基于巴基斯坦阿扎德帕坦大橋抗震設(shè)計的中美規(guī)范對比研究

王倫文 何俊榮 趙胤儒

摘要：為對比研究美國AASHTO橋梁抗震規(guī)范與中國公路橋梁抗震規(guī)范的差異，基于巴基斯坦阿扎德帕坦（Azad Pattan）大橋的抗震設(shè)計，采用通用有限元軟件Midas Civil進(jìn)行了抗震計算。結(jié)合計算結(jié)果分析了兩國規(guī)范在橋梁抗震設(shè)計理念、地震動參數(shù)、抗震計算方法、抗震構(gòu)造設(shè)計等方面的異同，總結(jié)了美國規(guī)范中關(guān)于橋梁抗震設(shè)計的經(jīng)驗(yàn)。分析結(jié)果可為海外橋梁工程的抗震設(shè)計借鑒。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;抗震設(shè)計;AASHTO規(guī)范;有限元分析;阿扎德帕坦大橋;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號：U442.55文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.014

文章編號：1006 - 0081（2021）11 - 0061 - 05

0 引 言

隨著橋梁工程的不斷發(fā)展，橋梁抗震理論正在逐步完善，但世界各國的橋梁抗震規(guī)范體系存在較大差異[1]。隨著“一帶一路”倡議的推進(jìn)，大量海外工程項(xiàng)目將直接涉及國外規(guī)范，對于工程師來說，熟悉和掌握國外相關(guān)規(guī)范至關(guān)重要。

根據(jù)合同要求，巴基斯坦卡洛特水電站的庫區(qū)復(fù)建橋梁——阿扎德帕坦（Azad Pattan）大橋須參照當(dāng)?shù)匾?guī)范及美國規(guī)范進(jìn)行設(shè)計?？逄厮娬竟こ虉鲋穮^(qū)50 a超越概率10%的地震動峰值加速度為0.26 g，地震基本烈度為Ⅷ度，屬于高烈度地區(qū)，抗震設(shè)計對于阿扎德帕坦大橋來說尤為重要。

本文結(jié)合阿扎德帕坦大橋的抗震設(shè)計，針對美國[2]《AASHTO LRFD Bridge Design Specifications》（以下簡稱“AASHTO規(guī)范”）和中國《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》[3]（以下簡稱“中國規(guī)范”）進(jìn)行對比研究，總結(jié)了美國規(guī)范中關(guān)于橋梁抗震設(shè)計的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概述

1.1 工程簡介

阿扎德帕坦大橋?yàn)榭逄厮娬編靺^(qū)復(fù)建橋梁，距大壩壩址約26 km，橋型設(shè)計為三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)，跨徑組成為（50+90+50）m。箱梁橫斷面采用單箱單室，根部梁高6.0 m，跨中梁高3.0 m，中間梁段采用1.6次拋物線過渡。下部結(jié)構(gòu)1號和2號橋墩采用帶圓端的矩形實(shí)體墩，0號和3號橋臺采用重力式橋臺，橋墩橋臺均配置樁基承臺。結(jié)構(gòu)所用材料的性能標(biāo)準(zhǔn)均按照美國規(guī)范執(zhí)行。

1.2 場地分析

工程場地在區(qū)域大地構(gòu)造單元上位于喜馬拉雅西構(gòu)造結(jié)南部的哈扎拉-克什米爾共軸褶皺體內(nèi)，強(qiáng)震構(gòu)造主要為喜馬拉雅主邊界沖斷帶（MBT）和主前緣斷裂帶（MFT），距離場址最近的發(fā)震構(gòu)造為穆扎法拉巴德（Muzaffarabad）斷裂，于2005年發(fā)生克什米爾里氏7.6級地震。在新構(gòu)造運(yùn)動時期，處于主邊界斷裂和主前緣斷裂之間的近場區(qū)以整體間歇性抬升活動為主，內(nèi)部差異性活動較弱，屬構(gòu)造相對穩(wěn)定地區(qū)。

1.3 結(jié)構(gòu)分析

阿扎德帕坦大橋結(jié)構(gòu)對稱，剛度均勻分布，屬于規(guī)則橋梁，根據(jù)規(guī)范要求，可采用反應(yīng)譜分析法計算。全橋抗震受力分析采用大型通用有限元軟件Midas Civil進(jìn)行計算，考慮樁-土相互作用，樁基礎(chǔ)土彈簧剛度采用m法進(jìn)行計算模擬。橋墩及主梁混凝土容重均按ASTM標(biāo)準(zhǔn)取值，橋面鋪裝以附加質(zhì)量的形式作用在結(jié)構(gòu)上，邊跨梁端約束條件見表1。橋梁抗震計算有限元模型如圖1所示。

2 基于美國AASHTO規(guī)范的抗震設(shè)計

2.1 地震動參數(shù)

根據(jù)地震安評報告和AASHTO規(guī)范，橋址處75 a超越概率7%的地震動峰值加速度為0.30 g。結(jié)構(gòu)阻尼比取值為0.05，地震動加速度反應(yīng)譜[2]如圖2所示，0～0.2 Ts段為上升段，0.2 Ts～Ts段為平直段，Ts～1.0 s段為下降段。

2.2 抗震分析

根據(jù)AASHTO規(guī)范[2]，分別輸入水平地震作用按相互垂直的縱橋向和橫橋向。由于地震作用的方向具有隨機(jī)性，兩個正交方向的地震力具有同時發(fā)生的可能性，先分別計算兩個方向的地震作用，再進(jìn)行兩個方向的不同組合：①組合1為1.0倍縱向地震效應(yīng)與0.3倍橫向地震效應(yīng)之和;②組合2為0.3倍縱向地震效應(yīng)與1.0橫向地震效應(yīng)之和。

2.3 抗震計算結(jié)果

由Midas Civil軟件計算得到的地震工況下橋梁下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力結(jié)果及配筋如表2所示，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移如表3所示。

2.4 抗震構(gòu)造要求

在AASHTO規(guī)范中，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)抗震風(fēng)險等劃分了抗震設(shè)計類別。墩柱的設(shè)計類別不同，其縱向鋼筋最小配筋率也存在差異。AASHTO規(guī)范[2]中規(guī)定：B類和C類墩柱的最小縱向鋼筋配筋率為0.7%;D類墩柱的最小縱向鋼筋配筋率為1.0%。規(guī)范中還對縱向鋼筋的最大直徑、最小錨固長度做了相關(guān)規(guī)定。延性構(gòu)件的最大縱向鋼筋配筋率為4%。

AASHTO規(guī)范中要求墩柱箍筋最小體積配箍率不小于0.4%，箍筋最小直徑為12.7 mm。

3 基于中國規(guī)范的抗震設(shè)計

3.1 地震動參數(shù)

根據(jù)地震安評報告，橋址處50 a超越概率10%的地震動峰值加速度應(yīng)取0.26 g，設(shè)防烈度為Ⅷ度。結(jié)構(gòu)阻尼比取值為0.05，地震動加速度反應(yīng)譜如圖3所示[1]，0～0.1 s段為上升段，0.1s～Tg段為平直段，Tg～10 s段為下降段。對應(yīng)的反應(yīng)譜函數(shù)為

[S=Smax（0.6T/T0+0.4）? ? T≤T0Smax? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? T0≤T≤TgSmax（Tg/T）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?Tg≤T≤10]

3.2 抗震分析

根據(jù)規(guī)范要求[3]，抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度和Ⅸ度的大跨度結(jié)構(gòu)應(yīng)同時考慮順橋向X、橫橋向Y和豎向Z的地震作用。采用反應(yīng)譜法或功率譜法，同時考慮3個正交方向（縱向X、橫向Y和豎向Z）的地震作用時，可分別計算3個正交方向的地震作用效應(yīng)最大值Ex、Ey、Ez，然后進(jìn)行平方和開方求得總的最大地震作用效應(yīng)E，具體計算公式如下：

[E=Ex2+Ey2+Ez22]

3.3 抗震計算結(jié)果

由Midas Civil軟件計算得到的E2（大震）地震工況下橋梁下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力結(jié)果如表4所示，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位移計算結(jié)果如表5所示。

3.4 抗震構(gòu)造要求

對于抗震設(shè)防烈度Ⅶ度及Ⅶ度以上地區(qū)[3]，墩柱潛在塑性鉸區(qū)域內(nèi)加密箍筋的配置要求如下：①箍筋加密區(qū)長度應(yīng)不小于墩柱彎曲方向1.0倍截面寬度或墩柱彎矩超過最大彎矩80%的范圍;②對于短柱（墩柱高度與截面高度之比小于2.5）應(yīng)采取全高加密;③加密箍筋最大間距不應(yīng)超過10 cm，且不大于6倍縱向鋼筋直徑;④箍筋直徑不應(yīng)小于10 mm;⑤墩柱加密區(qū)域箍筋應(yīng)延續(xù)到蓋梁和承臺內(nèi)，延伸范圍不應(yīng)小于墩柱長邊尺寸的1/2，且不小于50 cm。

墩柱的縱向鋼筋宜對稱配筋，縱向鋼筋最小配筋率不宜小于0.6%，不應(yīng)超過4%。

4 兩國規(guī)范對比分析

通過對比阿扎德帕坦大橋的抗震設(shè)計，可以發(fā)現(xiàn)中美兩國的規(guī)范存在較大差異。下面將從橋梁抗震設(shè)計理念、地震動參數(shù)、抗震計算方法、抗震構(gòu)造設(shè)計等方面進(jìn)行差異分析。

4.1 抗震設(shè)計理念

橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理念可以概括為基本設(shè)計思想和設(shè)計準(zhǔn)則，是抗震設(shè)計的核心部分，決定了抗震設(shè)計所要達(dá)到的性能目標(biāo)、采用的設(shè)計地震動參數(shù)和地震作用計算方法。當(dāng)前主流的橋梁抗震設(shè)計方法有兩種：①基于強(qiáng)度;②基于位移。AASHTO規(guī)范和中國公路規(guī)范均采用基于位移的抗震設(shè)計方法，中國的鐵路橋梁抗震規(guī)范則采用基于強(qiáng)度的抗震設(shè)計方法[4]。

橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，首先需要確定設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮社會經(jīng)濟(jì)條件來確定合理的設(shè)防參數(shù)[3]。根據(jù)公路橋梁的重要性和在抗震救災(zāi)中的作用，中國規(guī)范中將公路橋梁分為A，B，C，D這4個抗震設(shè)防類別，并以此確定不同的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)防目標(biāo)。中國規(guī)范的抗震性能目標(biāo)為“小震不壞、中震可修、大震不倒”，具體要求見表6。以B、C類橋梁為例，其抗震設(shè)計僅進(jìn)行多遇地震下的彈性抗震設(shè)計和罕遇地震下的延性抗震設(shè)計，滿足了這兩個階段的性能目標(biāo)要求后，即認(rèn)為已滿足設(shè)防地震可修的目標(biāo)。因此，中國規(guī)范本質(zhì)上采用的是兩水準(zhǔn)設(shè)防和兩階段設(shè)計。

針對規(guī)則的橋梁結(jié)構(gòu)，AASHTO規(guī)范中通常采用重現(xiàn)期為1 000 a（即75 a超越概率7%）的地震動峰值加速度進(jìn)行抗震設(shè)計，要求橋梁結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生后幾乎不會倒塌。同時，業(yè)主有權(quán)利根據(jù)橋梁的重要性提高性能目標(biāo)要求。

AASHTO規(guī)范與中國規(guī)范的最低抗震性能目標(biāo)相同，均為橋梁不倒塌[5]。差異在于：中國規(guī)范中采取的是兩水準(zhǔn)設(shè)防和兩階段設(shè)計;AASHTO規(guī)范中對于橋梁的最低性能標(biāo)準(zhǔn)要求僅適用于規(guī)則橋梁，即規(guī)則橋梁采用一階段設(shè)計，而對于不規(guī)則橋梁，業(yè)主有權(quán)根據(jù)實(shí)際情況提出更高的性能目標(biāo)要求。

4.2 地震動參數(shù)

AASHTO規(guī)范和中國規(guī)范對于混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比取值均為0.05，并要求考慮阻尼比修正系數(shù)，當(dāng)阻尼比不等于0.05時，AASHTO規(guī)范中采用表格插值計算阻尼比修正系數(shù)，中國規(guī)范中采用公式[Cd=1+0.05-ξ0.06+1.6 ξ≥0.55]對阻尼比修正系數(shù)進(jìn)行計算。總體來說，阻尼比參數(shù)的差異較小。

基于設(shè)防水準(zhǔn)的不同，兩國規(guī)范對于地震作用的重現(xiàn)期規(guī)定存在較大差異，AASHTO規(guī)范中，針對規(guī)則橋梁，采用重現(xiàn)期為1 000 a（即75 a超越概率7%）的地震動峰值加速度，中國規(guī)范針對B，C類橋梁小震作用重現(xiàn)期為50～100 a，中震作用重現(xiàn)期為475 a，大震作用重現(xiàn)期為2 000 a?？梢园l(fā)現(xiàn)，AASHTO規(guī)范設(shè)計水準(zhǔn)下的地震作用重現(xiàn)期高于中國規(guī)范的設(shè)防地震作用（中震）重現(xiàn)期。

對于反應(yīng)譜曲線的規(guī)定，主要區(qū)別在于兩國規(guī)范對于反應(yīng)譜峰值加速度對應(yīng)的自振周期起點(diǎn)不一致。中國規(guī)范中加速度反應(yīng)譜最大適用周期為10 s，AASHTO規(guī)范中加速度反應(yīng)譜的最大適用周期僅1 s，故中國規(guī)范的適用范圍更廣。

兩國規(guī)范中對場地類別的劃分也存在差異。根據(jù)土層平均剪切波速和場地覆蓋土層厚度，AASHTO規(guī)范將場地劃分為A～F共6類場地，中國規(guī)范將場地劃分為Ⅰ～Ⅳ共4類，其中Ⅰ類分為Ⅰ0和Ⅰ1類。

4.3 計算方法

AASHTO規(guī)范與中國規(guī)范中均采用基于位移的抗震設(shè)計方法[6]，就是將結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)作為控制結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的依據(jù)。但不同之處在于：中國規(guī)范采用的是兩階段設(shè)計，即橋梁在E1地震作用下進(jìn)行彈性抗震設(shè)計，在E2地震作用下進(jìn)行延性抗震設(shè)計，并引入能力保護(hù)設(shè)計原則;AASHTO規(guī)范采用的是一階段設(shè)計，即在設(shè)防地震作用下驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和位移。

根據(jù)AASHTO規(guī)范，水平地震作用按相互垂直的縱橋向和橫橋向分別輸入。由于地震作用的方向具有隨機(jī)性，兩個正交方向的地震力具有同時發(fā)生的可能性，先分別計算兩個方向的地震作用再進(jìn)行兩個方向的不同組合：①組合1為1.0倍縱向地震效應(yīng)與0.3倍橫向地震效應(yīng)之和;②組合2為0.3倍縱向地震效應(yīng)與1.0橫向地震效應(yīng)之和。上述地震作用與恒載及活載作用效應(yīng)進(jìn)行組合時，共同構(gòu)成極端事件極限狀態(tài)I的荷載組合，用于橋梁一階段設(shè)計的強(qiáng)度驗(yàn)算。而中國規(guī)范中規(guī)定，抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度和Ⅸ度大跨度結(jié)構(gòu)應(yīng)同時考慮順橋向、橫橋向和豎向的地震作用。采用反應(yīng)譜法或功率譜法計算3個正交方向的地震同時作用時，可采用單個方向的地震作用產(chǎn)生的最大效應(yīng)進(jìn)行組合，然后進(jìn)行多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算?？梢园l(fā)現(xiàn)，中國規(guī)范中要求考慮豎向地震作用對于高烈度區(qū)大跨度結(jié)構(gòu)的影響。因此，在結(jié)構(gòu)地震作用組合及其效應(yīng)方面，兩國規(guī)范存在較大差異。

基于位移的抗震設(shè)計方法本質(zhì)是延性抗震設(shè)計，其核心問題在于橋梁結(jié)構(gòu)的位移需求與位移能力的確定[5]。中國規(guī)范與AASHTO規(guī)范中關(guān)于位移需求與位移能力的驗(yàn)算指標(biāo)尚存在差異。中國規(guī)范中根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的規(guī)則程度不同，制定了不同的驗(yàn)算指標(biāo)，主要包括：①非規(guī)則橋梁在罕遇地震作用時，采用塑性鉸區(qū)域的轉(zhuǎn)角作為驗(yàn)算指標(biāo);②規(guī)則橋梁采用罕遇地震作用下的橋墩墩頂位移作為驗(yàn)算指標(biāo)。而AASHTO規(guī)范中則將橋梁上部結(jié)構(gòu)質(zhì)心處的位移作為驗(yàn)算指標(biāo)，且不同抗震設(shè)計類別的橋梁結(jié)構(gòu)具有不同的位移驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)。

對比阿扎德帕坦大橋的計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，采用AASHTO規(guī)范需要配置更多的橋墩或者樁基鋼筋。這是由于AASHTO規(guī)范在進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算時采用更高重現(xiàn)期的設(shè)防水準(zhǔn)，導(dǎo)致反應(yīng)譜曲線的峰值加速度更大。中國規(guī)范進(jìn)行延性抗震設(shè)計時，采用的彎矩-曲率來判別截面是否處于彈性狀態(tài)。同時基礎(chǔ)作為能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計時，AASHTO規(guī)范中要求考慮墩柱的彎矩超強(qiáng)系數(shù)，中國規(guī)范中規(guī)定結(jié)構(gòu)未進(jìn)入塑性狀態(tài)時，可直接采用罕遇地震作用下的地震組合內(nèi)力值。

4.4 抗震構(gòu)造設(shè)計

由于兩國規(guī)范采用類似的設(shè)計方法，因而在抗震構(gòu)造設(shè)計方面的要求總體類似，如延性構(gòu)件的最大縱向配筋率均為4%，最小體積配箍率約為0.4%，潛在塑性鉸區(qū)的長度要求等。主要區(qū)別有：中國規(guī)范要求的延性構(gòu)件最小縱筋配筋略小于AASHTO規(guī)范，未對縱向鋼筋的最大直徑和最小直徑進(jìn)行規(guī)定;中國規(guī)范要求加密區(qū)最小箍筋直徑為10 mm，AASHTO規(guī)范要求為12.7 mm。

5 結(jié)論與建議

本文結(jié)合巴基斯坦阿扎德帕坦大橋項(xiàng)目，分別利用美國AASHTO規(guī)范和中國規(guī)范進(jìn)行抗震設(shè)計，針對兩者的抗震輸入和輸出數(shù)據(jù)從抗震設(shè)計理念、地震動參數(shù)、抗震計算方法和構(gòu)造設(shè)計共4個方面進(jìn)行比較分析，得出如下結(jié)論，并提出可行性建議。

（1）關(guān)于抗震設(shè)計理念方面，AASHTO規(guī)范和中國規(guī)范中均采用基于位移的設(shè)計方法，具有相同的最低抗震性能目標(biāo)，區(qū)別在于中國規(guī)范中采用兩水準(zhǔn)設(shè)防和兩階段設(shè)計，AASHTO規(guī)范中采用一階段設(shè)計，而對于不規(guī)則橋梁，中國規(guī)范中有明確要求，AASHTO規(guī)范中較為模糊，將決策權(quán)交由業(yè)主。海外項(xiàng)目抗震設(shè)計時，不規(guī)則橋梁建議根據(jù)業(yè)主的要求進(jìn)行抗震設(shè)計，同時不低于中國規(guī)范中要求的最低抗震性能目標(biāo)。

（2）關(guān)于地震動參數(shù)方面，顯著區(qū)別在于AASHTO規(guī)范中要求設(shè)防地震作用的重現(xiàn)期為1 000 a，中國規(guī)范中要求設(shè)防地震作用的重現(xiàn)期為475 a。另外關(guān)于加速度反應(yīng)譜曲線和場地類別劃分亦存在微小差異。海外項(xiàng)目抗震設(shè)計時，建議以AASHTO規(guī)范中要求的重現(xiàn)期1 000 a的地震作用進(jìn)行抗震設(shè)計，以中國規(guī)范中要求的重現(xiàn)期2 000 a的罕遇地震作為延性設(shè)計的校核地震。

（3）關(guān)于抗震計算方法方面，兩者總體設(shè)計思路相同，具體操作存在一些差異：中國規(guī)范中規(guī)定多遇地震作用下為彈性抗震設(shè)計，罕遇地震作用下進(jìn)行延性抗震設(shè)計，并引入能力保護(hù)設(shè)計原則;AASHTO規(guī)范中采用一階段設(shè)計，驗(yàn)算設(shè)防地震作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和位移，且在能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計的內(nèi)力取值方面存在差異。通常情況下，AASHTO規(guī)范中得到的截面配筋率高于中國規(guī)范。海外項(xiàng)目抗震設(shè)計時，有如下建議：設(shè)防烈度為Ⅷ度和Ⅸ度的大跨度結(jié)構(gòu)應(yīng)同時考慮順橋向、橫橋向和豎向的地震作用組合;基礎(chǔ)作為能力保護(hù)構(gòu)件，其上部墩柱彎矩超強(qiáng)系數(shù)建議以AASHTO規(guī)范中要求的1.3取值，確保塑性鉸位置不發(fā)生轉(zhuǎn)移。

（4）關(guān)于抗震構(gòu)造設(shè)計方面，兩者對于延性構(gòu)件的縱向鋼筋配筋率、加密區(qū)箍筋體積配筋率和塑性鉸長度等方面的規(guī)定較為相似，但AASHTO規(guī)范相比中國規(guī)范略為嚴(yán)格。海外項(xiàng)目抗震設(shè)計時，建議提高延性構(gòu)件最小縱筋配筋率和箍筋直徑，最小縱筋配筋率按0.7%控制，最小箍筋直徑按12 mm控制。

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（編輯：唐湘茜）

A comparative study of Chinese and American seismic design codes based on Azad Pattan Bridge in Pakistan

WANG Lunwen，HE Junrong， ZHAO Yinru

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract：In order to compare and study the differences between American AASHTO bridge seismic code and Chinese highway bridge seismic code， based on the seismic design of Azad Pattan Bridge in Pakistan， the general finite element software MIDAS civil is used for seismic calculation. According to the calculation results， the similarities and differences of seismic design concept， ground motion parameters， calculation method and anti-seismic structure design between the two codes are analyzed. Finally， the experience of the U.S. code on the seismic design of bridges is summarized to provide reference for the seismic design of overseas bridge projects.

Key words：bridge engineering; seismic design; AASHTO standard; finite element analysis; Azad Pattan Bridge; Karot Hydropower Station; Pakistan