仝 波

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070）

在一帶一路背景下，國內(nèi)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)會(huì)和外方交流越來越多，在一些發(fā)展中國家，大多采用美標(biāo)或者歐標(biāo)，中國設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要走出去［1］，總包方往往想了解采用中國標(biāo)準(zhǔn)與國外標(biāo)準(zhǔn)，相同的結(jié)構(gòu)，哪種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)更經(jīng)濟(jì)合理，符合當(dāng)?shù)匦枰?國內(nèi)公路規(guī)范體系和AASHTO規(guī)范體系有著不同的發(fā)展歷史［2］，在2020年新出版了規(guī)范［3］（以下簡稱為“中國標(biāo)準(zhǔn)”），美國在2017年出版了第8版的規(guī)范［4］（以下簡稱“AASHTO標(biāo)準(zhǔn)”），均加入了最新的抗震研究成果.殷鵬程等［5］對比了中美橋梁抗震規(guī)范，探討了橋梁抗震體系的合理設(shè)計(jì)；劉越［6］對比了《08細(xì)則》與《Caltrans抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》的延性抗震區(qū)別，認(rèn)為國外延性設(shè)計(jì)體系較國內(nèi)保守；劉婧［7］比較了中美標(biāo)準(zhǔn)下連續(xù)剛構(gòu)橋的抗震差異，認(rèn)為《08細(xì)則》設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)比AASHTO嚴(yán)格；李俊義等［8］對比了中國建筑抗震規(guī)范和美國建筑荷載規(guī)范反應(yīng)譜差異，認(rèn)為國標(biāo)反應(yīng)譜峰值加速度較大，但隨著周期衰減較快，美標(biāo)反應(yīng)譜峰值加速度較國標(biāo)偏小，但隨周期衰減較慢.然而對中美新版橋梁抗震規(guī)范，針對實(shí)際工程中的應(yīng)用對比，相關(guān)案例很少，此次以柬埔寨金邊市跨越洞里薩河的72 m+3×120 m+72 m矮塔斜拉橋?yàn)槔?，討論了中美橋梁抗震?biāo)準(zhǔn)計(jì)算地震效應(yīng)的差異性.

1 工程概況

矮塔斜拉橋跨越內(nèi)河航道，相對連續(xù)梁及剛構(gòu)橋，具有結(jié)構(gòu)高度小，橋型美觀，在滿足縱坡要求和通航孔徑的前提下，方便和兩邊道路銜接，在城市內(nèi)河航道橋設(shè)計(jì)中具有很高的競爭力.柬埔寨某跨越洞里薩河的主橋布置為72 m+3×120 m+72 m四塔單索面矮塔斜拉橋，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，單箱三室，橋面寬20.5 m，支點(diǎn)梁高4.5 m，跨中梁高2.2 m；塔高40 m，P2、P3為塔梁墩固結(jié)體系，P1、P4為塔梁固結(jié)體系；每個(gè)塔上設(shè)8對拉索，塔上拉索間距1.6 m，梁上拉索間距4.5 m；橋墩采用13根?2.0 m鉆孔灌注樁，橋臺(tái)采用10根?1.5 m鉆孔灌注樁.橋下通航孔為90 m×10 m，線路標(biāo)準(zhǔn)為柬埔寨當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)，主梁跨中豎曲線半徑1 500 m，兩邊均為5%大縱坡接地，全橋布置圖如圖1～3所示.

圖1 橋型總體布置圖（單位：m）Fig．1 General layout of bridge（unit：m）

2 地質(zhì)構(gòu)造

橋址位于洞里薩河下游，是典型的平原漫灘河流地區(qū)，河道順直，平坦開闊，河床呈寬緩的“U”形河谷，主河槽偏向西側(cè)，呈現(xiàn)兩岸斜坡較陡，河床底部寬平的特點(diǎn).第一層為軟塑性黏土，層厚10～15 m；第二層為可塑～硬塑性黏土，層厚5～7 m；第三層為砂夾黏土，第四層為粉砂，三層和四層局部鉆孔缺失；第五層為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，層厚13～19 m；第六層，中風(fēng)化砂巖，持力層起伏較大，并伴有夾層.P1墩樁長33 m，P2墩樁長62 m，P3樁長44 m，P4樁長43 m，樁端均位于第六層中風(fēng)化砂巖上.

3 橋梁自振特性

橋梁自振周期與樁基自由長度、樁側(cè)土彈簧約束剛度有著密切的關(guān)系［9］，本橋樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高按低于最低水位0.5 m左右控制，高出既有河床線約8 m，經(jīng)過現(xiàn)場老橋調(diào)查及水文分析等，因?yàn)榧竟?jié)性的逆流［10］，橋梁沖刷并不顯著，本橋樁基自由長度取10 m.

AASHTO標(biāo)準(zhǔn)自振周期Tm的計(jì)算如式1所示，其計(jì)算理論和中國標(biāo)準(zhǔn)相同，對下部基礎(chǔ)的剛度規(guī)定略有差異，土彈簧剛度計(jì)算結(jié)果中國標(biāo)準(zhǔn)大于AASHTO標(biāo)準(zhǔn)［11］，但均為沿深度方向的線性函數(shù).

式中：W為重力，單位kN；g為重力加速度，單位m／s2；K為剛度，單位kN／m.

建立有限元模型如圖4所示，主梁及橋塔采用C55混凝土，橋墩C50混凝土，承臺(tái)和樁基C35混凝土，拉索材料為鋼絞線，除拉索為桁架單元外其余均采用梁單元，一階振型如圖5所示，前五階動(dòng)力特性分析結(jié)果如表1所列，兩種標(biāo)準(zhǔn)得到的自振周期和振型差異不大，因?yàn)镻1和P4是支座體系，對應(yīng)二階和三階振型均為主塔面外擺動(dòng)，符合多塔矮塔斜拉橋的動(dòng)力特性［12］.

圖2 支點(diǎn)斷面圖（單位：m）Fig．2 Fulcrum section（unit：m）

圖3 跨中斷面圖（單位：m）Fig．3 Mid-span section（unit：m）

圖4 有限元計(jì)算模型Fig．4 Finite element calculation model

圖5 主橋一階振型Fig．5 The first mode of the main bridge

表1 兩種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算下自振特性Tab．1 Natural vibration characteristics under two standards

4 中美標(biāo)準(zhǔn)下地震效應(yīng)分析

中國標(biāo)準(zhǔn)和AASHTO標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)其地震效應(yīng)分析的主要參數(shù)如表2所列，柬埔寨主要自然災(zāi)害為洪水，地震危害并不突出［13］，其地震統(tǒng)計(jì)參數(shù)較少［14］，地震動(dòng)區(qū)劃是震災(zāi)防御的核心技術(shù)之一［15］，本次按國內(nèi)Ⅶ度區(qū)驗(yàn)算.

表2 兩種標(biāo)準(zhǔn)抗震分析參數(shù)對比Tab．2 Comparison of two standard seismic analysis parameters

4．1 AASHTO標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜

依據(jù)地勘資料，場地下30 m內(nèi)平均剪切波速在1 200 ft／s到2 500 ft／s，判別為C類場地，設(shè)計(jì)地震峰值加速度PGA取0.1，75 a超越概率7%的短周期加速度系數(shù)Ss取0.2，長周期系數(shù)S1取0．05，阻尼比取5%，查表Fa為1.2，F(xiàn)v為1.7，擬合周期Tm和彈性地震系數(shù)Csm反應(yīng)譜如圖6所示.

圖6 AASHTO標(biāo)準(zhǔn)擬合反應(yīng)譜Fig．6 AASHTO specifications fitting reaction spectrum

4.2 中國標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜

按7度區(qū)，0.1 g，Ⅱ類場地，特征周期取0.4 s，E1地震，B類橋梁，Smax=2.5×0.5×1.0×1.0×0.1 g=0.125 g，擬合周期T和設(shè)計(jì)加速度系數(shù)S反應(yīng)譜如圖7所示.

圖7 中國標(biāo)準(zhǔn)擬合E1反應(yīng)譜Fig．7 Chinese specifications fitting E1 reaction spectrum

4.3 中美標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果對比

4.3.1 反應(yīng)譜的差異

對比本場地兩種標(biāo)準(zhǔn)擬合的反應(yīng)譜，均為三分法，對于上升段，AASHTO標(biāo)準(zhǔn)較短；水平段AASHTO標(biāo)準(zhǔn)較長，且最大加速度系數(shù)較中國標(biāo)準(zhǔn)高；下降段均為周期的倒數(shù)，趨勢相近.

4.3.2 地震效應(yīng)差異

四塔矮塔斜拉橋在中美兩種抗震標(biāo)準(zhǔn)彈性分析下，P1和P2所對應(yīng)的橋梁主塔、墩底、樁頂?shù)淖畲髲澗睾图袅υO(shè)計(jì)值如表3～4所列，如圖8～10所示.鑒于類似斜拉橋曾出現(xiàn)地震中拉索被拉斷的情形［16］，此次亦比較了P1和P2塔對應(yīng)的兩側(cè)8＃索（最長索）、1＃索（最短索）的內(nèi)力，如表5所列.

表5 拉索內(nèi)力Tab．5 Cable internal force

圖8 塔底彎矩對比圖Fig．8 Pylon bottom bending moment contrast diagram

表3 P1墩對應(yīng)構(gòu)件內(nèi)力Tab．3 P1 internal forces

表4 P2墩對應(yīng)構(gòu)件內(nèi)力Tab．4 P2 internal forces

由表3～5可知，彈性分析下，中國標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果均低于AASHTO標(biāo)準(zhǔn)，對于主塔，內(nèi)力低15%左右，橋墩低5%～9%，樁基彎矩效應(yīng)低10%，剪力效應(yīng)低約35%.拉索內(nèi)力變化，中國標(biāo)準(zhǔn)總體小于AASHTO標(biāo)準(zhǔn)，且以P2塔右側(cè)最長索差值最大，低約15%，以P1塔左側(cè)最短索差值最小，低約6.1%.

四塔矮塔斜拉橋，P2和P3塔梁墩固結(jié)體系，P1和P4塔梁固結(jié)體系，中間塔和墩的彎矩是邊塔和墩的4倍左右，樁頂彎矩基本持平.因?yàn)槌至拥钠鸱?，P3樁基較P2樁基短，下部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)P3約是P2的1.05～1.1倍.

圖9 墩底彎矩對比圖Fig．9 Pier bottom bending moment contrast diagram

圖10 樁頂彎矩對比圖Fig．10 Pile top bending moment contrast diagram

5 結(jié)論

通過對金邊市四塔矮塔斜拉橋的地震效應(yīng)在“中國抗震規(guī)范”和“AASHTO LRFD 8th”的對比分析，得到如下結(jié)論.

1）場地劃分中，平均剪切波速AASHTO標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算深度較大，其得到的剪切波速往往大于中國標(biāo)準(zhǔn).

2）由于橋梁重要性系數(shù)不同以及重現(xiàn)期的差異，彈性分析下，反應(yīng)譜得到的加速度系數(shù)AASHTO標(biāo)準(zhǔn)大于中國標(biāo)準(zhǔn).

3）中間塔梁墩固結(jié)體系，次中塔梁固結(jié)體系的四塔矮塔斜拉橋，地震響應(yīng)長索內(nèi)力約是短索的2.5倍，中間塔和墩的彎矩是邊塔和墩的4倍左右.

4）對矮塔斜拉橋彈性分析，中國標(biāo)準(zhǔn)下地震效應(yīng)均小于AASHTO標(biāo)準(zhǔn)，對于主塔，內(nèi)力低15%左右；橋墩低5%～9%；樁基彎矩效應(yīng)低10%，剪力效應(yīng)低35%；拉索內(nèi)力以中間跨最長索差值最大，低15%左右.

5）對橋梁的地震效應(yīng)彈性分析，中國標(biāo)準(zhǔn)更加經(jīng)濟(jì)，對外橋梁工程，宜按不同的地震重現(xiàn)期設(shè)防.