鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中橋梁抗震相關(guān)規(guī)定與發(fā)展沿革

趙才煜, 孫柏濤, 陳洪富

(1. 中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所 中國(guó)地震局地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150080;2. 地震災(zāi)害防治應(yīng)急管理部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)是隨著經(jīng)濟(jì)條件和科學(xué)認(rèn)識(shí)水平的發(fā)展而不斷變化的。隨著震害資料的不斷積累以及人們對(duì)地震作用下各類(lèi)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)研究和認(rèn)識(shí)的不斷加深,鐵路橋梁的抗震理念也在不斷進(jìn)步。新中國(guó)成立前,我國(guó)雖然已經(jīng)修建了一部分鐵路橋梁,但是當(dāng)時(shí)并未對(duì)其地震危險(xiǎn)性及結(jié)構(gòu)易損性展開(kāi)系統(tǒng)性研究[1],也沒(méi)有相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),因此修建的鐵路橋梁均未考慮抗震設(shè)防。

新中國(guó)成立初期,地震區(qū)的橋梁設(shè)計(jì)一開(kāi)始是直接翻譯和沿用蘇聯(lián)的規(guī)范。一方面對(duì)于橋梁的建造設(shè)計(jì),1950年鐵道部設(shè)計(jì)局組織翻譯了蘇聯(lián)1947年《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)程(TYΠM—47)》,并以此為藍(lán)本編制了《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)程(初稿)》,于同年6月頒發(fā)[2]。其后,又將上述初稿的橋梁活載標(biāo)準(zhǔn)改為中華人民鐵道橋梁中-Z制標(biāo)準(zhǔn),修改了橋梁所用鋼材的性能要求,于1951年12月頒布了我國(guó)第一本正式的《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)程》[3]。1958年,《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)程》[3]被《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]替代。這是我國(guó)鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范的首次更迭,主要針對(duì)第三章“鋼鐵結(jié)構(gòu)”進(jìn)行了修訂,包括優(yōu)化了鋼材容許應(yīng)力的受力形式,在強(qiáng)度計(jì)算中考慮了附加力,修正和補(bǔ)充了鋼橋跨結(jié)構(gòu)和鋼墩臺(tái)各桿件強(qiáng)度、總穩(wěn)定性和耐勞強(qiáng)度的計(jì)算公式等。

另一方面,抗震設(shè)計(jì)規(guī)范也是鐵路橋梁設(shè)計(jì)的主要依據(jù)之一。同樣于1955年,在中國(guó)科學(xué)院土木建筑研究所所長(zhǎng)劉恢先的主導(dǎo)下,我國(guó)翻譯了蘇聯(lián)的《地震區(qū)建筑規(guī)范》[5]。該規(guī)范在“道路構(gòu)筑物”一章中對(duì)橋梁等人工構(gòu)筑物受到的地震荷載做出了相關(guān)規(guī)定。20世紀(jì)50年代,我國(guó)華北地區(qū)、西北地區(qū)以及中南地區(qū)等主要干線(xiàn)上的鐵路橋梁均按《地震區(qū)建筑規(guī)范》[5]和《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)程》[3]進(jìn)行設(shè)計(jì)。

而20世紀(jì)60年代至1976年這一時(shí)期,我國(guó)華北地區(qū)、中南地區(qū)、西南地區(qū)及西北地區(qū)等主要干線(xiàn)上新修建的鐵路橋梁及其抗震設(shè)計(jì)主要參考《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]和1959年版《地震區(qū)建筑規(guī)范(CH-8-57)》[6]。后者的編制任務(wù)于1958年開(kāi)始,由原國(guó)家建委帶頭,中國(guó)科學(xué)院土木建筑研究所負(fù)責(zé)編制,鐵道部專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)院參與編制。該規(guī)范主要以蘇聯(lián)1957版抗震規(guī)范為依據(jù),吸收并采用了當(dāng)時(shí)最新的抗震研究成果和相關(guān)規(guī)定,包含道橋等抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容,于1959年5月正式定稿,成為我國(guó)第一部抗震規(guī)范的草案稿。

1964年,劉恢先主持編制了我國(guó)第二部抗震規(guī)范的草案稿,其中仍然包括“道路構(gòu)筑物”一章。該草案稿在1959版《地震區(qū)建筑規(guī)范(CH-8-57)》[6]的基礎(chǔ)上,吸取國(guó)內(nèi)外先進(jìn)研究成果和抗震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),并對(duì)部分內(nèi)容進(jìn)行刪減和修改而來(lái),于同年11月定稿,命名為《地震區(qū)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范(草案稿)》。該規(guī)范雖然沒(méi)有得到正式頒布,但對(duì)當(dāng)時(shí)的工程設(shè)計(jì)及以后的規(guī)范發(fā)展起到了積極作用。

在具體的抗震防震措施上,我國(guó)主要以1968年《京津地區(qū)道路建筑物抗震設(shè)計(jì)暫行規(guī)范(初稿)》為依據(jù)[7]。該規(guī)范基于1965年烏魯木齊地震、1966年邢臺(tái)地震和東川地震這3次強(qiáng)烈地震的震害經(jīng)驗(yàn),并結(jié)合京津冀地區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行編制,是由《地震區(qū)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范(草案稿)》發(fā)展而來(lái)的。雖然該規(guī)范未能被審批公布,但對(duì)當(dāng)時(shí)的鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)起到了積極的促進(jìn)作用。這些早期規(guī)范為日后《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的編制奠定了基礎(chǔ)。

此后,我國(guó)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》歷經(jīng)三代發(fā)展,無(wú)論是理論方法的研究深度還是應(yīng)用的廣度,在世界上都是具有先進(jìn)性的。本文將按照時(shí)間的脈絡(luò)分別介紹三代規(guī)范的發(fā)展與內(nèi)容,并對(duì)比三版規(guī)范的主要差別。

1 1977年《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》

在《京津地區(qū)道路建筑物抗震設(shè)計(jì)暫行規(guī)范(初稿)》編制完成后的十年內(nèi),我國(guó)又陸續(xù)發(fā)生了多次強(qiáng)烈地震,包括7次7級(jí)以上地震(表1)。它們對(duì)鐵路及其沿線(xiàn)造成的震害推動(dòng)了我國(guó)第一本鐵路工程抗震規(guī)范的編制。

表1 1969—1976年我國(guó)強(qiáng)烈地震情況

上述強(qiáng)烈地震造成的破壞引起了國(guó)家的高度重視。為了更好地開(kāi)展鐵路工程的抗震設(shè)計(jì)工作,原國(guó)家基建委和原交通部委托原鐵道部編制了《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》[8](下文簡(jiǎn)稱(chēng)“1977版鐵規(guī)”)。原鐵道部第一設(shè)計(jì)院主持該規(guī)范的編制,中國(guó)科學(xué)院工程力學(xué)研究所、蘭州地震大隊(duì)、蘭州大學(xué)、蘭州鐵道學(xué)院,以及鐵道部第二、三、四設(shè)計(jì)院等八家單位共同參與編制。

該規(guī)范的編制除了依據(jù)1959版《地震區(qū)建筑規(guī)范(CH-8-57)》、1964年《地震區(qū)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范(草案稿)》、《京津地區(qū)道路建筑物抗震設(shè)計(jì)暫行規(guī)范(初稿)》3本已有規(guī)范外,還參考了國(guó)外有關(guān)資料,并對(duì)通海、昭通、海城等地區(qū)的地震進(jìn)行了深入的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和地質(zhì)勘探,總結(jié)了強(qiáng)烈地震帶來(lái)的震害經(jīng)驗(yàn)。同時(shí),對(duì)橋墩的動(dòng)力特性、海城地震區(qū)域的砂土地基液化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和研究,并將成果納入了其中。

1976年5月,原鐵道部基建總局組織了定稿審查會(huì)議。在定稿兩個(gè)月后,即1976年7月28日,唐山發(fā)生了7.8級(jí)強(qiáng)烈地震,鐵路遭受到十分嚴(yán)重的破壞,相關(guān)單位立即到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查,其豐富的震害資料帶來(lái)了新的震害經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)這些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),鐵道部第一設(shè)計(jì)院又對(duì)審定稿做了修改與補(bǔ)充。1977年5月1日,鐵道部鐵基字96號(hào)文正式批準(zhǔn)該規(guī)范,并在全路正式實(shí)施。

“1977版鐵規(guī)”的主要特點(diǎn)是吸取并總結(jié)了對(duì)鐵路工程造成破壞最嚴(yán)重的海城地震和唐山地震的震害經(jīng)驗(yàn)。鐵路橋梁在兩次地震后的震害情況如表2和圖1、2所示。震害調(diào)查發(fā)現(xiàn),在可液化土及軟土地基上的橋梁受到的破壞普遍比較嚴(yán)重。因此,該規(guī)范在抗震措施上首先強(qiáng)調(diào)了要特別重視這種橋梁,因?yàn)樗鼈冊(cè)?度區(qū)就有可能發(fā)生比較嚴(yán)重的震害,如位于7度區(qū)的遼河特大橋,在海城地震發(fā)生后震害嚴(yán)重,致使行車(chē)中斷時(shí)長(zhǎng)超過(guò)130 h,是搶修通車(chē)的關(guān)鍵;反之,建于密實(shí)地基上的橋梁,即使是在9度及以上的區(qū)域,震害也比較輕微,如唐山大地震中京山鐵路上5座位于10～11度區(qū)的橋梁,因?yàn)榈鼗撩軐?shí),其震害相對(duì)較輕。

圖1 唐山地震中梁側(cè)向位移(從支座上掉落)[9]Fig.1 Lateral displacement of beam in Tangshan earthquake (falling from the support)[9]

圖2 唐山地震中橋面?zhèn)认蛭灰芠9]Fig.2 Lateral displacement of bridge deck in Tangshan earthquake[9]

表2 唐山、海城地震鐵路橋梁震害表[9-10]

綜上,該規(guī)范在抗震措施方面:第一,規(guī)定了應(yīng)結(jié)合地質(zhì)、路基等實(shí)際情況,盡量繞開(kāi)此類(lèi)極不利地段,當(dāng)無(wú)法規(guī)避時(shí),則規(guī)定應(yīng)采用樁基礎(chǔ)或沉井基礎(chǔ)等深基礎(chǔ),該方法一直沿用至今;第二,若考慮可液化土及軟土的地質(zhì)情況,橋孔應(yīng)適當(dāng)加長(zhǎng),橋臺(tái)應(yīng)建在穩(wěn)定的地基上。

2 1987年《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GBJ 111—87)》

1979年1月,鐵道部下達(dá)了修改《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》的任務(wù)。1987年7月1日,原國(guó)家計(jì)劃委員會(huì)批準(zhǔn)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GBJ 111—87)》[11](下文簡(jiǎn)稱(chēng)“1987版鐵規(guī)”)正式施行。

規(guī)范編制組在編制過(guò)程中認(rèn)真總結(jié)了原規(guī)范試行以來(lái)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),組織了專(zhuān)題的科學(xué)研究,進(jìn)行了比較廣泛的調(diào)查。在鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)方面,相對(duì)于“1977版鐵規(guī)”,主要的修改補(bǔ)充內(nèi)容有以下5點(diǎn):

(1) 優(yōu)化了抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[12]?！?987版鐵規(guī)”中新劃分了3個(gè)鐵路抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),即Ⅰ、Ⅱ級(jí)鐵路的損壞部分稍加整修,可正常使用;Ⅲ級(jí)鐵路即I級(jí)工企鐵路,經(jīng)短期搶修后可恢復(fù)通車(chē);Ⅱ、Ⅲ級(jí)工企鐵路的重大橋梁等工程不發(fā)生嚴(yán)重破壞。而“1977版鐵規(guī)”中只包含前兩條。該分類(lèi)不僅考慮了運(yùn)量的大小,而且將遭受破壞后導(dǎo)致的直接經(jīng)濟(jì)損失、修復(fù)難易程度、對(duì)人民生活造成的不便,及對(duì)運(yùn)輸造成的損失等因素均考慮在內(nèi)。

(2) 新增了場(chǎng)地分類(lèi)。場(chǎng)地土類(lèi)別仍分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類(lèi),但分別給它們定名為堅(jiān)硬場(chǎng)地土、中等場(chǎng)地土及松軟場(chǎng)地土。同時(shí),參照《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(TJ 11—78)》[13]中規(guī)定的方法,計(jì)算土層平均剪切波速,并將其納入規(guī)范中(表3)。在評(píng)定場(chǎng)地類(lèi)別時(shí),取土層深度25 m內(nèi)各土層的平均剪切波速來(lái)判定,這樣的分類(lèi)方法比較簡(jiǎn)單可行。

表3 《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GBJ 111—87)》場(chǎng)地分類(lèi)

(3) 調(diào)整了抗震設(shè)計(jì)控制條件中地基土容許承載力的修正系數(shù)。地基為150 kPa<σ0≤ 500 kPa的巖石和土的容許力修正系數(shù)由1.25調(diào)整至1.30,這是因?yàn)樗绍浀鼗瞎こ痰恼鸷σ话爿^重。

(4) 優(yōu)化了梁式橋橋墩的抗震設(shè)計(jì)方法?！?977版鐵規(guī)”未考慮地基變形對(duì)橋墩的影響,其抗震設(shè)計(jì)方法僅適用于巖石地基上的橋墩,不適用于非巖石地基上的橋墩。其規(guī)定計(jì)算的地震荷載有時(shí)偏大,增加了工程投資,有時(shí)偏小,未考慮橋墩的控制設(shè)計(jì)[14]。因此“1987版鐵規(guī)”進(jìn)行計(jì)算時(shí),將地基變形的影響計(jì)入在內(nèi),其表達(dá)式如下。

MfjE=ηc·Kh·βj·γj·kfj·Jf·g

(1)

式中:MfjE為非巖石地基的基礎(chǔ)(或承臺(tái))質(zhì)心處j振型的地震力矩(kN·m);ηc為綜合影響系數(shù),與橋墩頂至基礎(chǔ)頂?shù)母叨然蛞话銢_刷線(xiàn)高度有關(guān);Kh為水平地震系數(shù);βj為j振型動(dòng)力系數(shù),與橋墩自振周期和場(chǎng)地類(lèi)別有關(guān);γj為j振型參與系數(shù),與基礎(chǔ)的質(zhì)量(t)有關(guān);kfj為j振型基礎(chǔ)質(zhì)心角變位(1/m);Jf為基礎(chǔ)對(duì)質(zhì)心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(t·m2);g為重力加速度,g=9.81 m/s2。

同時(shí),還補(bǔ)充了四類(lèi)適用于巖石、非巖石地基上梁式橋各式橋墩地震作用的簡(jiǎn)化計(jì)算方法,包括各式實(shí)體或空心橋墩、各式實(shí)體或空心的剛架橋墩、地基土較柔軟的低橋墩,以及無(wú)承臺(tái)的剛架樁墩。

(5) “抗震措施”一節(jié)中,“1987版鐵規(guī)”第4.2.7條規(guī)定,采用明挖基礎(chǔ)的橋臺(tái),當(dāng)基礎(chǔ)底面摩擦系數(shù)≤0.25時(shí),宜采用砂卵石換填,其厚度由原來(lái)“不應(yīng)小于0.3 m”修正為“不應(yīng)小于0.5 m”,目的是進(jìn)一步提高抗滑穩(wěn)定性。

總而言之,修訂后的“1987版鐵規(guī)”以科學(xué)研究為工作基礎(chǔ),增添了新內(nèi)容,擴(kuò)大了適用范圍,條文依據(jù)也更加充分合理。

3 2009年《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50111—2006)》(2009版)

“1987版鐵規(guī)”頒布后的近20年里,有關(guān)結(jié)構(gòu)抗震的理論和工程實(shí)踐都有了飛速發(fā)展。2006年,《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50111—2006)》正式公布,它是在上一版的基礎(chǔ)上修訂而成的。2009年,應(yīng)建標(biāo)[2009]88號(hào)的要求,鐵一院會(huì)同有關(guān)單位對(duì)其又進(jìn)行了修訂,頒布了《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50111—2006)》(2009版)[15](下文簡(jiǎn)稱(chēng)“2009版鐵規(guī)”)。該規(guī)范在鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)方面,與“1987版鐵規(guī)”的主要區(qū)別有以下7點(diǎn):

(1) 抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生了改變。上一版規(guī)范根據(jù)不同等級(jí)鐵路的運(yùn)量大小及其在鐵路網(wǎng)中的重要性,采用基本烈度作為設(shè)計(jì)烈度,并要求其在遭受到設(shè)計(jì)烈度的地震響應(yīng)時(shí)不產(chǎn)生大的結(jié)構(gòu)性破壞,即用設(shè)計(jì)烈度(50年超越概率10%)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)[16]。新版規(guī)范規(guī)定了鐵路工程按“三水準(zhǔn)、兩階段”進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)[17],即所有的鐵路工程按照多遇地震、設(shè)計(jì)地震、罕遇地震3個(gè)地震動(dòng)水準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì);而大跨鐵路橋梁,如懸索橋、斜拉橋等結(jié)構(gòu)因具有良好的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo),又常位于鐵路交通網(wǎng)的樞紐位置,其抗震設(shè)計(jì)采用兩階段設(shè)計(jì),即“中震不壞,大震可修”。

另外,抗震設(shè)防的范圍擴(kuò)大,新版規(guī)范將6度區(qū)納入了鐵路工程抗震設(shè)防范圍,因?yàn)?度區(qū)約占我國(guó)抗震設(shè)防區(qū)域面積的一半,在這些區(qū)域已經(jīng)發(fā)生了多次破壞性地震,實(shí)際烈度最高達(dá)到8度。同時(shí),我國(guó)鐵路里程中橋梁里程占1/5以上,且橋梁大多屬于鐵路線(xiàn)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),一旦其中某一節(jié)點(diǎn)中斷,就會(huì)造成嚴(yán)重的損失。

(2) 場(chǎng)地類(lèi)別和場(chǎng)地土類(lèi)型進(jìn)一步細(xì)化。新規(guī)范參照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2001)》[18]和《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖(GB 18306—2001)》[19],將場(chǎng)地類(lèi)別由“1987版鐵規(guī)”中的三類(lèi)劃分為四類(lèi),反映構(gòu)筑物所在場(chǎng)地的地震效應(yīng),其劃分主要取決于土層剪切波速隨深度的變化規(guī)律和土層厚度或基巖埋深(表4)。

表4 《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50111—2006)》(2009版)場(chǎng)地類(lèi)別劃分

“1987版鐵規(guī)”中場(chǎng)地土類(lèi)型共分為三類(lèi),而新版規(guī)范將場(chǎng)地土類(lèi)型按地基土剛度劃分為4類(lèi),并將其重新命名為巖石或堅(jiān)硬土、中硬土、中軟土和軟弱土。場(chǎng)地土類(lèi)型與土層剪切波速的關(guān)系如表5所列。

表5 場(chǎng)地土類(lèi)型劃分

(3) 新增了“抗震設(shè)計(jì)的基本要求”一章。針對(duì)鐵路橋梁,增加了其抗震設(shè)防類(lèi)別劃分的內(nèi)容,根據(jù)它們?cè)阼F路網(wǎng)中的重要性和修復(fù)的難易程度,將橋梁工程劃分為A、B、C、D四類(lèi),并規(guī)定了這四類(lèi)工程的地震作用重要系數(shù)及抗震設(shè)防措施等級(jí)。

同時(shí),此版規(guī)范體現(xiàn)了基于性能的設(shè)計(jì)思想。為了確保鐵路橋梁在地震作用下的安全性,防止其在地震下喪失功能或發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷,規(guī)范規(guī)定了三級(jí)抗震性能要求作為工程的抗震設(shè)防目標(biāo):抗震性能要求Ⅰ,地震后不損壞或輕微損壞,能夠保持其正常使用功能;抗震性能要求Ⅱ,地震后可能損壞,經(jīng)修補(bǔ),短期內(nèi)能恢復(fù)其正常使用功能;抗震性能要求Ⅲ,地震后可能產(chǎn)生較大破壞,但不出現(xiàn)整體倒塌,經(jīng)搶修后可限速通車(chē)。

然而,國(guó)外在橋梁基于性能的設(shè)計(jì)方法上,有著更深入的研究。Kappos[20]于2018年對(duì)歐洲規(guī)范Eurocode 8中基于性能的橋梁設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了概述,與我國(guó)“2009版鐵規(guī)”相比,歐洲規(guī)范不僅給出了橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能標(biāo)準(zhǔn),還提供了基于性能的設(shè)計(jì)格式,值得借鑒與學(xué)習(xí)。

(4) 地震作用計(jì)算發(fā)生了較大改動(dòng)?！?987版鐵規(guī)”中對(duì)于橋墩水平地震作用的計(jì)算,是根據(jù)“不同地震烈度下水平地震系數(shù)Kh,通過(guò)綜合影響系數(shù)ηc的調(diào)整,使計(jì)算結(jié)果與宏觀震害結(jié)果趨于一致”。新規(guī)范對(duì)此進(jìn)行了較大改動(dòng),直接采用地震動(dòng)峰值加速度Ag進(jìn)行橋墩的地震作用計(jì)算[17],多遇及罕遇地震下的水平地震基本加速度α值按表6選用。對(duì)于地震動(dòng)峰值加速度大于0.2g的地區(qū),鐵路橋梁在罕遇地震下的抗震設(shè)計(jì)考慮了折減,8度區(qū)為1.9Ag,9度區(qū)為1.6Ag。

表6 水平地震基本加速度α取值

因?yàn)榈卣鹱饔玫淖兓?相關(guān)單位對(duì)地震區(qū)鐵路橋墩原部頒標(biāo)準(zhǔn)圖進(jìn)行抗震驗(yàn)算比對(duì),得到了兩本規(guī)范之間的區(qū)別。按照“1987版鐵規(guī)”,橋墩基本都能夠通過(guò)驗(yàn)算;按照新版規(guī)范,有很多橋墩不再滿(mǎn)足抗震驗(yàn)算要求,這說(shuō)明修改后規(guī)范的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和地震安全性都有所提高。

特別需要說(shuō)明的是,高鐵橋梁的上部結(jié)構(gòu)與橋墩一般具有較大的剛度和較高的基頻,即使在較大的地震作用下仍具有較好的抗震性能,且延性較小,再加上無(wú)砟軌道的鋪設(shè),提高了高鐵橋梁的整體性。因此,我們不能忽視軌道結(jié)構(gòu)在地震作用下對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響。

(5) 對(duì)于橋墩抗震設(shè)計(jì)的反應(yīng)譜曲線(xiàn),“2009版鐵規(guī)”正式引入了三水準(zhǔn)設(shè)計(jì)理念,通過(guò)提出地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期Tg,將工程場(chǎng)地的場(chǎng)地類(lèi)型、地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃等影響因素考慮在內(nèi),設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理,體現(xiàn)了性能化設(shè)計(jì)的理念。三版規(guī)范的對(duì)比如圖3、4所示。

圖3 “1977版鐵規(guī)”與“1987版鐵規(guī)”動(dòng)力放大 系數(shù)β曲線(xiàn)Fig.3 β-curve of dynamic amplification factor in the codes of 1977 and 1987 editions

圖4 “2009版鐵規(guī)”動(dòng)力放大系數(shù)β曲線(xiàn)Fig.4 β-curve of dynamic amplification factor in the code of 2009 edition

此外,關(guān)于長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu),由于對(duì)其動(dòng)力行為缺乏研究,為了避免對(duì)設(shè)計(jì)造成困難,新規(guī)范中對(duì)于橋梁自振周期有所限定,自振周期超過(guò)2 s的結(jié)構(gòu),其反應(yīng)譜曲線(xiàn)應(yīng)另行研究。

(6) 新增了支座抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容。地震區(qū)橋梁支座在地震時(shí)發(fā)生破壞的工程實(shí)例很多,支座錨固螺栓、支座限位裝置等受力集中部位經(jīng)常發(fā)生破壞,導(dǎo)致梁縫頂死、梁體位移,甚至落梁,因此地震區(qū)支座設(shè)計(jì)應(yīng)遵循構(gòu)造簡(jiǎn)單、受力明確、便于更換的原則。同時(shí),支座本體的抗震能力應(yīng)高于其他連接構(gòu)件,支座與梁體的連接強(qiáng)度應(yīng)高于其與橋墩臺(tái)的連接強(qiáng)度。

當(dāng)?shù)卣饎?dòng)水準(zhǔn)超過(guò)設(shè)計(jì)要求時(shí),支座的損傷也應(yīng)盡可能控制在支座縱、橫向限位裝置或錨固螺栓等易更換部位,方便更換和快速修復(fù),如圖5所示。

圖5 隔震支座Fig.5 Vibration isolation bearing

(7) 抗震措施方面更加具體。第一,“2009版鐵規(guī)”新增了“對(duì)設(shè)防烈度在8度或9度區(qū)內(nèi),橋頭路堤高度大于3 m的特大橋、大中橋橋臺(tái)后15 m范圍內(nèi)的路堤基底以下的可液化土層或軟土做加固處理”的規(guī)定,以減輕路基及橋梁的震害。因?yàn)楦鶕?jù)我國(guó)唐山、海城兩次地震中橋梁的震害經(jīng)驗(yàn),松軟地基、液化地基上的橋頭路堤普遍下沉,最嚴(yán)重的下沉可達(dá)3 m,造成錐體鋪砌破壞,進(jìn)一步加重了橋臺(tái)的震害。第二,新增了地震區(qū)橋梁防落梁裝置及抗震措施等相關(guān)要求。大量震害實(shí)例表明,采取合理的抗震措施能夠有效減輕橋梁震害,為了防止落梁,不僅應(yīng)保證橋梁支座的各個(gè)部位有足夠強(qiáng)度,還應(yīng)采取縱向梁端連接措施并使用支擋設(shè)施,如圖6所示。

圖6 橋梁防落梁裝置Fig.6 Girder fall protection device of bridge

特別需要說(shuō)明的是,大跨鐵路橋梁(如懸索橋、斜拉橋等)具有索塔結(jié)構(gòu),地震荷載會(huì)引起塔底的縱向彎矩及縱向剪力,因此應(yīng)在塔梁間采用合理的縱向連接裝置以提高該類(lèi)橋梁的綜合抗震能力。

《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50111—2006)》(2009版)是在原國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB J111—87)》的基礎(chǔ)上修訂而成的,并且沿用至今。該規(guī)范明確了我國(guó)鐵路的技術(shù)發(fā)展方向,總結(jié)了我國(guó)抗震設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),吸取了專(zhuān)題科研成果,借鑒了國(guó)內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,推動(dòng)了我國(guó)防災(zāi)減災(zāi)事業(yè)的發(fā)展。

4 總結(jié)

本文闡述了我國(guó)鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的沿革與發(fā)展,分析了每個(gè)歷史時(shí)期不同版本規(guī)范對(duì)鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定,并與先前的規(guī)定進(jìn)行了對(duì)比,得出的結(jié)論如下:

(1) 鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)隨著震害資料的不斷積累和研究的不斷深入趨向多維化,并隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)與結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)的發(fā)展,從“單水準(zhǔn)”設(shè)防改變?yōu)椤叭疁?zhǔn),兩階段”設(shè)防。同時(shí),抗震設(shè)防的范圍也進(jìn)一步擴(kuò)大,逐步契合我國(guó)國(guó)情。

(2) 場(chǎng)地分類(lèi)精細(xì)化。場(chǎng)地分類(lèi)從最初未命名的三類(lèi)發(fā)展至今,已按照土層剪切波速分為四類(lèi)并命名,更加充分地考慮了橋梁建設(shè)的場(chǎng)地條件。

(3) 地震作用計(jì)算方法更符合實(shí)際。地震作用是各類(lèi)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的核心,鐵路橋梁地震作用的計(jì)算從僅考慮水平力,發(fā)展到同時(shí)考慮水平力、地基變形及地震作用下場(chǎng)地反應(yīng)對(duì)橋梁的影響等,其結(jié)果與實(shí)際也更加吻合。

(4) 抗震措施更加具體?？拐鸫胧┽槍?duì)的工程問(wèn)題和隱患趨于豐富化和多樣化,對(duì)于鐵路橋梁抗震的薄弱環(huán)節(jié)和特殊震害現(xiàn)象,規(guī)范中補(bǔ)充和完善了相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施。

(5) “2009版鐵規(guī)”距今已近20年,與我國(guó)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG/T 2231-01—2020》)[21]相比,存在明顯的發(fā)展滯后等問(wèn)題。尤其在地震荷載方面,其并沒(méi)有對(duì)“地震作用”“抗震分析”“橋梁減隔震設(shè)計(jì)”等方面做出詳細(xì)的闡述,由此可見(jiàn),我國(guó)鐵路工程抗震研究工作仍需進(jìn)一步完善。

綜上,鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的版本差異對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力有著重要影響,因此在鐵路橋梁震害預(yù)測(cè)中考慮橋梁的建造年代及其遵循的規(guī)范版本具有重要意義。除此之外,我國(guó)在2008年之后,高速鐵路迅猛發(fā)展,為了保證線(xiàn)路平穩(wěn),高速鐵路采用了以橋帶路的方案,到目前為止,高速鐵路中的橋梁里程普遍占總里程的50%以上。本文通過(guò)梳理三版《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的發(fā)展歷程,旨在為改進(jìn)和完善地震區(qū)鐵路橋梁震害預(yù)測(cè)方法提供參考依據(jù)。

本文是通過(guò)查閱不同時(shí)期的《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和相關(guān)論文,并對(duì)鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)部分進(jìn)行對(duì)比得出的,對(duì)我國(guó)鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)工作發(fā)展的認(rèn)識(shí)可能存在一些不完整之處,難免出現(xiàn)一些疏漏和謬誤,僅供從業(yè)者一起討論。