夏修身，戴胜勇，陈兴冲，李建中

(1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031；3.同济大学 土木工程学院，上海 200092)

川藏铁路从成都市出发，穿越川西高山峡谷区、藏东南横断山高山峡谷区、藏南峡谷地区到达拉萨。川藏铁路面临的地形、地貌、地质及地震问题，为铁路建设史之罕见，特别是高烈度地震区的深沟峡谷地段，沟深峡宽，需采用大跨或超大跨度特殊结构跨越，如成康段的宝灵山大桥跨越日地沟，日地沟属典型的深沟V形峡谷，两侧坡面陡峭，且地震烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度为0.3g。川藏铁路线中拟设计多座大跨度拱桥、斜拉桥与悬索桥，高烈度地震区大跨度桥梁较多是川藏铁路的特征之一。大跨度桥梁投资较大，其修建一般关系到整个地区的经济社会发展。当大跨度桥梁遭受严重破坏时，不可避免地会切断震区的交通生命线，造成救灾工作困难，加重次生灾害，产生较大的经济损失。

我国现行的GB 50111—2006《铁路工程抗震设计规范》(2009年版)[1]仅适用于跨度小于150 m的梁式桥，JTG/T B02-01—2008《公路桥梁抗震设计细则》[2]及CJJ 166—2011《城市桥梁抗震设计规范》[3]对大跨度桥梁仅给出了抗震设计原则，其抗震设计需作专门的研究。大跨度桥梁采用的抗震设防标准一般要略高于普通桥梁，但并不是越高越好[4]。这是因为通常Ⅶ度地区结构的工程造价比不设防增加3%～5%，Ⅷ度地区比Ⅶ地区增加4%～5%，Ⅸ度地区比Ⅷ地区增加8%～10%[5]。确定合理的设防标准，既能有效减轻地震损失，又能合理使用有限资金，这也是川藏铁路大跨度桥梁抗震设计时首先需要解决的问题。

本文从设计地震加速度与超越概率及地震重现期与超越概率的关系入手，分析国内外典型大跨度桥梁的抗震设防标准，以地震重现期为主要指标探讨川藏铁路大跨度桥梁的抗震设防标准。为了使提出的抗震设防标准在实际应用中具有可操作性，给出相同重现期下不同烈度的多遇地震重要性系数，可供大跨度桥梁抗震设计参考。

1 重现期与设计地震加速度

1.1 重现期与超越概率

多遇地震、设计地震及罕遇地震均相对工程结构的使用寿命而言。研究表明，地震强度及其出现频次服从对数分布规律，强度大的地震出现频次较低，是罕遇的；强度较小的地震出现的频次相对较高，即多遇的[6]。文献[1]采用50年基准期的超越概率表述多遇地震、设计地震及罕遇地震。超越概率是指一定场地在未来一定时间内遭遇到大于或等于给定地震的概率，常以年超越概率或设计基准期超越概率表示。地震重现期是指一定场地重复出现大于或等于给定地震的平均时间间隔[7]。可以用年超越概率或地震重现期描述桥梁结构抗震设防标准。

地震重现期与超越概率存在以下关系[8]

(1)

式中：TR为地震重现期；P为TL年内地震发生的超越概率；TL为超越概率P对应的基准期。

通过重要性系数改变桥梁结构的设防等级会盲目增强或减弱其抗震能力[6]，下文有论述。对大跨桥梁比较合理的做法是通过调整地震重现期来体现不同工程的设防等级[4，9]。

1.2 超越概率与设计地震加速度

设计地震加速度Amax的危险性曲线公式为[4]

(2)

表1 基本烈度与相应的形状系数k

2 铁路B类桥梁的抗震设防标准

铁路桥梁根据铁路等级及其在路网中的重要性和修复(抢修)的难易程度，分为A、B、C、D共4个抗震设防类别[1]，文献[1]根据经验给出各类桥梁相应的重要性系数，其中B类桥梁工程的多遇地震抗震重要性系数为1.5。这种通过重要性系数增减地震荷载来改变结构重要性的方法无法定量说明到底提高或降低了多少安全性[11]。本文基于重现期阐述铁路B类桥梁的抗震设防标准。

由式(2)及表1可计算出考虑重要性系数1.5后，各烈度多遇地震对应的50年超越概率P，再由式(1)可得到相应的地震重现期，见表2。

表2 B类铁路桥梁的多遇地震重现期

由表2可知，相同的重要性系数1.5下，Ⅵ度的多遇地震重现期最大为153年，Ⅷ度0.3g对应的多遇地震重现期最小为98年，各烈度对应的多遇地震重现期差别较大，这是因为确定重要性系数时只考虑桥梁的重要性类别，没有考虑桥址地区的地震危险性差异，使同样的桥梁处在不同地区时具有不同的抗震设防标准。因此通过重要性系数体现桥梁结构的设防等级不够合理。大跨桥梁通过地震重现期描述设防标准相对更合理。

3 川藏铁路大跨度桥梁抗震设防标准

鉴于大跨度桥梁结构的复杂性且基于性能的抗震设计尚不完善[12，13]，国内外大跨度桥梁较多采用两水准设防。欧洲桥梁抗震设防考虑了结构使用期、设计加速度的超越概率和重现周期及结构重要性系数，但其设计基本地震加速度值相对较小[8]。美国Caltrans准则给出了两个地震动水准：功能评价地震动和安全评价地震动。功能评价地震动以100年左右为重现期，与桥梁的设计使用寿命基本相当。安全评估地震动用概率法衡量，具有约2 500年的重现期[14]。由于日本是地震多发国家，其抗震设防标准与别国不同，直接利用历史上记录到的地震动参数。尽管设防标准的表示方式不同，日本的大跨度桥梁也采用功能评估地震动与安全评估地震动两个水平[15]。

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我国大跨度桥梁采用的抗震设防标准，一般由业主参考其他大跨度桥梁工程已采用的抗震设防标准，并根据工程的重要性、自身的经济能力以及能承受的风险水平来确定[4，9]，抗震设防的标准与桥梁结构设计使用寿命相关度不高。

表3、表4分别为我国内地、香港及国外典型大跨度桥梁采用的抗震设防标准[9，15-18]。由于香港桥梁的设计依据国外规范，故将其列入表4对比。

表3 我国内地典型大跨桥梁的抗震设防标准

注：表中E1水准为多遇地震，E2水准为罕遇地震。

表4 香港及国外典型大跨桥梁的抗震设防水平

表4续

由表3可知，我国内地铁路大跨度桥梁(A类工程)芜湖长江大桥、韩家沱长江大桥和黄冈长江大桥的多遇地震重现期分别为100年、153年和950年，而罕遇地震重现期则为4 950年、2 475年和3 280年。三座重要性相同铁路桥梁的地震重现期(设防标准)相差较大。表3中公路大跨度桥梁的多遇地震(E1)重现期多为475年，而罕遇地震(E2)的重现期则在950年至2 475年之间。表3中桥例所处地区的地震烈度均偏低，绝大多数桥梁的抗震设防标准偏高，不适用于川藏铁路高烈度地震区的大跨度桥梁。

表4中大跨度桥梁的多遇地震(E1或功能评价地震动)重现期，美国约为100年，我国香港采用120年，日本为150年，与桥梁的设计使用寿命相近。罕遇地震(E2或安全评价地震动)重现期美国为2 000年、我国香港为2 340年、日本为1 000年。

对比表3、表4可知，我国内地公路大跨度桥梁多处于Ⅶ度地震区，E1地震设防水平明显高于香港和国外；铁路大跨桥梁罕遇(E2)地震的设防水准高于我国公路，也明显高于日本、略高于美国，与香港相近。

基于对国内外大跨度桥梁抗震设防水准的分析及铁路抗震规范中“A类工程的设防标准不得低于B类工程”原则，考虑到川藏铁路大跨度桥梁所处地震烈度相对较高的特点，川藏铁路大跨度桥梁(A类工程)采用的抗震设防标准及设防目标见表5。

由于文献[1，2]中均采用重要性系数来体现桥梁的不同设防水平，为了使大跨度桥梁的抗震设防标准在实际应用中具有可操作性，也为了便于工程人员在设计过程中与规范对接，本文基于150年重现期，给出了铁路大跨度桥梁对应各地震烈度区多遇地震作用的重要性系数，见表6。

表5 川藏铁路大跨度桥梁抗震设防水准及性能目标

表6 铁路A类桥梁的多遇地震重现期与重要性系数

表6中多遇地震重要性系数Ci的计算方法如下：

(1)将地震重现期TR=150代入式(1)，可求出各地震烈度下基准期TL=50年的超越概率P。

(2)将P代入式(2)，可求出Amax。

(3)多遇地震的重要性系数Ci=Amax/α，其中α为多遇地震基本峰值加速度。

4 结论

(1)基于大跨度桥梁的设计使用寿命，以地震重现期为指标，提出川藏铁路大跨度桥梁的抗震设防标准。

(2)相同抗震设防标准下，位于不同烈度的铁路大跨度桥梁具有不同的重要性系数，为了使提出的抗震设防标准具有可操作性，给出对应不同烈度的多遇地震重要性系数。

(3)香港及国外大跨度桥梁的多遇地震设防水平与桥梁的设计使用寿命相近，我国内地绝大多数大跨度桥梁的多遇地震设防水平与桥梁的设计使用寿命不相关。

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