韋虹
橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范是一個(gè)國(guó)家橋梁抗震設(shè)計(jì)的依據(jù),對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)極其重要。因此,各國(guó)均會(huì)根據(jù)最新的抗震研究成果及地震災(zāi)害,不斷改進(jìn)其抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)及鐵路工程的快速發(fā)展,我國(guó)現(xiàn)行的《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》已表現(xiàn)出越來(lái)越多的不適應(yīng)性。為了更好的滿(mǎn)足鐵路工程事業(yè)發(fā)展的需要,我國(guó)鐵路橋梁抗震規(guī)范的修訂工作勢(shì)在必行。美國(guó)在工程抗震領(lǐng)域均處于世界領(lǐng)先地位,其研究成果及工程經(jīng)驗(yàn),對(duì)我國(guó)鐵路抗震規(guī)范的修訂具有一定的參考價(jià)值。為此,本文重點(diǎn)對(duì)我國(guó)現(xiàn)行GB 50111-2006鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范、美國(guó)《AASHTO橋梁抗震指南》的反應(yīng)譜進(jìn)行了比較分析。
抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜是地震作用的表征和工程抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),由于影響地震動(dòng)的因素較多且較復(fù)雜,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)反應(yīng)譜影響因素的研究并無(wú)確切定論,因此各規(guī)范所采用的抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜之間存在較大的差異。但從反應(yīng)譜值隨周期的變化關(guān)系來(lái)看,各規(guī)范的趨勢(shì)是一致的,即隨周期變化逐漸由小變大(或不變)直至一個(gè)平臺(tái),然后逐漸衰減。我國(guó)規(guī)范所采用的加速度反應(yīng)譜由上升段、平臺(tái)段、下降段曲線(xiàn)組成,而美國(guó)規(guī)范則采用了平臺(tái)段、下降段兩段譜型,如表1所示。
反應(yīng)譜參數(shù)的比較主要包括:反應(yīng)譜曲線(xiàn)的拐點(diǎn)周期、平臺(tái)高度、下降速度。它們反映了場(chǎng)地條件、阻尼比、震級(jí)和震中距等因素對(duì)反應(yīng)譜譜型的影響,本文分析討論了各規(guī)范關(guān)于反應(yīng)譜參數(shù)的確定。
在我國(guó)GB 50111-2006規(guī)范反應(yīng)譜曲線(xiàn)中第一個(gè)拐點(diǎn)周期取定值0.1,其他拐點(diǎn)周期則與特征周期有關(guān),特征周期為根據(jù)設(shè)計(jì)地震分組(考慮了近遠(yuǎn)震、震級(jí)的影響)及場(chǎng)地類(lèi)別確定。美國(guó)AASHTO規(guī)范反應(yīng)譜曲線(xiàn)是根據(jù)場(chǎng)地類(lèi)別分別給出了4條形狀相似的曲線(xiàn),各曲線(xiàn)的拐點(diǎn)周期均為定值,因而它只考慮了場(chǎng)地類(lèi)別的影響。
由上述可知,各反應(yīng)譜曲線(xiàn)都考慮了場(chǎng)地條件對(duì)拐點(diǎn)周期的影響。關(guān)于場(chǎng)地條件對(duì)反應(yīng)譜的影響,國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明場(chǎng)地條件對(duì)反應(yīng)譜的譜型有顯著影響,如Seed[1]和Mohraz[2]通過(guò)對(duì)1971年San Fernando地震動(dòng)記錄的研究分析一致認(rèn)為,場(chǎng)地條件明顯影響反應(yīng)譜的形狀,軟弱土場(chǎng)地上反應(yīng)譜長(zhǎng)周期的譜值有明顯增大的趨勢(shì)。因此,考慮場(chǎng)地條件對(duì)拐點(diǎn)周期的影響是合理的。此外,我國(guó)的反應(yīng)譜曲線(xiàn)還考慮了近遠(yuǎn)震的影響,1972年美國(guó)學(xué)者Kuribayshi[3]研究指出長(zhǎng)周期范圍內(nèi)大震級(jí)和遠(yuǎn)震時(shí)譜值較大,1974年美國(guó)學(xué)者M(jìn)cGuire將加速度反應(yīng)譜看作是震級(jí)和震中距的函數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析指出,大震級(jí)、遠(yuǎn)震記錄的長(zhǎng)周期分量比小震級(jí)、近震記錄的要大,另外,我國(guó)的周錫元等[4]也得到類(lèi)似的結(jié)論,可見(jiàn)考慮近遠(yuǎn)震對(duì)譜曲線(xiàn)的影響是合理的。
在我國(guó)GB 50111-2006規(guī)范反應(yīng)譜曲線(xiàn)中,平臺(tái)高度取定值β=2.25,未考慮其他因素的影響。在美國(guó)AASHTO規(guī)范反應(yīng)譜曲線(xiàn)中,平臺(tái)高度根據(jù)不同的場(chǎng)地類(lèi)別分別取不同的值,對(duì)Ⅰ,Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地取2.5,對(duì)Ⅲ,Ⅳ類(lèi)場(chǎng)地取2.0,考慮了場(chǎng)地條件對(duì)反應(yīng)譜平臺(tái)高度的影響。
由上述可知,美國(guó)規(guī)范考慮了場(chǎng)地條件對(duì)反應(yīng)譜平臺(tái)高度的影響,而在我國(guó)的規(guī)范當(dāng)中未體現(xiàn)。但近些年國(guó)內(nèi)外的學(xué)者研究表明,場(chǎng)地條件對(duì)反應(yīng)譜平臺(tái)高度確實(shí)有影響,如Seed[1]通過(guò)對(duì)1971年San Fernando地震動(dòng)記錄的分析研究認(rèn)為,軟弱土場(chǎng)地上反應(yīng)譜中長(zhǎng)周期的譜值有明顯增大的趨勢(shì),我國(guó)耿淑偉[5]、呂紅山[6]也得出相似結(jié)果。
在我國(guó)GB 50111-2006規(guī)范中,下降段曲線(xiàn)均取為T(mén)-1次冪,且在5Tg≤T≤2 s段設(shè)了下限值0.45;美國(guó)AASHTO規(guī)范的反應(yīng)譜曲線(xiàn)下降速度則較為保守,在Tm≤4的下降段采用了T-2/3的衰減指數(shù),即便是在較長(zhǎng)周期段(Tm>4)也只采用了T-4/3的衰減指數(shù),與我國(guó)規(guī)范相比略顯保守。
上述對(duì)各抗震規(guī)范反應(yīng)譜參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的比較,為了具體了解各規(guī)范反應(yīng)譜的差別,以下將對(duì)反應(yīng)譜的譜值進(jìn)行定量比較。中、美規(guī)范對(duì)場(chǎng)地類(lèi)別的劃分方法不盡一樣,為了便于比較,根據(jù)土層的典型特征—剪切波速對(duì)其進(jìn)行歸納比較,如表2所示。由表2可知,中國(guó)Ⅰ類(lèi)場(chǎng)地相當(dāng)于美國(guó)Ⅰ類(lèi),中國(guó)Ⅳ類(lèi)場(chǎng)地相當(dāng)于美國(guó)Ⅳ類(lèi)。
表2 各規(guī)范場(chǎng)地土分類(lèi)
由于我國(guó)GB 50111-2006規(guī)范給出的是動(dòng)力放大系數(shù)β—T反應(yīng)譜,為便于比較,在此我們統(tǒng)一將地面加速度取為1,即美國(guó)AASHTO規(guī)范中A=1。同時(shí)設(shè)計(jì)地震分組均取第二組,阻尼比取0.05。由此給出了我國(guó)GB 50111-2006規(guī)范、美國(guó)AASHTO規(guī)范在Ⅰ類(lèi)和Ⅳ類(lèi)場(chǎng)地上反應(yīng)譜值的比較,如圖1,圖2所示。
由圖1可知,對(duì)于Ⅰ類(lèi)場(chǎng)地,各國(guó)規(guī)范的特征周期基本相同,但由于美國(guó)AASHTO規(guī)范的反應(yīng)譜平臺(tái)高度較大而衰減指數(shù)較小,因此反應(yīng)譜值在0 s~2 s內(nèi)始終大于我國(guó)GB 50111-2006規(guī)范反應(yīng)譜值;由圖2可知,對(duì)于Ⅳ類(lèi)場(chǎng)地,我國(guó)GB 50111-2006規(guī)范與美國(guó)AASHTO規(guī)范相差較大;由于美國(guó)規(guī)范的反應(yīng)譜平臺(tái)高度較低,在0 s~0.8 s內(nèi)美國(guó)規(guī)范的反應(yīng)譜值低于我國(guó)的,但由于美國(guó)規(guī)范的衰減指數(shù)較小,且平臺(tái)寬度較大,在0.8 s后反應(yīng)譜值迅速超過(guò)了我國(guó)規(guī)范的反應(yīng)譜值??梢?jiàn),我國(guó)GB 50111-2006規(guī)范的反應(yīng)譜值相對(duì)美國(guó)AASHTO規(guī)范略微偏低,這主要與各國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平、設(shè)防水準(zhǔn)以及設(shè)防目標(biāo)有關(guān)。
本文分析比較了我國(guó)GB 50111-2006規(guī)范、美國(guó)AASHTO規(guī)范的基本特征與差別,結(jié)果表明,我國(guó)GB 50111-2006規(guī)范的主要特點(diǎn)及尚需進(jìn)一步研究的問(wèn)題如下:
1 )我國(guó)GB 50111-2006規(guī)范的反應(yīng)譜值比美國(guó)AASHTO規(guī)范相比略顯偏低,這主要與各國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平、設(shè)防水準(zhǔn)以及設(shè)防目標(biāo)有關(guān)。2)我國(guó)規(guī)范沒(méi)有考慮場(chǎng)地條件對(duì)反應(yīng)譜值的影響,而國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究以及大量的工程實(shí)踐證明,場(chǎng)地條件是影響反應(yīng)譜最大值的主要因素。3)我國(guó)規(guī)范的周期范圍較小,近年來(lái)由于鐵路發(fā)展的需要,大跨、高墩橋梁結(jié)構(gòu)日益增多,我國(guó)現(xiàn)行的規(guī)范已不能滿(mǎn)足長(zhǎng)周期橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)展的需要。建議適當(dāng)延長(zhǎng)周期適用范圍,且考慮到長(zhǎng)周期反應(yīng)由位移控制,長(zhǎng)周期段采用與位移反應(yīng)譜相結(jié)合的方法確定反應(yīng)譜值。
[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] 周錫元,蘇經(jīng)宇.烈度、震中距和場(chǎng)地條件對(duì)地面運(yùn)動(dòng)反應(yīng)譜的影響[J].地震工程與工程振動(dòng),1983,3(2):29-43.
[5] 耿淑偉.抗震設(shè)計(jì)中的地震動(dòng)輸入?yún)?shù)的研究[D].哈爾濱:中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所,2005.
[6] 呂紅山.基于地震動(dòng)參數(shù)的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析[D].北京:中國(guó)地震局地球物理研究所,2005.