橋梁抗震規(guī)范地震動(dòng)參數(shù)與結(jié)構(gòu)響應(yīng)對(duì)比分析

李延 閆桂豪

[摘? 要]：橋梁抗震設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)的現(xiàn)行參考規(guī)范共有3本，對(duì)橋梁抗震設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)取值均有不同的規(guī)定。文章對(duì)3本現(xiàn)行參考規(guī)范的地震動(dòng)參數(shù)相關(guān)規(guī)定條款進(jìn)行了對(duì)比，并以1座公路斜拉橋、1座公路連續(xù)梁橋?yàn)槔捎枚嗾裥头磻?yīng)譜法對(duì)計(jì)算響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，以期為相關(guān)工程從業(yè)人員提供參考依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]：橋梁抗震; 反應(yīng)譜; 抗震規(guī)范

U442.5+5A

在橋梁抗震設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)，設(shè)計(jì)人員主要參考2013年頒布的JTG B02-2013《公路工程抗震規(guī)范》[1]（以下簡(jiǎn)稱13公路抗震規(guī)范）、2020年頒布的JTG/T 2231-01-2020《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]（以下簡(jiǎn)稱20橋梁抗震規(guī)范）和2012年頒布的CJJ166-2011《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]（以下簡(jiǎn)稱12城市抗震規(guī)范）作為日常設(shè)計(jì)工作的參考規(guī)范，但是這3本規(guī)范由于發(fā)布年限相差較大，編寫時(shí)的參考文獻(xiàn)也不盡相同，導(dǎo)致包括設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、重要性系數(shù)、函數(shù)形式、阻尼系數(shù)、場(chǎng)地系數(shù)等多種地震動(dòng)參數(shù)的取值均存在一定的差異。此外，雖然3本規(guī)范的適用范圍不同，但是在實(shí)際工程項(xiàng)目中存在部分工程項(xiàng)目處于適用范圍的模糊區(qū)域，這些問題均對(duì)日常設(shè)計(jì)工作產(chǎn)生一定的困擾。目前，由于20橋梁抗震規(guī)范處于新發(fā)布狀態(tài)，雖然已有部分從業(yè)人員對(duì)20橋梁抗震規(guī)范與2008年JTG/T B02-01-2008《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》的修訂之處進(jìn)行了對(duì)比[4]，但是與現(xiàn)行其他橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范尚未進(jìn)行對(duì)比。

因此，本文對(duì)3本參考規(guī)范中反應(yīng)譜參數(shù)和曲線進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)以兩座不同橋型的公路橋梁為例，對(duì)比3本規(guī)范反應(yīng)譜計(jì)算方法下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，以期為相關(guān)工程人員提供參考借鑒。

1 抗震規(guī)范地震動(dòng)參數(shù)對(duì)比

13公路抗震規(guī)范、20橋梁抗震規(guī)范和12城市抗震規(guī)范從設(shè)計(jì)理念上均采用“兩水準(zhǔn)設(shè)防、兩階段設(shè)計(jì)”的設(shè)計(jì)理念，根據(jù)橋梁抗震設(shè)防分類、場(chǎng)地、阻尼比等多個(gè)參數(shù)確定橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。

1.1 橋梁抗震設(shè)防分類對(duì)比

13公路抗震規(guī)范、20橋梁抗震規(guī)范均根據(jù)公路等級(jí)、結(jié)構(gòu)形式、橋梁跨徑等因素將橋梁分為A、B、C、D 4類。根據(jù)不同橋梁的設(shè)防分類，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)進(jìn)行了規(guī)定，重要性系數(shù)與地震動(dòng)重現(xiàn)期如表1所示。

而12城市抗震規(guī)范根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、在城市交通網(wǎng)絡(luò)中位置的重要性以及承擔(dān)的交通量，將城市橋梁分為甲、乙、丙、丁4類。根據(jù)不同橋梁的設(shè)防分類，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的地震調(diào)整系數(shù)進(jìn)行了規(guī)定。其中甲類橋梁按照地震場(chǎng)地安全性評(píng)價(jià)中重現(xiàn)期475年和2 500年的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)取用，其他設(shè)防分類橋梁具體規(guī)定參見表2。

12城市抗震規(guī)范E1地震調(diào)整系數(shù)是根據(jù)GB 50011-2001《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的多遇地震（重現(xiàn)期63年）乘以相應(yīng)重要性系數(shù)得到，E2地震作用直接采用GB 50011-2001《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》罕遇地震的相關(guān)規(guī)定（重現(xiàn)期2000年—2450年）。

由此可見，12城市抗震規(guī)范的丁類橋梁的地震設(shè)防重現(xiàn)期可近似等同于13公路抗震規(guī)范、20橋梁抗震規(guī)范C類橋梁的設(shè)防重現(xiàn)期，而乙類橋梁、丙類橋梁均高于13公路抗震規(guī)范、20橋梁抗震規(guī)范中的B類橋梁。從設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)上講，12城市抗震規(guī)范的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)稍高于兩本公路行業(yè)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 地震動(dòng)反應(yīng)譜形式對(duì)比

在反應(yīng)譜函數(shù)形式上，13公路抗震規(guī)范、20橋梁抗震規(guī)范均由上升段、平臺(tái)段和下降段共計(jì)3段組成，其中上升段兩者均為恒定斜率的上升直線，平臺(tái)段遍布周期區(qū)間0.1 s～Tg（特征周期）的設(shè)計(jì)加速度等值，下降段兩者均規(guī)定為遍布周期區(qū)間Tg～10 s的反比例函數(shù)曲線（圖1）。兩者的差異主要體現(xiàn)在2點(diǎn)：一是上升段的形式不同;13抗震規(guī)范在周期零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)數(shù)值大小為0.45 Smax，20抗震規(guī)范為0.4 Smax，前者較后者數(shù)值稍大、上升段斜率偏小，但上升段的差別總體來(lái)講很小。二是平臺(tái)段峰值不同;20抗震規(guī)范平臺(tái)段峰值的動(dòng)力放大系數(shù)由13抗震規(guī)范固定的2.25增加為2.5。

而12城市抗震規(guī)范中由上升段、平臺(tái)段、反比例下降段和線性下降段，共計(jì)4段組成構(gòu)成（圖1）;其中上升段與平臺(tái)段形式與公路行業(yè)2本規(guī)范相同，上升段終點(diǎn)周期為0.1 s;平臺(tái)段遍布周期區(qū)間0.1 s～Tg（特征周期）;反比例下降段形式上公路行業(yè)相似，增加了考慮阻尼效應(yīng)的阻尼衰減指數(shù)，遍布周期區(qū)間Tg ～5Tg;在5Tg～6 s之間，為直線下降段，考慮長(zhǎng)周期位移控制的影響。與13公路抗震規(guī)范相比，12城市抗震規(guī)范反應(yīng)譜的最長(zhǎng)周期僅到6 s。

工程結(jié)構(gòu)李延， 閆桂豪： 橋梁抗震規(guī)范地震動(dòng)參數(shù)與結(jié)構(gòu)響應(yīng)對(duì)比分析

1.3 結(jié)構(gòu)阻尼比影響對(duì)比

在結(jié)構(gòu)阻尼比對(duì)反應(yīng)譜的影響方面，3本規(guī)范均采用阻尼調(diào)整系數(shù)對(duì)反應(yīng)譜峰值進(jìn)行調(diào)整，其中12城市抗震規(guī)范和13公路抗震規(guī)范阻尼調(diào)整系數(shù)計(jì)算公式完全相同，而20橋梁抗震規(guī)范阻尼調(diào)整系數(shù)計(jì)算公式略有差異，不同阻尼比下阻尼調(diào)整系數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖2。

1.4 地震動(dòng)場(chǎng)地因素影響對(duì)比

在場(chǎng)地因素影響上，3本規(guī)范均需要根據(jù)地震場(chǎng)地對(duì)反應(yīng)譜特征周期進(jìn)行調(diào)整，除20橋梁抗震規(guī)范對(duì)I類場(chǎng)地進(jìn)行了細(xì)分外，3本規(guī)范在II、III、IV場(chǎng)地類型的特征周期調(diào)整上完全一致。

此外13公路抗震規(guī)范和20橋梁抗震規(guī)范采用場(chǎng)地調(diào)整系數(shù)對(duì)地震動(dòng)反應(yīng)譜峰值進(jìn)行調(diào)整，其中20橋梁抗震規(guī)范水平場(chǎng)地系數(shù)引自GB 18306-2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[5]，此概念也是首次引入《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[6]。而13公路抗震規(guī)范引自JTG/T B02-01-2008《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》，兩者在場(chǎng)地調(diào)整系數(shù)的具體數(shù)值上存在些許差異。而12城市抗震規(guī)范中未有針對(duì)場(chǎng)地調(diào)整系數(shù)的相關(guān)規(guī)定。

2 水平地震動(dòng)響應(yīng)對(duì)比分析

對(duì)比結(jié)果表明12城市抗震規(guī)范、13公路抗震規(guī)范和20橋梁抗震規(guī)范在多個(gè)地震動(dòng)參數(shù)上均有不同程度的差異。為更加實(shí)際對(duì)比12城市抗震規(guī)范、13公路抗震規(guī)范和20橋梁抗震規(guī)范對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，本文后續(xù)將以1座公路斜拉橋、1座公路連續(xù)梁橋?yàn)槔?，?duì)比橋梁結(jié)構(gòu)水平地震動(dòng)反應(yīng)譜下的地震響應(yīng)。

2.1 工程項(xiàng)目簡(jiǎn)介

某公路雙塔斜拉橋中跨鋼混組合梁橋，邊跨為混凝土箱梁，全跨65 m+75 m+75 m+75 m+820 m+75 m+75 m+75 m+65 m，橋梁結(jié)構(gòu)體系為矮塔處塔梁固結(jié)，高塔處縱向漂浮，具體橋梁布置如圖3所示。

某公路橋梁引橋?yàn)?×40 m的混凝土T梁，支座采用板式橡膠支座，具體橋梁標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖4所示。

2.2 結(jié)構(gòu)建模與特征周期

利用sap2000有限元軟件對(duì)斜拉橋和連續(xù)梁橋進(jìn)行建模，其中橋梁墩柱、橋塔、主梁均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，斜拉索采用桁架單元進(jìn)行模擬同時(shí)考慮拉索幾何大變形所造成的剛度影響，基礎(chǔ)采用六彈簧模擬，板式橡膠支座采用彈性連接單元模擬，橋梁模型如圖5所示，特征周期見表3。

2.3 水平向反應(yīng)譜地震響應(yīng)對(duì)比分析

考慮到12城市抗震規(guī)范乙、丙、丁類橋梁采用建筑抗震規(guī)范中多遇地震乘重要系數(shù)的方式得到地震調(diào)整系數(shù)，地震重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)不明確。因此本小節(jié)計(jì)算過程中橋梁設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)均統(tǒng)一選用重現(xiàn)期475年的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)重要性系數(shù)和地震調(diào)整系數(shù)均為1.0。

采用多振型反應(yīng)譜計(jì)算斜拉橋和連續(xù)梁橋的縱向地震動(dòng)響應(yīng)，計(jì)算振型為200階，保證模型在各個(gè)方向上累計(jì)振型參與質(zhì)量均大于90%，計(jì)算精度滿足要求。具體計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

可以看出，對(duì)于20橋梁抗震規(guī)范和13公路抗震規(guī)范在結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)差別的區(qū)間在[0.85，1.31]之間，其差異相對(duì)較小，且與橋型類別無(wú)關(guān)。造成的差異主要是由20橋梁抗震規(guī)范中將反應(yīng)譜平臺(tái)段峰值的動(dòng)力放大系數(shù)由13抗震規(guī)范的2.25增加為2.5，和兩者場(chǎng)地系數(shù)的參考文獻(xiàn)不同導(dǎo)致的。而12城市抗震規(guī)范和13公路抗震規(guī)范的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)差別區(qū)間為[0.78，1.62]，尤其在II類場(chǎng)地條件下的差異較大，且地震動(dòng)響應(yīng)比值與橋型結(jié)構(gòu)本身相關(guān)。造成這種差異的因素主要是由于12城市抗震規(guī)范中未考慮場(chǎng)地因素的影響，且在反應(yīng)譜曲線的下降段函數(shù)上也存在不同。

3 結(jié)論

本文重點(diǎn)對(duì)比現(xiàn)行的3本橋梁抗震規(guī)范中地震動(dòng)參數(shù)，同時(shí)以1座斜拉橋、1座連續(xù)梁橋?yàn)槔龑?duì)其結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比分析，總體結(jié)論：

（1）20橋梁抗震規(guī)范與13公路抗震規(guī)范的地震動(dòng)參數(shù)的體系基本相同，僅在部分?jǐn)?shù)值上存在少量差別，橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)差異基本上是由修訂中部分系數(shù)的調(diào)整造成的。

（2）12城市抗震規(guī)范和13公路橋梁抗震規(guī)范的地震動(dòng)參數(shù)體系差別較大，在橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)上存在明顯的差異。

參考文獻(xiàn)

[1] 公路工程抗震規(guī)范： JTG B02-2013[S].

[2] 公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范： JTG/T 2231-01-2020[S].

[3] 城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范： CJJ 166-2011[S].

[4] 唐光武， 鄭萬(wàn)山， 劉海明. 《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》修訂簡(jiǎn)介： JTG/T 2231-01—2020[J]. 公路交通技術(shù)， 2021， 37（6）：5.

[5] 中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖： GB 18306-2015[S].

[6] 劉曉東. 新版國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306—2015）的主要變化[J]. 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)報(bào)， 2015（9）：23-26.