国内外铁路桥梁抗震设计比较

韦虹

0 引言

桥梁抗震设计规范是一个国家桥梁抗震设计的依据，对桥梁结构的抗震设计极其重要。因此，各国均会根据最新的抗震研究成果及地震灾害，不断改进其抗震设计规范。随着我国经济及铁路工程的快速发展，我国现行的《铁路工程抗震设计规范》已表现出越来越多的不适应性。为了更好的满足铁路工程事业发展的需要，我国铁路桥梁抗震规范的修订工作势在必行。美国在工程抗震领域均处于世界领先地位，其研究成果及工程经验，对我国铁路抗震规范的修订具有一定的参考价值。为此，本文重点对我国现行GB 50111-2006铁路工程抗震设计规范、美国《AASHTO桥梁抗震指南》的反应谱进行了比较分析。

1 中、美抗震规范设计反应谱及其特点

抗震设计反应谱是地震作用的表征和工程抗震设计的基础，由于影响地震动的因素较多且较复杂，国内外学者对反应谱影响因素的研究并无确切定论，因此各规范所采用的抗震设计反应谱之间存在较大的差异。但从反应谱值随周期的变化关系来看，各规范的趋势是一致的，即随周期变化逐渐由小变大(或不变)直至一个平台，然后逐渐衰减。我国规范所采用的加速度反应谱由上升段、平台段、下降段曲线组成，而美国规范则采用了平台段、下降段两段谱型，如表1所示。

2 各抗震规范设计反应谱参数的比较

反应谱参数的比较主要包括:反应谱曲线的拐点周期、平台高度、下降速度。它们反映了场地条件、阻尼比、震级和震中距等因素对反应谱谱型的影响，本文分析讨论了各规范关于反应谱参数的确定。

2.1 谱曲线的拐点周期

在我国GB 50111-2006规范反应谱曲线中第一个拐点周期取定值0.1，其他拐点周期则与特征周期有关，特征周期为根据设计地震分组(考虑了近远震、震级的影响)及场地类别确定。美国AASHTO规范反应谱曲线是根据场地类别分别给出了4条形状相似的曲线，各曲线的拐点周期均为定值，因而它只考虑了场地类别的影响。

由上述可知，各反应谱曲线都考虑了场地条件对拐点周期的影响。关于场地条件对反应谱的影响，国内外学者研究表明场地条件对反应谱的谱型有显著影响，如Seed［1］和Mohraz［2］通过对1971年San Fernando地震动记录的研究分析一致认为，场地条件明显影响反应谱的形状，软弱土场地上反应谱长周期的谱值有明显增大的趋势。因此，考虑场地条件对拐点周期的影响是合理的。此外，我国的反应谱曲线还考虑了近远震的影响，1972年美国学者Kuribayshi［3］研究指出长周期范围内大震级和远震时谱值较大，1974年美国学者McGuire将加速度反应谱看作是震级和震中距的函数进行统计分析指出，大震级、远震记录的长周期分量比小震级、近震记录的要大，另外，我国的周锡元等［4］也得到类似的结论，可见考虑近远震对谱曲线的影响是合理的。

2.2 谱曲线的平台高度

在我国GB 50111-2006规范反应谱曲线中，平台高度取定值β=2.25，未考虑其他因素的影响。在美国AASHTO规范反应谱曲线中，平台高度根据不同的场地类别分别取不同的值，对Ⅰ，Ⅱ类场地取2.5，对Ⅲ，Ⅳ类场地取2.0，考虑了场地条件对反应谱平台高度的影响。

由上述可知，美国规范考虑了场地条件对反应谱平台高度的影响，而在我国的规范当中未体现。但近些年国内外的学者研究表明，场地条件对反应谱平台高度确实有影响，如Seed［1］通过对1971年San Fernando地震动记录的分析研究认为，软弱土场地上反应谱中长周期的谱值有明显增大的趋势，我国耿淑伟［5］、吕红山［6］也得出相似结果。

2.3 谱曲线的下降速度

在我国GB 50111-2006规范中，下降段曲线均取为T－1次幂，且在5Tg≤T≤2 s段设了下限值0.45;美国AASHTO规范的反应谱曲线下降速度则较为保守，在Tm≤4的下降段采用了T－2/3的衰减指数，即便是在较长周期段(Tm＞4)也只采用了T－4/3的衰减指数，与我国规范相比略显保守。

3 各抗震规范设计反应谱值的比较

上述对各抗震规范反应谱参数进行了简要的比较，为了具体了解各规范反应谱的差别，以下将对反应谱的谱值进行定量比较。中、美规范对场地类别的划分方法不尽一样，为了便于比较，根据土层的典型特征—剪切波速对其进行归纳比较，如表2所示。由表2可知，中国Ⅰ类场地相当于美国Ⅰ类，中国Ⅳ类场地相当于美国Ⅳ类。

表2 各规范场地土分类

由于我国GB 50111-2006规范给出的是动力放大系数β—T反应谱，为便于比较，在此我们统一将地面加速度取为1，即美国AASHTO规范中A=1。同时设计地震分组均取第二组，阻尼比取0.05。由此给出了我国GB 50111-2006规范、美国AASHTO规范在Ⅰ类和Ⅳ类场地上反应谱值的比较，如图1，图2所示。

由图1可知，对于Ⅰ类场地，各国规范的特征周期基本相同，但由于美国AASHTO规范的反应谱平台高度较大而衰减指数较小，因此反应谱值在0 s～2 s内始终大于我国GB 50111-2006规范反应谱值;由图2可知，对于Ⅳ类场地，我国GB 50111-2006规范与美国AASHTO规范相差较大;由于美国规范的反应谱平台高度较低，在0 s～0.8 s内美国规范的反应谱值低于我国的，但由于美国规范的衰减指数较小，且平台宽度较大，在0.8 s后反应谱值迅速超过了我国规范的反应谱值。可见，我国GB 50111-2006规范的反应谱值相对美国AASHTO规范略微偏低，这主要与各国的经济水平、设防水准以及设防目标有关。

4 结语

本文分析比较了我国GB 50111-2006规范、美国AASHTO规范的基本特征与差别，结果表明，我国GB 50111-2006规范的主要特点及尚需进一步研究的问题如下:

1 )我国GB 50111-2006规范的反应谱值比美国AASHTO规范相比略显偏低，这主要与各国的经济水平、设防水准以及设防目标有关。2)我国规范没有考虑场地条件对反应谱值的影响，而国内外学者的研究以及大量的工程实践证明，场地条件是影响反应谱最大值的主要因素。3)我国规范的周期范围较小，近年来由于铁路发展的需要，大跨、高墩桥梁结构日益增多，我国现行的规范已不能满足长周期桥梁结构发展的需要。建议适当延长周期适用范围，且考虑到长周期反应由位移控制，长周期段采用与位移反应谱相结合的方法确定反应谱值。

［1］ Seed.H.B，Ugas.C，Lysmer.J.Site-Dependent Spectra for Earthquake-Resistance Design［J］.Bull.Seismic.Soc.Am.，1976，66 (1)：221-243.

［2］ Mohraz B.A Study of Earthquake Response Spectra for Different Geological Conditions［J］.Bull.Seismic.Soc.Am.，1976，66 (3)：915-935.

［3］ Kuribayshi.E，Iwasaki.T，Iida.Y，et al.Effects of Seismic and Subsoil Condition on Earthquake Respond Spectra［J］.Proc.International Conf.Microzonation，Seattle，Wash，1972(8)：499-512.

［4］ 周锡元，苏经宇.烈度、震中距和场地条件对地面运动反应谱的影响［J］.地震工程与工程振动，1983，3(2)：29-43.

［5］ 耿淑伟.抗震设计中的地震动输入参数的研究［D］.哈尔滨：中国地震局工程力学研究所，2005.

［6］ 吕红山.基于地震动参数的灾害风险分析［D］.北京：中国地震局地球物理研究所，2005.