夏修身，戴勝勇，陳興沖，李建中

(1.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031；3.同濟大學 土木工程學院，上海 200092)

川藏鐵路從成都市出發(fā)，穿越川西高山峽谷區(qū)、藏東南橫斷山高山峽谷區(qū)、藏南峽谷地區(qū)到達拉薩。川藏鐵路面臨的地形、地貌、地質及地震問題，為鐵路建設史之罕見，特別是高烈度地震區(qū)的深溝峽谷地段，溝深峽寬，需采用大跨或超大跨度特殊結構跨越，如成康段的寶靈山大橋跨越日地溝，日地溝屬典型的深溝V形峽谷，兩側坡面陡峭，且地震烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度為0.3g。川藏鐵路線中擬設計多座大跨度拱橋、斜拉橋與懸索橋，高烈度地震區(qū)大跨度橋梁較多是川藏鐵路的特征之一。大跨度橋梁投資較大，其修建一般關系到整個地區(qū)的經濟社會發(fā)展。當大跨度橋梁遭受嚴重破壞時，不可避免地會切斷震區(qū)的交通生命線，造成救災工作困難，加重次生災害，產生較大的經濟損失。

我國現(xiàn)行的GB 50111—2006《鐵路工程抗震設計規(guī)范》(2009年版)[1]僅適用于跨度小于150 m的梁式橋，JTG/T B02-01—2008《公路橋梁抗震設計細則》[2]及CJJ 166—2011《城市橋梁抗震設計規(guī)范》[3]對大跨度橋梁僅給出了抗震設計原則，其抗震設計需作專門的研究。大跨度橋梁采用的抗震設防標準一般要略高于普通橋梁，但并不是越高越好[4]。這是因為通常Ⅶ度地區(qū)結構的工程造價比不設防增加3%～5%，Ⅷ度地區(qū)比Ⅶ地區(qū)增加4%～5%，Ⅸ度地區(qū)比Ⅷ地區(qū)增加8%～10%[5]。確定合理的設防標準，既能有效減輕地震損失，又能合理使用有限資金，這也是川藏鐵路大跨度橋梁抗震設計時首先需要解決的問題。

本文從設計地震加速度與超越概率及地震重現(xiàn)期與超越概率的關系入手，分析國內外典型大跨度橋梁的抗震設防標準，以地震重現(xiàn)期為主要指標探討川藏鐵路大跨度橋梁的抗震設防標準。為了使提出的抗震設防標準在實際應用中具有可操作性，給出相同重現(xiàn)期下不同烈度的多遇地震重要性系數(shù)，可供大跨度橋梁抗震設計參考。

1 重現(xiàn)期與設計地震加速度

1.1 重現(xiàn)期與超越概率

多遇地震、設計地震及罕遇地震均相對工程結構的使用壽命而言。研究表明，地震強度及其出現(xiàn)頻次服從對數(shù)分布規(guī)律，強度大的地震出現(xiàn)頻次較低，是罕遇的；強度較小的地震出現(xiàn)的頻次相對較高，即多遇的[6]。文獻[1]采用50年基準期的超越概率表述多遇地震、設計地震及罕遇地震。超越概率是指一定場地在未來一定時間內遭遇到大于或等于給定地震的概率，常以年超越概率或設計基準期超越概率表示。地震重現(xiàn)期是指一定場地重復出現(xiàn)大于或等于給定地震的平均時間間隔[7]?？梢杂媚瓿礁怕驶虻卣鹬噩F(xiàn)期描述橋梁結構抗震設防標準。

地震重現(xiàn)期與超越概率存在以下關系[8]

(1)

式中：TR為地震重現(xiàn)期；P為TL年內地震發(fā)生的超越概率；TL為超越概率P對應的基準期。

通過重要性系數(shù)改變橋梁結構的設防等級會盲目增強或減弱其抗震能力[6]，下文有論述。對大跨橋梁比較合理的做法是通過調整地震重現(xiàn)期來體現(xiàn)不同工程的設防等級[4，9]。

1.2 超越概率與設計地震加速度

設計地震加速度Amax的危險性曲線公式為[4]

(2)

表1 基本烈度與相應的形狀系數(shù)k

2 鐵路B類橋梁的抗震設防標準

鐵路橋梁根據(jù)鐵路等級及其在路網中的重要性和修復(搶修)的難易程度，分為A、B、C、D共4個抗震設防類別[1]，文獻[1]根據(jù)經驗給出各類橋梁相應的重要性系數(shù)，其中B類橋梁工程的多遇地震抗震重要性系數(shù)為1.5。這種通過重要性系數(shù)增減地震荷載來改變結構重要性的方法無法定量說明到底提高或降低了多少安全性[11]。本文基于重現(xiàn)期闡述鐵路B類橋梁的抗震設防標準。

由式(2)及表1可計算出考慮重要性系數(shù)1.5后，各烈度多遇地震對應的50年超越概率P，再由式(1)可得到相應的地震重現(xiàn)期，見表2。

表2 B類鐵路橋梁的多遇地震重現(xiàn)期

由表2可知，相同的重要性系數(shù)1.5下，Ⅵ度的多遇地震重現(xiàn)期最大為153年，Ⅷ度0.3g對應的多遇地震重現(xiàn)期最小為98年，各烈度對應的多遇地震重現(xiàn)期差別較大，這是因為確定重要性系數(shù)時只考慮橋梁的重要性類別，沒有考慮橋址地區(qū)的地震危險性差異，使同樣的橋梁處在不同地區(qū)時具有不同的抗震設防標準。因此通過重要性系數(shù)體現(xiàn)橋梁結構的設防等級不夠合理。大跨橋梁通過地震重現(xiàn)期描述設防標準相對更合理。

3 川藏鐵路大跨度橋梁抗震設防標準

鑒于大跨度橋梁結構的復雜性且基于性能的抗震設計尚不完善[12，13]，國內外大跨度橋梁較多采用兩水準設防。歐洲橋梁抗震設防考慮了結構使用期、設計加速度的超越概率和重現(xiàn)周期及結構重要性系數(shù)，但其設計基本地震加速度值相對較小[8]。美國Caltrans準則給出了兩個地震動水準：功能評價地震動和安全評價地震動。功能評價地震動以100年左右為重現(xiàn)期，與橋梁的設計使用壽命基本相當。安全評估地震動用概率法衡量，具有約2 500年的重現(xiàn)期[14]。由于日本是地震多發(fā)國家，其抗震設防標準與別國不同，直接利用歷史上記錄到的地震動參數(shù)。盡管設防標準的表示方式不同，日本的大跨度橋梁也采用功能評估地震動與安全評估地震動兩個水平[15]。

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我國大跨度橋梁采用的抗震設防標準，一般由業(yè)主參考其他大跨度橋梁工程已采用的抗震設防標準，并根據(jù)工程的重要性、自身的經濟能力以及能承受的風險水平來確定[4，9]，抗震設防的標準與橋梁結構設計使用壽命相關度不高。

表3、表4分別為我國內地、香港及國外典型大跨度橋梁采用的抗震設防標準[9，15-18]。由于香港橋梁的設計依據(jù)國外規(guī)范，故將其列入表4對比。

表3 我國內地典型大跨橋梁的抗震設防標準

注：表中E1水準為多遇地震，E2水準為罕遇地震。

表4 香港及國外典型大跨橋梁的抗震設防水平

表4續(xù)

由表3可知，我國內地鐵路大跨度橋梁(A類工程)蕪湖長江大橋、韓家沱長江大橋和黃岡長江大橋的多遇地震重現(xiàn)期分別為100年、153年和950年，而罕遇地震重現(xiàn)期則為4 950年、2 475年和3 280年。三座重要性相同鐵路橋梁的地震重現(xiàn)期(設防標準)相差較大。表3中公路大跨度橋梁的多遇地震(E1)重現(xiàn)期多為475年，而罕遇地震(E2)的重現(xiàn)期則在950年至2 475年之間。表3中橋例所處地區(qū)的地震烈度均偏低，絕大多數(shù)橋梁的抗震設防標準偏高，不適用于川藏鐵路高烈度地震區(qū)的大跨度橋梁。

表4中大跨度橋梁的多遇地震(E1或功能評價地震動)重現(xiàn)期，美國約為100年，我國香港采用120年，日本為150年，與橋梁的設計使用壽命相近。罕遇地震(E2或安全評價地震動)重現(xiàn)期美國為2 000年、我國香港為2 340年、日本為1 000年。

對比表3、表4可知，我國內地公路大跨度橋梁多處于Ⅶ度地震區(qū)，E1地震設防水平明顯高于香港和國外；鐵路大跨橋梁罕遇(E2)地震的設防水準高于我國公路，也明顯高于日本、略高于美國，與香港相近。

基于對國內外大跨度橋梁抗震設防水準的分析及鐵路抗震規(guī)范中“A類工程的設防標準不得低于B類工程”原則，考慮到川藏鐵路大跨度橋梁所處地震烈度相對較高的特點，川藏鐵路大跨度橋梁(A類工程)采用的抗震設防標準及設防目標見表5。

由于文獻[1，2]中均采用重要性系數(shù)來體現(xiàn)橋梁的不同設防水平，為了使大跨度橋梁的抗震設防標準在實際應用中具有可操作性，也為了便于工程人員在設計過程中與規(guī)范對接，本文基于150年重現(xiàn)期，給出了鐵路大跨度橋梁對應各地震烈度區(qū)多遇地震作用的重要性系數(shù)，見表6。

表5 川藏鐵路大跨度橋梁抗震設防水準及性能目標

表6 鐵路A類橋梁的多遇地震重現(xiàn)期與重要性系數(shù)

表6中多遇地震重要性系數(shù)Ci的計算方法如下：

(1)將地震重現(xiàn)期TR=150代入式(1)，可求出各地震烈度下基準期TL=50年的超越概率P。

(2)將P代入式(2)，可求出Amax。

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

4 結論

(1)基于大跨度橋梁的設計使用壽命，以地震重現(xiàn)期為指標，提出川藏鐵路大跨度橋梁的抗震設防標準。

(2)相同抗震設防標準下，位于不同烈度的鐵路大跨度橋梁具有不同的重要性系數(shù)，為了使提出的抗震設防標準具有可操作性，給出對應不同烈度的多遇地震重要性系數(shù)。

(3)香港及國外大跨度橋梁的多遇地震設防水平與橋梁的設計使用壽命相近，我國內地絕大多數(shù)大跨度橋梁的多遇地震設防水平與橋梁的設計使用壽命不相關。

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