地震与温度、风组合工况探讨

本周审的一个超限项目，为超长大跨度连桥结构(下图)，审查专家组建议考虑地震与温度的组合工况。就此，下面对此问题进行一下讨论，欢迎结构同仁批评指正，同时也一并感谢本项目的超限审查专家、设计方、咨询方对本文形成的引领和帮助。

抗规在5.4.1条给出地震组合工况下结构承载力计算公式，列出了地震与风的组合工况，但没有说明地震与温度是否进行组合。下面将对这两种组合工况加以讨论，以探讨小震设计考虑震温组合的必要性、合理性及方法。

1.地震与温度组合工况

结构的温度应力是客观存在，故地震下考虑温度作用似有必要。

荷载规范规定，风与温度的组合值系数均为0.6。

抗规规定，小震与风组合，风组合值系数取0.2。

抗规未给出小震与温度组合的温度组合值系数。考虑到非地震工况风和温度的组合值系数相同均为0.6，类比一下，可借鉴小震与风组合工况风组合值系数为0.2，取小震与温度组合工况温度组合值系数为0.2。

风震组合，风的组合值系数考虑的是50年风与小震的耦合概率，风按0.2考虑;风温组合，考虑的是温度与小震的耦合概率，从这个角度看，温度可不取极值温度，取荷载规范附录E的50年月平均气温更具操作性。

2.地震与风组合工况

地震作用下，抗规有与风组合工况，美标没有，为什么，下面做一简单分析。

抗规5.4.1条，对于风荷载起控制作用时，要考虑小震与50年风的组合工况，此时风组合值系数取0.2。对此，抗规在条文说明解释为，所谓风荷载起控制作用，指风荷载和地震作用产生的总剪力和倾覆力矩相当的情况。因抗规小震为50年基准期，的确存在50年风超过50年地震作用效应的可能。

美标以前UBC设计地震取中震，目前的IBC取大震，基本不存在风大于地震作用的可能，故美标不考虑震风组合工况。

那么问题来了，抗规小震与中震的比值为1/3，从这个角度讲，抗规的承载力设计相当于美标性能系数为3的抗震设计，那么抗规考虑风震组合工况，美标不考虑，这里面的逻辑有没有问题?

实际上，对抗规与美标进行对比分析，可知抗规小震的承载力设计，相当于美标性能系数为4的抗震设计，具体的对比说明见相关论文。

上表摘自美国荷载规范ASCE/SEI7-16。以混凝土框架为例，美标的混凝土高延性框架(C5)、中等延性框架(C6)、低延性框架(C7)性能系数R分别为8、5、3。抗规的混凝土框架延性要求介于美标的高延性框架和中等延性框架之间，承载力相当于美标性能系数4。由此可以看出，对于中高烈度区，美标可采用中高延性框架，此时结构在地震下进入塑性，风荷载下为弹性，故地震作用为控制工况，不需考虑风荷载的组合;对于低烈度区，美标可采用低延性框架，此时地震下结构可能处于弹性。为避免风荷载起控制作用，美标采用减小性能系数即增大地震作用的方法，低延性结构性能系数为3，与中等延性相比，地震力增大了67%(5/3=1.67)，从而保证了地震工况仍起控制作用，因而此时不需要再考虑地震与风荷载进行组合。

抗规小震为中震的1/3，对于强震区，由于结构进入塑性，地震工况起控制作用，无需与风荷载组合，这与美标的情况一致。对于低烈度区，结构可能处于弹性。由于抗规此时仍为小震设计，没有加大地震力，因而风荷载可能起控制作用。由此可以看出，抗规规定小震与风进行组合是合理的，弥补低烈度区小震设计可能造成承载力不足的隐患。