中菲橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范比較

馮國(guó)軍

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300142)

菲律賓是一個(gè)地震多發(fā)國(guó)家,且地震動(dòng)峰值加速度高達(dá)0.4g以上。對(duì)菲律賓抗震設(shè)計(jì)研究成為做好該地區(qū)項(xiàng)目的關(guān)鍵。本文主要對(duì)中菲兩國(guó)鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行介紹和比較,以期為今后國(guó)際項(xiàng)目開展提供參考。

1 橋梁抗震設(shè)計(jì)的基本思想

橋梁抗震設(shè)計(jì)的基本思想和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是制定規(guī)范的最重要之處,它決定了抗震設(shè)計(jì)要達(dá)到的目標(biāo)、采用的設(shè)計(jì)地震動(dòng)水平和地震反應(yīng)的計(jì)算方法,因此這里首先介紹中菲兩國(guó)的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的基本設(shè)計(jì)思想,見表1。

表1 中菲橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范比較

《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ111—87)采用單一水準(zhǔn)的抗震設(shè)防思想,僅進(jìn)行基本烈度下的抗震驗(yàn)算,在抗震設(shè)計(jì)時(shí),只進(jìn)行設(shè)計(jì)地震力作用下的強(qiáng)度驗(yàn)算,沒有考慮橋梁結(jié)構(gòu)的“變形能力”和“耗能能力”[1],而《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50111—2006)明確規(guī)定了3個(gè)水準(zhǔn)的抗震設(shè)防目標(biāo),這較GBJ111—87規(guī)范是一個(gè)較大的進(jìn)步。從表中可見,中菲兩國(guó)橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的基本思想和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則在用詞上雖有所不同,但可歸納為功能設(shè)計(jì)地震和安全設(shè)計(jì)地震,其思想是基本一致的；功能設(shè)計(jì)地震具有較大的發(fā)生概率,安全設(shè)計(jì)地震具有很小的發(fā)生概率,在功能設(shè)計(jì)地震作用下,橋梁結(jié)構(gòu)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(fù)也可以繼續(xù)使用,在安全設(shè)計(jì)地震的作用下,允許橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的破壞,但不允許發(fā)生整體破壞[2～4,5]。

2 設(shè)計(jì)地震動(dòng)

2.1 地震區(qū)劃及場(chǎng)地分類

地震作用強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)抗震中最重要的地震動(dòng)參數(shù)之一,我國(guó)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》采用地震設(shè)防烈度和地震動(dòng)峰值加速度來表述,規(guī)范給出地震設(shè)防烈度和地震動(dòng)峰值加速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,采用3個(gè)地震烈度水準(zhǔn)來考慮[4,6，7]：

多遇地震：重現(xiàn)期為50年；

設(shè)計(jì)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2 475年。

NSCP直接使用地震動(dòng)峰值加速度來表述,50年超越概率5%～20%,相當(dāng)于我國(guó)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的設(shè)計(jì)地震[2～4]。

中菲兩國(guó)橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中都考慮了場(chǎng)地條件對(duì)設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)的影響,具體做法是按照一定規(guī)則對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行分類,然后分別給出各類別場(chǎng)地的地震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。我國(guó)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》根據(jù)場(chǎng)地計(jì)算深度內(nèi)土層等效剪切波速劃分場(chǎng)地類別,共分為4類(表2)。

表2 場(chǎng)地類別

NSCP根據(jù)地表覆蓋層厚度和場(chǎng)地剪切波速確定場(chǎng)地類別,共分為3類[2]：

Ⅰ類場(chǎng)地土(符合下列兩款中任一款即可)：

廈門市財(cái)政要求各預(yù)算單位加快預(yù)算執(zhí)行，1—6月、1—9月、1—10月序時(shí)進(jìn)度分別不得低于45%、70%和80%，最后2個(gè)月支出金額不得超過全年預(yù)算數(shù)的20%，確保均衡支出，嚴(yán)控年底突擊花錢。廈門T大學(xué)2017年的財(cái)政資金預(yù)算執(zhí)行情況如下表。

(1)任何性質(zhì)的巖石,或類似頁巖、晶體性質(zhì)的土壤(這類材料的剪切波速通長(zhǎng)大于760 m/s)

(2)覆蓋在巖石上面的土質(zhì)類型為穩(wěn)定的砂、礫石、堅(jiān)硬的黏性土,且這些堅(jiān)硬土的厚度小于60 m。

Ⅱ類場(chǎng)地土:覆蓋在巖石上面的土質(zhì)類型為穩(wěn)定的砂、礫石、堅(jiān)硬的黏性土,且這些堅(jiān)硬土的厚度大于60 m。

Ⅲ類場(chǎng)地土:具有不小于10 m厚的中軟土,中間有無砂或其他非黏性土夾層均可。

當(dāng)對(duì)土質(zhì)特性了解不充分或無法確定工程位置處的場(chǎng)地類型是否與上述3種類型相符時(shí),應(yīng)采用II類場(chǎng)地土的相關(guān)參數(shù)。

2.2 地震反應(yīng)譜

我國(guó)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》與NSCP的彈性反應(yīng)譜曲線見圖1及圖2。

圖1 動(dòng)力放大系數(shù)β曲線(中國(guó)鐵路)

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化加速度譜曲線(NSCP)

NSCP標(biāo)準(zhǔn)化加速度譜曲線由下述公式給出

(1)

式中A——地震動(dòng)峰值加速度；

S——場(chǎng)地類型系數(shù)；Ⅰ類場(chǎng)地土,S=1.0；Ⅱ類場(chǎng)地土,S=1.2；Ⅲ類場(chǎng)地土,S=1.5；

T——橋梁自振周期。

任何情況下Cs值不應(yīng)超過2.5A；對(duì)于III類場(chǎng)地土,當(dāng)A≥0.30g時(shí),Cs不應(yīng)超過2.0A。

由圖可見兩國(guó)規(guī)范反應(yīng)譜之間存在差別：(1)在短周期段,我國(guó)規(guī)范有一個(gè)下降段,NSCP無下降段；理論上,有下降段是合理的,但無下降段的處理更簡(jiǎn)單?，F(xiàn)行《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》下降段的拐點(diǎn)周期是0.1 s,一般橋梁結(jié)構(gòu)的基本周期遠(yuǎn)大于此,因此,下降段實(shí)際意義并非十分重要；(2)兩國(guó)規(guī)范反應(yīng)譜的平臺(tái)最大值高度不同,且NSCP平臺(tái)高度還隨著場(chǎng)地類別變化,但我國(guó)規(guī)范反應(yīng)譜的平臺(tái)高度不隨著場(chǎng)地變化,從地震反應(yīng)譜的客觀特性來說,標(biāo)準(zhǔn)化反應(yīng)譜的臺(tái)階高度是隨場(chǎng)地類型變化的；(3)NSCP的反應(yīng)譜對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)地震,而我國(guó)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的反應(yīng)譜對(duì)應(yīng)多遇地震；(4)現(xiàn)行《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》根據(jù)場(chǎng)地類別和地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃確定地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期Tg,然后確定反應(yīng)譜曲線；NSCP沒有歸納地震動(dòng)反應(yīng)譜的特征周期,由公式(1)直接給出加速度反應(yīng)譜公式。

3 地震反應(yīng)分析和計(jì)算方法

目前各國(guó)橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范采用的地震反應(yīng)分析方法有4種：等效靜力法、線性動(dòng)力法、非線性靜力法和非線性動(dòng)力法。其中等效靜力法和線性動(dòng)力法是目前規(guī)范中廣泛應(yīng)用的方法。非線性靜力分析方法主要是用來確定結(jié)構(gòu)的倒塌機(jī)制和能力,目前只有極少數(shù)國(guó)家的橋梁抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中引入這一方法,將來可能有更多的規(guī)范引入。各國(guó)規(guī)范對(duì)非線性動(dòng)力法用于橋梁抗震設(shè)計(jì)一般只有定性的指導(dǎo)性條款,沒有實(shí)施細(xì)則[5,8～9]。

我國(guó)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》采用了等效靜力法(分析橋臺(tái)及上下部結(jié)構(gòu)連接)、線性動(dòng)力法(多遇地震下橋梁抗震分析)和非線性動(dòng)力法(罕遇地震下鋼筋混凝土橋墩延性分析)；NSCP分析地震作用時(shí)采用了等效靜力法(分析橋臺(tái)及上下部結(jié)構(gòu)連接)、線性動(dòng)力法(設(shè)計(jì)地震下橋梁抗震分析)以及非線性動(dòng)力法(鋼筋混凝土橋墩的塑性分析)。兩國(guó)橋梁抗震分析計(jì)算方法對(duì)比見表3、表4。

表3 我國(guó)鐵路工程抗震分析方法

表4 NSCP抗震分析方法

關(guān)于地震力荷載組合：我國(guó)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》采用結(jié)構(gòu)自重+水壓力+水浮力+土壓力+活載重力+離心力+列車活載土壓力+地震力的組合方式;NSCP采用結(jié)構(gòu)自重+水壓力+水浮力+土壓力+地震力的組合方式。兩國(guó)規(guī)范的差別在于對(duì)活載是否與地震力進(jìn)行組合上；NSCP雖未將活載與地震力進(jìn)行組合,但在計(jì)算結(jié)構(gòu)整體剛度時(shí)按以下條款考慮：一般情況下在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)不考慮活載,但位于中心城區(qū)以及活載和恒載的比值較高時(shí)應(yīng)該考慮活載的影響。

4 設(shè)計(jì)地震力

我國(guó)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)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(chǔ)的設(shè)計(jì)地震力；采用設(shè)計(jì)地震驗(yàn)算連接構(gòu)造；對(duì)罕遇地震作用下鋼筋混凝土橋墩進(jìn)行延性設(shè)計(jì),并規(guī)定了鋼筋混凝土橋墩的非線性位移延性比限值。

NSCP采用設(shè)計(jì)地震作用下的彈性地震力除以力折減系數(shù)R作為構(gòu)件的設(shè)計(jì)地震力,不同構(gòu)件因?yàn)槠溲有缘牟町惗捎貌煌恼蹨p系數(shù)?；A(chǔ)的設(shè)計(jì)地震力與其上橋墩的設(shè)計(jì)地震力不同,采用橋墩的塑性力或不除以折減系數(shù)R的彈性地震力(取兩者中的較小者,一般情況下由橋墩塑性鉸所產(chǎn)生的塑性力較小)作為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)力；NSCP更加注重基礎(chǔ)的安全性。由于建筑材料的實(shí)際強(qiáng)度往往大于其設(shè)計(jì)采用值,因此在確定結(jié)構(gòu)塑性鉸的位置時(shí)材料的這種超強(qiáng)會(huì)帶來不利影響。NSCP引入結(jié)構(gòu)超強(qiáng)系數(shù)這個(gè)概念,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用1.3、鋼結(jié)構(gòu)采用1.25的超強(qiáng)系數(shù),實(shí)際用于設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)地震力為乘以結(jié)構(gòu)超強(qiáng)系數(shù)后的橋墩塑性力。

5 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法(表5)

表5 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

能力設(shè)計(jì)思想的基本概念在于合理地選擇塑性鉸出現(xiàn)的位置,通過犧牲塑性鉸所在的延性構(gòu)件的耗能能力,來保證結(jié)構(gòu)中脆性構(gòu)件(能力保護(hù)構(gòu)件)處于彈性反應(yīng)階段,從而換取整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。按照這一思想,為了確保塑性鉸的彎曲耗能能力,必須防止塑性鉸所在的延性構(gòu)件內(nèi)部發(fā)生脆性破壞模式,因此有必要在非延性破壞模式和設(shè)計(jì)延性變形模式之間確保一個(gè)合適的強(qiáng)度界限,這是能力設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在橋梁抗震設(shè)計(jì)中,為了使地震造成的破壞易于檢查和維修,通常把橋墩選為延性構(gòu)件,要求彎曲塑性鉸出現(xiàn)在地面以上橋墩部分的頂部或底部,上部結(jié)構(gòu)和地面以下的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為能力保護(hù)構(gòu)件[2,3,8,10]。

6 結(jié)語

本文對(duì)我國(guó)現(xiàn)行《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》以及菲律賓NSCP規(guī)范抗震篇進(jìn)行了對(duì)比,兩國(guó)規(guī)范的主要差別在抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、構(gòu)造細(xì)節(jié)及橋梁基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì)上,總結(jié)如下。

(1)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn):這是橋梁抗震設(shè)計(jì)的最基本問題；NSCP采用一水平設(shè)計(jì),我國(guó)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》采用三水準(zhǔn)設(shè)防,總體上“三水準(zhǔn)設(shè)防”優(yōu)于“一水平設(shè)計(jì)”,我國(guó)規(guī)范中的設(shè)計(jì)方法及具體細(xì)節(jié)尚需完善。

(2)構(gòu)造細(xì)節(jié):橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的許多問題目前還不能完全通過量化方法借以解決。因此根據(jù)震害經(jīng)驗(yàn)等提出的構(gòu)造要求對(duì)保證橋梁結(jié)構(gòu)的抗震安全十分重要,相比之下我國(guó)鐵路抗震設(shè)計(jì)規(guī)范在延性設(shè)計(jì)的構(gòu)造細(xì)節(jié)上略顯不足。

(3)橋梁基礎(chǔ)的抗震設(shè)計(jì):從歷次大地震震害可以看出,基礎(chǔ)破壞是導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)地震破壞的主要原因之一。基于阪神地震的經(jīng)驗(yàn),地震后橋梁上部結(jié)構(gòu)的修復(fù)和重建都比下部基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)和省時(shí)、省力,因此橋梁基礎(chǔ)的抗震能力的要求應(yīng)比橋墩高。我國(guó)鐵路抗震設(shè)計(jì)規(guī)范亦指出：“大量的震害經(jīng)驗(yàn)表明,基礎(chǔ)震害常使橋梁的修復(fù)、加固十分困難,甚至無法修復(fù)。因此,對(duì)地震區(qū)(特別是8度及以上地區(qū))的橋梁在場(chǎng)地選擇和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)倍加重視”。NSCP及美國(guó)的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范采用能力設(shè)計(jì)方法對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)值得我們參考和借鑒。

[1]GBJ111—87,鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[2]National Structural Code of the Philippines Volume Ⅱ (Bridges), 2005.

[3]HB-17, Standard Specifications for Highway bridges. 17th Edition 2002[S]. American Association of State Highway and Transportation Officials, 2002.

[4]GB50111—2006,鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]范立礎(chǔ)，等.橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].地震工程與工程振動(dòng),2001,21(2)：71-77.

[6]GB50011—2001,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[7]GB18306—2001,中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖[S]．

[8]M.J.N.普瑞斯特雷,F.塞勃勒,G.M.卡爾維.袁萬城,等譯.橋梁抗震設(shè)計(jì)與加固[M].北京：人民交通出版社,1997．

[9]范立礎(chǔ)，等.橋梁延性抗震設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社,2001．

[10]趙冠遠(yuǎn)，等.對(duì)美國(guó)橋梁抗震規(guī)范中橋墩抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式的評(píng)價(jià)[J].世界地震工程,2002，18(4)：85-90.