外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。印度橋梁抗震設(shè)計(jì)作為一種區(qū)域性規(guī)范，國內(nèi)設(shè)計(jì)院對其研究還有一定空白。本文將對印度橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范IRC:SP:114—2018《Guidelines for Seismic Design of Road Bridges》（以下簡稱“印度規(guī)范”）進(jìn)行介紹，重要內(nèi)容與國內(nèi)規(guī)范JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱“中國規(guī)范”）進(jìn)行對比，并對中印兩國規(guī)范的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜進(jìn)行計(jì)算和對比。

1 適用范圍

印度規(guī)范明確規(guī)定了設(shè)計(jì)壽命超過100 年的橋梁，印度規(guī)范不在其適用范圍內(nèi)。中國規(guī)范并未對橋梁的設(shè)計(jì)壽命作要求，僅限定了橋梁的結(jié)構(gòu)形式。

2 設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

印度規(guī)范將地震作用分為兩個等級，DBE（Design Basis Earthquake）和MCE（Maximum Considered Earthquake）。DBE 是指在橋梁設(shè)計(jì)壽命內(nèi)可能多次發(fā)生的，橋梁能夠承受，發(fā)生較小損壞的地震。MCE 是指橋梁在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)可能發(fā)生的一次大地震，橋梁會發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞，但不會倒塌[1]。規(guī)范規(guī)定設(shè)計(jì)壽命小于等于100 年的橋梁，可僅按DBE 設(shè)計(jì)（一階段設(shè)防）。結(jié)合1 中的限定條件，印度規(guī)范僅適用于DBE 設(shè)計(jì)。印度規(guī)范根據(jù)橋梁的重要性，將橋梁分為普通橋梁、重要橋梁、大型關(guān)鍵橋梁三類抗震等級，每一類對應(yīng)不同的重要性系數(shù)，以達(dá)到針對性設(shè)防。

中國規(guī)范根據(jù)橋梁的等級將設(shè)防分類分為A～D四類，每一類設(shè)防分類對應(yīng)不同的設(shè)防目標(biāo)和抗震措施。對于等級較高的橋梁，需進(jìn)行E1 設(shè)計(jì)和E2 設(shè)計(jì)，兩階段設(shè)防。

3 荷載組合

根據(jù)印度橋梁荷載規(guī)范IRC:6—2017《Standard Specifications and Code of Practice For Road Bridges-Section:II Loads and Load Combinations》，橋梁抗震計(jì)算中應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)恒載、預(yù)應(yīng)力、土壓力、水壓力、地震作用、活載和溫度荷載等。其中地震作用的組合系數(shù)為1.5 而不是1.0，活載的組合系數(shù)為0.2，溫度荷載的組合系數(shù)為0.5，但并未闡明是否在結(jié)構(gòu)計(jì)算中考慮溫度荷載。

中國規(guī)范規(guī)定橋梁抗震設(shè)計(jì)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)恒載、預(yù)應(yīng)力、土壓力、水壓力、地震作用和溫度荷載。其中地震作用的組合系數(shù)為1.0，溫度荷載僅在支座等連接構(gòu)件計(jì)算時(shí)計(jì)入，其組合系數(shù)同為0.5，不考慮活載。

4 場地類別及巖土類別

印度規(guī)范并未在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)用場地類別，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜僅依據(jù)巖土類別進(jìn)行計(jì)算。印度規(guī)范根據(jù)標(biāo)貫值N、級配、巖土分類等將巖土類別劃分為三類：巖石或堅(jiān)硬土（Rock or Hard soils）、中硬土（Medium or Stiff soils）、軟土（Soft soils），如表1 所示。

表1 印度規(guī)范巖土類別

中國規(guī)范根據(jù)巖土計(jì)算深度內(nèi)的平均剪切波速將場地分為Ⅰ0、Ⅰ1、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ共5 類，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜根據(jù)場地類別取用場地系數(shù)Cs和反應(yīng)譜特征周期Tg對設(shè)計(jì)反應(yīng)譜進(jìn)行計(jì)算。但是，中國規(guī)范中也對巖土給出了分類標(biāo)準(zhǔn)，共分為巖石、堅(jiān)硬土或軟質(zhì)巖、中硬土、中軟土和軟弱土5 類[2]。

5 地震動峰值加速度

印度規(guī)范中，將印度劃分為4 個區(qū)域，根據(jù)項(xiàng)目所在地的位置取用區(qū)域系數(shù)Z，區(qū)域系數(shù)即代表地震動峰值加速度。而規(guī)范并未明確區(qū)域系數(shù)對應(yīng)的地震重現(xiàn)期及巖土類別（或場地），如表2 所示。

表2 印度規(guī)范區(qū)域系數(shù)（無Ⅰ區(qū)）

中國規(guī)范中，根據(jù)項(xiàng)目所在地在《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》的分區(qū)，查找設(shè)防烈度和地震動峰值加速度，對應(yīng)重現(xiàn)期475 年的Ⅱ類場地峰值加速度，有0.05g、0.1g、0.15g、0.2g、0.3g 和0.4g 共6 組取值。

6 設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線

6.1 印度規(guī)范

印度規(guī)范中，水平地震系數(shù)按如下公式計(jì)算。

式（1）中：Z為區(qū)域系數(shù)；I為重要性系數(shù)；R為響應(yīng)折減系數(shù)；Sa/g為設(shè)計(jì)加速度系數(shù)，其表達(dá)式（對應(yīng)0.05的結(jié)構(gòu)阻尼比）如下：

式（2）～式（4）中：T為結(jié)構(gòu)周期。

6.2 中國規(guī)范

中國規(guī)范中，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜根據(jù)以下公式計(jì)算。

式（5）中：T0=0.1s；T為結(jié)構(gòu)周期；Tg為特征周期；Smax為設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜最大值。

式（6）中：Ci為抗震重要性系數(shù)；Cs為場地系數(shù)；Cd為阻尼調(diào)整系數(shù);A為水平向基本地震動峰值加速度。

6.3 對比

印度規(guī)范中的Z對應(yīng)中國規(guī)范中的A，但印度規(guī)范在計(jì)算反應(yīng)譜時(shí)將Z 乘以了1/2 的系數(shù)，已達(dá)到DBE 設(shè)計(jì)。

印度規(guī)范中的響應(yīng)折減系數(shù)R在中國規(guī)范中沒有應(yīng)用，但在美標(biāo)、歐標(biāo)等主流規(guī)范中均有應(yīng)用。R用于擬發(fā)生塑性行為的結(jié)構(gòu)中，對于完全彈性的結(jié)構(gòu)，不能盲目使用該系數(shù)。中國規(guī)范中要求E1 地震作用下結(jié)構(gòu)總體反應(yīng)在彈性范圍，不允許進(jìn)入塑性，E2 地震作用下結(jié)構(gòu)可以進(jìn)入塑性。但印度規(guī)范僅一階段設(shè)防，DBE 設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)也可以進(jìn)入塑性。

I與Ci均為重要性系數(shù)，印度規(guī)范中重要性系數(shù)根據(jù)不同的抗震等級選擇即可，如表3 所示。

表3 印度規(guī)范中重要性系數(shù)

而中國規(guī)范需根據(jù)橋梁抗震設(shè)防類別和地震作用取值，已達(dá)到兩階段設(shè)防的目的，如表4 所示。

表4 中國規(guī)范橋梁抗震重要性系數(shù)Ci

括號中數(shù)值為高速公路和一級公路上的B 類大橋、特大橋的抗震重要性系數(shù)。

中國規(guī)范中規(guī)定了不同結(jié)構(gòu)阻尼比的阻尼調(diào)整系數(shù)的計(jì)算公式，且結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05 時(shí)，阻尼調(diào)整系數(shù)為1.0。印度規(guī)范中反應(yīng)譜計(jì)算公式是基于結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05 的情況，未明確對不同阻尼比的結(jié)構(gòu)應(yīng)該如何調(diào)整計(jì)算公式，但在印度結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范IS 1893(Part Ⅰ):2002《Criteria for Earthquake Resistant Design of Structures》中，規(guī)定了不同結(jié)構(gòu)阻尼比的阻尼調(diào)整系數(shù)，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05 時(shí)阻尼調(diào)整系數(shù)也為1.0。

反應(yīng)譜的起點(diǎn)值（T=0s）和峰值，印度規(guī)范中為(Z/2)I/R和2.5(Z/2)I/R，而中國規(guī)范中為CiCsCd A和2.5CiCsCd A。對于阻尼比為0.05 的混凝土橋梁，不考慮塑性設(shè)計(jì)僅對比彈性反應(yīng)譜，即不考慮R和Cd，反應(yīng)譜起點(diǎn)值分別為(Z/2)I和CiCs A，反應(yīng)譜峰值為2.5(Z/2)I和2.5CiCs A，可見中國規(guī)范的反應(yīng)譜起點(diǎn)值和峰值考慮了場地對譜值起點(diǎn)的影響，而印度規(guī)范沒有考慮場地（巖土類別）的影響，不同場地（巖土類別）下反應(yīng)譜起點(diǎn)值和峰值均為相同值。

印度規(guī)范中，每種巖土類別對應(yīng)的反應(yīng)譜峰值相同僅特征周期不同。中國規(guī)范中，需要根據(jù)項(xiàng)目所在地場地類別以及在區(qū)劃圖上的特征周期，選取反應(yīng)譜特征周期，場地類別和項(xiàng)目所在地的地理位置都有影響。印度規(guī)范中豎向反應(yīng)譜取水平反應(yīng)譜的2/3，而中國規(guī)范豎向反應(yīng)譜不僅數(shù)值小于水平反應(yīng)譜，反應(yīng)譜曲線形狀也不一樣，需要根據(jù)豎向場地系數(shù)和豎向反應(yīng)譜特征周期另外計(jì)算豎向反應(yīng)譜，與水平反應(yīng)譜之間不是簡單的等比例折減關(guān)系。

7 反應(yīng)譜實(shí)例計(jì)算對比

為了對中印兩國規(guī)范的設(shè)計(jì)水平反應(yīng)譜進(jìn)行直觀比較，現(xiàn)依據(jù)尼泊爾當(dāng)?shù)啬掣咚俟窐蛄喉?xiàng)目對設(shè)計(jì)水平反應(yīng)譜進(jìn)行計(jì)算和對比。該項(xiàng)目橋梁為(45+80+45)m 預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋，按印度規(guī)范V 區(qū)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)[3]。

區(qū)域系數(shù)Z=0.36，對應(yīng)中國規(guī)范取A=0.36g，按9度區(qū)考慮。重要性系數(shù)I 取1.2，對應(yīng)中國規(guī)范為B 類設(shè)防類別、四級抗震措施，重要性系數(shù)E1 地震作用下取0.5、E2 地震作用下取1.7。為了使兩國反應(yīng)譜有可比性，僅對比彈性反應(yīng)譜，不考慮塑性設(shè)計(jì)，響應(yīng)折減系數(shù)R=1.0。參考西藏樟木地區(qū)，反應(yīng)譜特征周期取值，詳見表5：

表5 調(diào)整后反應(yīng)譜特征周期取值

印度規(guī)范取各巖土類別下設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，與中國規(guī)范E1 和E2 作用下所有場地類別的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜進(jìn)行對比，畫出圖像如圖1 所示。

圖1 中印設(shè)計(jì)反應(yīng)譜對比圖

圖1 中，“印-巖石”代表印度規(guī)范巖石或堅(jiān)硬土類別的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，以此類推?！爸?I0-E1”代表中國規(guī)范E1 地震作用下Ⅰ0場地對應(yīng)的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，以此類推。對比可知，印度規(guī)范的水平彈性反應(yīng)譜普遍接近中國規(guī)范E1 作用下的反應(yīng)譜，明顯小于E2 作用下的反應(yīng)譜。在橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算中重點(diǎn)關(guān)注的1～3s 周期段，“印-巖石”反應(yīng)譜與“中Ⅱ-E1”反應(yīng)譜十分接近，差距在7%左右?！坝?中硬土”反應(yīng)譜與“中Ⅲ-E1”反應(yīng)譜十分接近，差距在0.4%左右?！坝?軟土”反應(yīng)譜與“中Ⅳ-E1”反應(yīng)譜十分接近，差距在1%左右。

8 結(jié)語

印度橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范在設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)上要求較中國規(guī)范偏低，僅一階段設(shè)防，還允許橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性；荷載組合中存在未明確部分，且地震作用組合系數(shù)為1.5 而非1.0，與國際主流規(guī)范不同；場地類別的劃分相對簡略，采用巖土類別而非場地類別進(jìn)行反應(yīng)譜設(shè)計(jì)；地震動峰值加速度未明確對應(yīng)的重現(xiàn)期和場地類別（巖土類別）；設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的計(jì)算沒有考慮場地類別對特征周期、反應(yīng)譜起點(diǎn)和峰值的影響；印度規(guī)范的水平彈性反應(yīng)譜普遍接近中國規(guī)范E1 反應(yīng)譜，明顯小于E2 反應(yīng)譜。綜上所述，印度橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范還有一定滯后性和待完善空間。