新公路抗震規(guī)范的橋梁抗震設(shè)計(jì)思想

文 | 吳陽(yáng) 董明明（江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京210005）

長(zhǎng)期以來，我國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范一直采用以確保人的生命安全為原則的一級(jí)設(shè)計(jì)理論。近期幾次大的地震災(zāi)害表明，這種理論在保證生命安全方面確實(shí)具有一定的可靠性，但對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷和由此導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失卻不能進(jìn)行有效的控制。設(shè)計(jì)手段和抗震理念的發(fā)展總是有囿于當(dāng)時(shí)人們對(duì)地震和結(jié)構(gòu)特性的認(rèn)識(shí)深度：一方面人們迫切需要通過工程設(shè)計(jì)手段確保結(jié)構(gòu)功能在地震后的損失可以控制，一方面人們對(duì)地震災(zāi)害和結(jié)構(gòu)特征的認(rèn)識(shí)水平還處在較為初級(jí)的、不斷發(fā)展的階段。早期抗震設(shè)計(jì)思想認(rèn)為，建筑物在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)并不經(jīng)常發(fā)生破壞性的地震，確保人員生命安全是工程抗震設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。實(shí)際上，選擇“確保人員生命安全”這樣起碼的抗震設(shè)防目標(biāo)是被動(dòng)的，如果撇開結(jié)構(gòu)抗震經(jīng)濟(jì)成本的問題，上述抗震設(shè)防目標(biāo)的確立主要的現(xiàn)實(shí)根源在于：強(qiáng)度驗(yàn)算理論的逐步成熟和人們對(duì)其的普遍掌握和認(rèn)同。通過一定的設(shè)計(jì)，避免結(jié)構(gòu)突然垮塌、構(gòu)件脆性破壞等災(zāi)害性反應(yīng)來保證建筑涉及的人員生命安全。

地震災(zāi)害的高度不確定性和現(xiàn)代地震災(zāi)害引起的巨大經(jīng)濟(jì)損失的特點(diǎn)，使世界對(duì)過去長(zhǎng)期視為正確的設(shè)計(jì)思想和方法進(jìn)行了反思，認(rèn)為過去的抗震設(shè)計(jì)只以人身安全為目標(biāo)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，抗震設(shè)計(jì)不僅應(yīng)考慮人身安全，而且應(yīng)考慮建筑破壞所造成的巨大的經(jīng)濟(jì)損失能得以控制。抗震設(shè)計(jì)如何能既經(jīng)濟(jì)又可靠的保證結(jié)構(gòu)的功能在地震的作用下不致喪失甚至不受影響，進(jìn)一步探討更完善的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想和方法成為了迫切的需要。

使用至今已長(zhǎng)達(dá)將近20年的公路89抗震規(guī)范,今年正式廢除使用,它已不能滿足我國(guó)公路橋梁快速發(fā)展和建設(shè)的需要。在此期間,世界各國(guó)橋梁抗震理論和技術(shù)有了顯著的發(fā)展，而且，美國(guó)、日本等國(guó)家的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)思想已經(jīng)大大領(lǐng)先于我國(guó)的工程界。因此，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的準(zhǔn)備、討論與修正，交通運(yùn)輸部將公路橋梁抗震設(shè)計(jì)的要求和規(guī)定單獨(dú)成冊(cè),在2008年10月1日實(shí)施了抗震細(xì)則,隨后在2014年發(fā)布實(shí)施新公路工程抗震規(guī)范，以供公路橋梁設(shè)計(jì)部門進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)遵循?！豆饭こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》JTG B02-2013（以下簡(jiǎn)稱新規(guī)范）較《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》JTJ004-89（以下簡(jiǎn)稱老規(guī)范）在設(shè)計(jì)思想、安全設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)程序和構(gòu)造細(xì)節(jié)等諸多方面均有很大的變化和深入，限于篇幅，本文主要介紹新規(guī)范的橋梁抗震設(shè)計(jì)思想。

1 、抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的最基本問題。過去的幾十年的時(shí)間里,研究者和工程師都提出分級(jí)抗震設(shè)防的原則:即小震不壞；中震發(fā)生有限的結(jié)構(gòu)或非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞；大震發(fā)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞,但不產(chǎn)生嚴(yán)重的人員傷亡；而在可能襲擊工程場(chǎng)地最嚴(yán)重的地震作用下,結(jié)構(gòu)不倒塌。這些基本的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)至今仍被大多數(shù)的設(shè)計(jì)規(guī)程所采用。但傳統(tǒng)的方法是,只針對(duì)單一的地震作用水平進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì),如老規(guī)范就是這樣。現(xiàn)在的問題是針對(duì)每一個(gè)目標(biāo)都給出相應(yīng)的具體設(shè)計(jì)程序。這樣一來,就需要對(duì)目前實(shí)際上還是單一水準(zhǔn)強(qiáng)度抗震設(shè)計(jì)原則進(jìn)行修訂,采用多水準(zhǔn)、多設(shè)防目標(biāo)和多階段的抗震設(shè)計(jì)原則。08細(xì)則和新規(guī)范參照國(guó)外橋梁抗震設(shè)防的性能目標(biāo)要求,同時(shí)考慮了和老規(guī)范中橋梁抗震設(shè)防性能目標(biāo)要求的延續(xù)性,規(guī)定:A類橋梁的抗震設(shè)防目標(biāo)是中震(E1地震作用,重現(xiàn)期約為475年)不壞,大震(E2地震作用,重現(xiàn)期約2000年)可修；B、C類橋梁的抗震設(shè)防目標(biāo)是小震(E1地震作用,重現(xiàn)期約為50～100年)不壞，中震(重現(xiàn)期約為475年)可修,大震(E2地震作用,重現(xiàn)期約2000年)不倒；D類橋梁的抗震設(shè)防目標(biāo)是小震(重現(xiàn)期約為25年)不壞。08細(xì)則和新規(guī)范的橋梁分類情況如表1所示，各抗震設(shè)防類別橋梁的抗震設(shè)防目標(biāo)如表2所示。

表1 各橋梁抗震設(shè)防類別適用范圍

表2 各抗震設(shè)防類別橋梁的抗震設(shè)防目標(biāo)

2 、橋梁能力設(shè)計(jì)思想

新西蘭學(xué)者Park等在20世紀(jì)70年代中期提出了結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論中的一個(gè)重要原則—能力保護(hù)設(shè)計(jì)原則,并最早在新西蘭混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范(NZS3101,1982)中得到應(yīng)用。以后這個(gè)原則先后被美國(guó)、歐洲和日本的等國(guó)家的橋梁抗震規(guī)范所采用，我國(guó)在08細(xì)則和新規(guī)范中引入了能力設(shè)計(jì)思想。所謂能力保護(hù)就是對(duì)延性抗震設(shè)計(jì)橋梁的基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件，以及可能出現(xiàn)塑性鉸的橋墩的非塑性鉸區(qū)進(jìn)行的加強(qiáng)設(shè)計(jì)。目的是保證非塑性鉸區(qū)的彈性能力高于塑性鉸區(qū)，避免發(fā)生非塑性鉸區(qū)發(fā)生塑性變形和剪切破壞。通過設(shè)計(jì),使結(jié)構(gòu)體系中的延性構(gòu)件和能力保護(hù)構(gòu)件形成強(qiáng)度等級(jí)差異,確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震破壞只發(fā)生在預(yù)定的部位,而且是可控制的,不發(fā)生脆性的破壞模式。能力設(shè)計(jì)方法的主要思路是對(duì)構(gòu)件間或構(gòu)件內(nèi)不同受力形式間的承載能力差的控制, 保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形成梁鉸機(jī)構(gòu)和延性較大的正截面受力破壞形態(tài), 使結(jié)構(gòu)具有足夠的彈塑性變形性能, 保證大震時(shí)具有足夠的能力耗散性能, 避免產(chǎn)生脆性破壞和出現(xiàn)不利的機(jī)構(gòu)形式。通過簡(jiǎn)單的鏈接來具體闡明能力設(shè)計(jì)方法的基本原理， 圖1所示n個(gè)強(qiáng)度為 的脆性鏈子與1個(gè)強(qiáng)度為 的延性鏈子具有相當(dāng)大的塑性變形能力。圖1所示，如果延性鏈子強(qiáng)度 不小于脆性鏈子強(qiáng)度 ，則當(dāng)P的強(qiáng)度大于兩者的強(qiáng)度，最先斷裂的可能就是脆性鏈子，延性鏈子不能充分耗能；相反若脆性鏈子的強(qiáng)度均比延性鏈子可能發(fā)揮的最大強(qiáng)度還要高，那么斷裂時(shí)延性鏈子發(fā)生非彈性變形，而脆性鏈子則未發(fā)生破壞。在這個(gè)過程中，整個(gè)鏈子的最大強(qiáng)度由延性鏈子可能發(fā)揮的最大強(qiáng)度決定，脆性鏈子受到的拉力因始終低于其設(shè)計(jì)強(qiáng)度而不會(huì)遭受破壞，延性鏈子的作用就如同保險(xiǎn)絲一樣保護(hù)了整個(gè)電路。

圖1 能力保護(hù)設(shè)計(jì)原理示意圖

能力設(shè)計(jì)方法中，延性構(gòu)件就是圖1中的延性鏈子，而能力保護(hù)構(gòu)件（脆性構(gòu)件和不希望發(fā)生非彈性變形的構(gòu)件）就是其中的脆性鏈子。能力設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵是將控制概念引入結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，有目的的引導(dǎo)形成對(duì)結(jié)構(gòu)有利的破壞機(jī)制和破壞模式，避免不合理的結(jié)構(gòu)破壞形態(tài),并設(shè)法保證預(yù)計(jì)破壞部位的彈塑性變形能力。從上面分析可以看出能力設(shè)計(jì)方法主要有兩方面的設(shè)計(jì)：一是能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)；二是延性構(gòu)件。

3 、彈性抗震設(shè)計(jì)

由于老規(guī)范只采用一階段設(shè)計(jì),通過引入綜合影響系數(shù)來折減地震力后采用彈性抗震設(shè)計(jì),這種設(shè)計(jì)思想使得在高烈度地區(qū)的橋梁下部結(jié)構(gòu)配筋非常之高，而新規(guī)范在小震不壞的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想下，采取了只在小震情況下考慮彈性抗震設(shè)計(jì)方法，要求橋梁在E1地震情況下滿足強(qiáng)度驗(yàn)算，通過這種設(shè)計(jì)方法可以大大降低下部結(jié)構(gòu)的配筋率，降低了橋梁工程的造價(jià)。

4 、橋梁延性抗震設(shè)計(jì)

1971年美國(guó)圣弗爾南多地震爆發(fā)以后,各國(guó)都認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)的延性能力對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的重要意義。在1994年美國(guó)北嶺地震和1995年日本神戶地震爆發(fā)后,強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)總體延性能力已成為一種共識(shí)。抗震設(shè)計(jì)方法正在從傳統(tǒng)的單一強(qiáng)度理論向延性抗震理論過渡。目前, 大多數(shù)國(guó)家的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范已經(jīng)采納了延性抗震理論。在大震情況下采用延性設(shè)計(jì)是新規(guī)范的創(chuàng)新的地方，他的指導(dǎo)思想就是大震不倒，所謂延性就是指在外力作用下，結(jié)構(gòu)變形超過彈性階段后，其承載能力無顯著下降的情況下，結(jié)構(gòu)的非彈性變形能力。結(jié)果變形能力大，延性就好，其破壞稱為延性破壞(或塑性破壞)；相反，延性越差，屬于脆性破壞。按照研究對(duì)象的不同延性可分為材料延性，截面延性，構(gòu)件延性，結(jié)構(gòu)延性，節(jié)點(diǎn)延性。截面的延性通常用曲率延性、轉(zhuǎn)角延性或者位移延性來表示。從延性的本質(zhì)來看，它反應(yīng)了非彈性變形的能力，能夠保證強(qiáng)度不會(huì)因?yàn)榘l(fā)生非彈性變形而急劇下降，對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件而言，如果結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在發(fā)生較大的非彈性變形時(shí)其抗力仍沒有明顯的下降，則這種結(jié)構(gòu)或構(gòu)件稱為延性結(jié)構(gòu)或延性構(gòu)件。

延性抗震設(shè)計(jì)思想主要是利用結(jié)構(gòu)、構(gòu)件自身的延性耗能能力來抵抗地震作用,設(shè)計(jì)時(shí)是通過增加結(jié)構(gòu)、構(gòu)件延性來實(shí)現(xiàn),對(duì)結(jié)構(gòu)允許出現(xiàn)塑性鉸的部分進(jìn)行專門的延性設(shè)計(jì)。在該方法中,容許很大的地震力和能量從地面?zhèn)鬟f給結(jié)構(gòu),而抗震設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的問題是如何為結(jié)構(gòu)提供抵抗這種地震力的能力。同時(shí)在大震不倒總體思想指導(dǎo)下，還要保證結(jié)構(gòu)延性可控，如果延性過大會(huì)使得橋梁結(jié)構(gòu)倒塌成為大概率事件，這就要求結(jié)構(gòu)在彈性階段就消耗掉相當(dāng)比例的地震力。結(jié)構(gòu)延性設(shè)計(jì)的目的在于保證結(jié)構(gòu)在構(gòu)件屈服之后仍具有充足的變形能力, 依靠結(jié)構(gòu)的彈塑性變形耗散地震能量,保證屈服部分發(fā)生延性破壞,避免結(jié)構(gòu)脆性破壞的發(fā)生和整個(gè)結(jié)構(gòu)的倒塌。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是要選定結(jié)構(gòu)中潛在塑性鉸區(qū)的位置，把塑性鉸截面的抗彎強(qiáng)度盡可能設(shè)計(jì)得與需求的強(qiáng)度接近，并確保塑性鉸能夠提供設(shè)計(jì)預(yù)期的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力。

5 橋梁減隔震設(shè)計(jì)

隨著地震級(jí)別的增大或者遇到特別重要的橋梁時(shí)，就要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)。減隔震設(shè)計(jì)是08版抗震細(xì)則的一個(gè)亮點(diǎn)，隨著國(guó)內(nèi)工程界對(duì)地震機(jī)理和結(jié)構(gòu)地震動(dòng)反應(yīng)研究越來越深入，結(jié)構(gòu)減、隔震和耗能技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的研究和開發(fā)后,國(guó)內(nèi)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段，而老的規(guī)范沒有任何關(guān)于減隔震方面的條文。國(guó)際上,日、美、歐、新西蘭等主要地震國(guó)家和地區(qū)的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范已經(jīng)引入相應(yīng)的條款。我國(guó)新的《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和08版抗震細(xì)則中也將橋梁減隔震設(shè)計(jì)單獨(dú)成章,充分體現(xiàn)出了其重要性。

與延性抗震允許很大的地震能量傳到結(jié)構(gòu)構(gòu)件上不同的是,橋梁的減隔震技術(shù)是將很大一部分地震能量轉(zhuǎn)移到減隔震裝置上,這大大降低了結(jié)構(gòu)本身的地震響應(yīng),使結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。地震下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)有兩個(gè)基本規(guī)律：結(jié)構(gòu)周期延長(zhǎng)至地震波頻率范圍以外時(shí)，地震響應(yīng)會(huì)大大減小；結(jié)構(gòu)阻尼越大，耗散地震能量越多,地震反應(yīng)越小；從加速度譜中我們可以看出，隨著周期增長(zhǎng)，地震加速度反應(yīng)值迅速減小，同時(shí)從位移譜中也可以看出，周期延長(zhǎng)伴隨著結(jié)構(gòu)位移的大幅度增長(zhǎng)，這有可能給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來一定的困難。因此，我們可以在結(jié)構(gòu)上外設(shè)柔性裝置增大結(jié)構(gòu)周期的同時(shí)，添加阻尼元件耗能，從而減小結(jié)構(gòu)的位移和加速度。這就是減隔震技術(shù)的思路過程。

減隔震技術(shù)是通過延長(zhǎng)周期、增大阻尼來減小地震反應(yīng)。而當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)體系

較柔，自身周期較長(zhǎng)，或場(chǎng)地卓越周期與隔震周期接近時(shí)，使用減隔震技術(shù)容易引起地基與橋梁共振，不僅不能很好的起到減震的作用,反而會(huì)增大不利的地震響應(yīng)。因此,在比較軟弱、不穩(wěn)定、易于發(fā)生液化的場(chǎng)地,下部結(jié)構(gòu)高度大柔性明顯等情況,不宜采用減、隔震裝置。事實(shí)上，國(guó)外規(guī)范以及我國(guó)的08版抗震細(xì)則已經(jīng)對(duì)此有所規(guī)定。減、隔震裝置適用于以下幾種情況：橋梁自振周期較短；場(chǎng)地條件比較好,具有較高的卓越頻率和在長(zhǎng)周期范圍內(nèi)所含能量較低；支座不承受負(fù)反力。因此,中小跨徑的梁式橋在多數(shù)情況下可嘗試采用減隔震技術(shù)來保證地震中橋梁的安全性能。

6 橋梁抗震思想對(duì)比

下面從設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法兩方面，將橋梁抗震的新老規(guī)范做一個(gè)對(duì)比。老規(guī)范基本思想：?jiǎn)我凰疁?zhǔn)的抗震設(shè)防思想。在發(fā)生與設(shè)計(jì)基本烈度地震相當(dāng)?shù)牡卣鹩绊憰r(shí)，位于一般地段的高速公路、一級(jí)公路工程，經(jīng)一般維修即可正常使用;位于一般地段的三級(jí)公路工程，經(jīng)短期維修即可恢復(fù)使用；三、四級(jí)公路工程和位于地震危險(xiǎn)地段的高速公路、一級(jí)公路工程，保證橋梁、隧道及重要構(gòu)造物不發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞。設(shè)計(jì)方法:單水平設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)地震作用下對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行常規(guī)驗(yàn)算，基本不涉及與結(jié)構(gòu)位移和延性有關(guān)的設(shè)計(jì)過程。

08抗震細(xì)則和新規(guī)范的基本思想:采用能力設(shè)計(jì)的兩水準(zhǔn)抗震設(shè)防思想。當(dāng)遭受橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)發(fā)生概率較高的多遇地震影響時(shí)，一般不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用，當(dāng)遭受橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)發(fā)生概率較低的罕遇地震影響時(shí)，應(yīng)保證不致倒塌或產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)構(gòu)損傷，經(jīng)加固修復(fù)后仍可繼續(xù)使用。設(shè)計(jì)方法：兩階段設(shè)計(jì)。各類橋梁必須進(jìn)行多遇地震作用下的彈性抗震設(shè)計(jì)，除6度地區(qū)以外，A、B、C類橋梁還必須進(jìn)行罕遇地震作用下的延性抗震設(shè)計(jì)。

7 、小結(jié)

新規(guī)范相比老規(guī)范抗震設(shè)計(jì)思想有很大的提高，通過以上幾個(gè)方面的闡述，可以知道新規(guī)范采用分標(biāo)準(zhǔn)、分情況、分階段的設(shè)計(jì)方法對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析，大大提高了規(guī)范的可操作性和實(shí)用性，是國(guó)內(nèi)抗震思想和設(shè)計(jì)方法的一個(gè)巨大的進(jìn)步。

[1]中國(guó)交通運(yùn)輸部. JTG B02-01-2013公路工程抗震規(guī)范[S]. 北京，人民交通出版社，2014

[2]中國(guó)交通運(yùn)輸部. JTG/T B02-01-2008 公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S].北京，人民交通出版社，2008

[3]中國(guó)交通部. JTJ 004-89 公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京，人民交通出版社.1999

[4]范立礎(chǔ)，卓衛(wèi)東. 橋梁延性抗震設(shè)計(jì)[M]. 北京，人民交通出版社.2001.