冯国军

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

桥梁结构抗震计算理论经历了静力法、反应谱法和时程分析法3个阶段，在实际桥梁抗震设计中均得到了应用。本文对中美两国铁路桥梁抗震设计规范进行介绍和比较，选取具有代表性的简支梁桥，分别按中美两国铁路抗震规范进行设计研究，探究两国抗震规范的差异，以期对国际项目的桥梁抗震设计提供一定的参考。

1 桥梁抗震设计的基本思想和设计准则

桥梁结构抗震设计的基本思想和设计准则是抗震设计的最重要之处，它决定了抗震设计要达到的目标、采用的设计地震动水平和地震反应的计算方法。目前桥梁的抗震设计方法主要有基于强度和基于位移的抗震设计方法。美国《AREMA》以及我国的《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)都是采用基于强度的设计方法，《AASHTO—GUID SPECIFICATION FOR LRFD SEISMIC DESIGN》采用基于位移的抗震设计方法。中美两国铁路桥梁抗震设计基本思想对比见表1。

可见，中美两国铁路桥梁抗震设计规范的基本思想和设计准则在用词上虽有所不同，但其思想是基本一致的，均可归纳为功能设计地震和安全设计地震。功能设计地震具有较大的发生概率，安全设计地震具有很小的发生概率;在功能设计地震作用下，桥梁结构只允许发生十分轻微的破坏，不影响正常的交通，不经修复即可继续使用;在安全设计地震的作用下，允许桥梁结构发生较大的破坏，但不允许发生整体破坏。虽然中美铁路桥梁抗震设计的基本思想一致，但实现方法确有着显著的不同，美国铁路抗震规范采用能力设计方法来保证“大震不倒”;我国铁路规范则采用经典的强度设计方法，没有考虑在不同性质的构件之间形成适当的强度安全等级级差［1-6]。

表1 中美两国铁路桥梁抗震设计基本思想对比

2 地震动设计参数

2.1 地震重现期

工程抗震设防首先要进行地震危险性分析，合理估计不同地区可能遭受的地震破坏作用，也就是说，首先要确定不同地区遭遇一定超越概率的地震动参数，以此作为抗震设防的依据。

我国《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)中多遇地震:50年超越概率为63%，重现期为50年;设计地震:50年超越概率为10%，重现期为475年;罕遇地震:50年超越概率为2%～3%，重现期为2475 年［3，8]。

美国《AREMA》给出了100年、475年及2400年重现期的基本加速度图。除上述提到的重现周期外，其他重现周期的场地加速系数按规范给定公式进行计算。中美两国地震动参数对比见表2。

《AREMA》抗震篇规定的Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级地震分别与我国铁路抗震设计规范中的多遇、设计、罕遇地震相对应，仅在具体采用的重现期上稍有不同。《AREMA》抗震篇所采用的I级地震的重现期大于我国铁路抗震规范所采用的数值;Ⅱ、Ⅲ级地震的重现期略低于我国铁路抗震规范所采用的数值。

表2 中美两国地震动参数对比

2.2 场地分类

场地条件对工程抗震性能有很大影响，我国铁路工程抗震设计规范根据场地计算深度内土层等效剪切波速把场地土划分为4类，划分类型见表3。

表3 中国铁路抗震规范场地土类型划分

美国铁路抗震设计规范根据土层厚度和剪切波速对场地进行分类，场地类型划分见表4。

中美两国铁路抗震规范均把场地土划分为4类，划分标准基本相当。

3 地震动反应分析方法

我国《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)规定:多遇地震作用下，桥墩抗震计算可采用反应谱法。对B类桥梁或采用减震装置的桥梁，宜按反应谱法计算，或选用符合抗震设计要求的地震波，采用时程反应分析法进行分析。在罕遇地震作用下，应采用非线性时程反应分析法，对钢筋混凝土桥墩可按简化方法进行延性验算。

表4 美国铁路抗震规范场地土类型及场地系数

美国铁路抗震设计规范采用基于弹性分析的方法确定I级地震动下的结构强度，通过合理的结构布局、构造细节及墩柱塑性铰的设计来满足II、III级地震动性能标准，设计力应为该等级下的地震力与各构件所能传递的最大力的较小者。I级地震动下桥梁结构采用的分析方法见表5。

表5 美国铁路抗震分析方法

4 基础抗震设计

我国《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)采用多遇地震作用下的弹性地震力作为桥墩和基础的设计地震力。美国铁路抗震设计规范采用I级地震作用下的弹性地震力作为墩柱的设计地震力。基础的设计地震力采用桥墩塑性弯矩的1.3倍或III级地震作用下地震力的较小者，把基础作为能力保护构件，注重基础的地震安全性。对于脆性构件或不希望出现塑性变形的构件，确保其强度安全等级高于包含塑性铰的构件。这样，不论可能出现的地震动强度有多大，这些构件都因其“能力”高于包含塑性铰的构件而始终处于弹性状态［1，3，11]。

5 铁路混凝土简支梁抗震设计对比分析

以位于9度地震区的某双线铁路24 m混凝土简支T梁桥为研究对象，对钢筋混凝土桥墩、桩基础分别采用中国和美国铁路规范(AREMA)进行抗震设计。多遇地震下我国铁路桥梁抗震设计方法不再赘述，对美国铁路桥梁抗震设计步骤简述如下:首先根据《AREMA》确定结构重要性分级并确定抗震设计所采用的重现期及相应的地震动加速度;其次根据《AREMA》规定公式计算地震响应系数，得到桥墩设计地震力，进行桥墩配筋设计;最后应用能力设计方法对基础进行设计。主要地震动参数及抗震设计结果对比见表6。

表6 设计地震加速度、重现期对比

多遇地震(Ⅰ级地震)下结构处于弹性工作阶段，对于常规简支梁桥，中美两国铁路抗震分析均可采用简化办法或反应谱方法。计算水平地震力时，《AREMA》抗震篇根据客货运量、桥高、桥长、是否存在绕行线路以及修复难度等对设计采用的地震重现期进行修正。对于本桥，经修正后的I级地震重现期为95年，对应的水平地震加速度为0.195g。而中国《铁路工程抗震设计规范》采用的多遇地震的重现期为50年，对应的水平加速度为0.14g，这是引起水平地震力差别较大的重要因素。

多遇地震(Ⅰ级地震)下的地震力对比结果见图1;分别应用两国规范规定的抗震计算方法对桥墩及桩基础进行抗震设计，主要计算结果见图2、图3。

图1 水平地震力比值

图2 桩身截面配筋

图3 截面配筋比值

根据抗震分析结果，对于墩底地震力，《AREMA》计算结果约为《中国铁路工程抗震设计规范》计算结果的1.35～1.52倍。进行结构配筋计算时，《AREMA》采用极限状态法，《中国铁路工程抗震设计规范》采用容许应力法。由于采用的结构配筋计算办法的差异且我国规范须满足非线性位移延性比的要求，使得墩底配筋结果较为接近，二者比值在0.92～1.07。

我国《铁路工程抗震设计规范》采用多遇地震作用下的弹性地震力作为桥墩和基础的设计地震力，美国铁路抗震设计规范采用桥墩塑性弯矩的1.3倍或3级地震(罕遇地震)作用下地震力的较小者，采用《AREMA》抗震篇计算的基础地震力与我国《铁路工程抗震设计规范》所计算的基础地震力的比值大概在2.1～2.65。《AREMA》抗震篇引入了“能力设计方法”，把基础作为能力保护构件，确保其强度安全等级高于桥墩，这是《AREMA》抗震篇桩基配筋远大于我国的主要原因。另外，由于把基础作为“能力保护构件”，基础设计地震力与墩高关系不大，仅与墩柱的截面尺寸及配筋有关，也即与桥墩的塑性能力有关;我国《铁路工程抗震设计规范》采用多遇地震作用下的弹性地震力作为基础的设计地震力，该力与墩高紧密相关，桩基配筋与墩高亦紧密相关;这一点在图2“桩身截面配筋”中有较明显的体现。

6 结语

本文对我国《铁路工程抗震设计规范》以及《AREMA》抗震篇进行了对比分析，并按照两种规范分别对位于直线上的某双线铁路简支桥梁进行了抗震设计研究，得出以下结论。

(1)地震动作用:对于水平地震力，《AREMA》计算结果较大，约为中国《铁路工程抗震设计规范》计算结果的1.35～1.52倍。地震力的组合，我国《铁路工程抗震设计规范》分别考虑纵向和横向的地震力作用，不考虑他们相互组合，《AREMA》考虑一个主方向上的地震力与另一主方向地震力30%的组合。根据《AREMA》抗震篇计算的地震动作用大于我国《铁路工程抗震设计规范》，但进行结构配筋计算时，《AREMA》采用极限状态法，中国《铁路工程抗震设计规范》采用容许应力法，结构配筋计算办法的差异使得最终墩底配筋结果相当。极限状态法比较全面地考虑了结构构件的不同工作状态，采用分项系数分别考虑荷载、材料及结构构件工作条件等方面的随机因素的影响，更适合于地震动作用下的结构配筋设计。

(2)《AREMA》及我国的《铁路工程抗震设计规范》都是采用基于强度的抗震设计方法，抗震设计基本思想及抗震设防目标亦基本一致，但实现“三阶段设防”的具体做法不同。《AREMA》应用了能力设计原理，非弹性变形被限制在预期出现塑性铰的桥墩上。基础因受到能力保护，其反应被限制在弹性范围内，大大地简化了设计过程。对预期出现塑性铰的桥墩，可以通过抗震构造细节设计，使自身和结构整体的延性有充分的保证。尽管这些构件局部造价有所提高，但结构整体因设计地震力水平大大降低而使总体造价下降，实际上是经济合理的。从历次大地震震害可以看出，基础破坏是导致桥梁结构地震破坏的主要原因之一。我国铁路抗震设计规范亦指出:“大量的震害经验表明，基础震害常使桥梁的修复、加固十分困难，甚至无法修复。因此，对地震区(特别是8度及以上地区)的桥梁在场地选择和基础设计时应倍加重视”。《AREMA》抗震设计规范采用能力设计方法对基础进行设计值得我们参考和借鉴。

(3)构造细节:桥梁结构抗震设计中的许多问题目前还不能完全通过量化方法加以解决。因此根据震害经验等提出的构造要求对保证桥梁结构的抗震安全十分重要，相比之下我国铁路抗震设计规范在延性设计的构造细节上略显不足。

［1]AREMA VolumeⅡ (Bridges)［S].U.S.A:2009.

［2]American Association of State Highway and Transportation Officials，AASHTO—GUID SPECIFICATION FOR LRFD SEISMIC DESIGN［S].USA:2010.

［3]GB 50111—2006，铁路工程抗震设计规范(2009年版)［S].

［4]GB50011—2010，建筑抗震设计规范［S].

［5]冯国军.中菲桥梁抗震设计规范比较［J].铁道标准设计，2010(11):65-67.

［6]张立江.中国、欧盟和美国铁路桥梁抗震规范简要对比［J].铁道标准设计，2010(11):51-53.

［7]Dynamics of Structures(Theory and applications to Earthquake Engineering)［M].北京:清华大学出版社，2005.

［8]GB 18306—2001，中国地震动参数区划图［S].

［9]M.J.N.普瑞斯特雷，F.塞勃勒，G.M.卡尔维.桥梁抗震设计与加固［M].袁万城，等译.北京:人民交通出版社，1997.

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

［11]范立础，等.桥梁延性抗震设计［M].北京:人民交通出版社，2001.