新公路抗震規范的橋梁抗震設計思想

文 | 吳陽 董明明（江蘇省交通規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京210005）

長期以來，我國抗震設計規范一直采用以確保人的生命安全為原則的一級設計理論。近期幾次大的地震災害表明，這種理論在保證生命安全方面確實具有一定的可靠性，但對結構的損傷和由此導致的經濟損失卻不能進行有效的控制。設計手段和抗震理念的發展總是有囿于當時人們對地震和結構特性的認識深度：一方面人們迫切需要通過工程設計手段確保結構功能在地震后的損失可以控制，一方面人們對地震災害和結構特征的認識水平還處在較為初級的、不斷發展的階段。早期抗震設計思想認為，建筑物在設計壽命期內并不經常發生破壞性的地震，確保人員生命安全是工程抗震設計的主要任務。實際上，選擇“確保人員生命安全”這樣起碼的抗震設防目標是被動的，如果撇開結構抗震經濟成本的問題，上述抗震設防目標的確立主要的現實根源在于：強度驗算理論的逐步成熟和人們對其的普遍掌握和認同。通過一定的設計，避免結構突然垮塌、構件脆性破壞等災害性反應來保證建筑涉及的人員生命安全。

地震災害的高度不確定性和現代地震災害引起的巨大經濟損失的特點，使世界對過去長期視為正確的設計思想和方法進行了反思，認為過去的抗震設計只以人身安全為目標是遠遠不夠的，抗震設計不僅應考慮人身安全，而且應考慮建筑破壞所造成的巨大的經濟損失能得以控制?？拐鹪O計如何能既經濟又可靠的保證結構的功能在地震的作用下不致喪失甚至不受影響，進一步探討更完善的結構抗震設計思想和方法成為了迫切的需要。

使用至今已長達將近20年的公路89抗震規范,今年正式廢除使用,它已不能滿足我國公路橋梁快速發展和建設的需要。在此期間,世界各國橋梁抗震理論和技術有了顯著的發展，而且，美國、日本等國家的抗震設計規范設計思想已經大大領先于我國的工程界。因此，經過長時間的準備、討論與修正，交通運輸部將公路橋梁抗震設計的要求和規定單獨成冊,在2008年10月1日實施了抗震細則,隨后在2014年發布實施新公路工程抗震規范，以供公路橋梁設計部門進行抗震設計時遵循。《公路工程抗震設計規范》JTG B02-2013（以下簡稱新規范）較《公路工程抗震設計規范》JTJ004-89（以下簡稱老規范）在設計思想、安全設防標準、設計方法、設計程序和構造細節等諸多方面均有很大的變化和深入，限于篇幅，本文主要介紹新規范的橋梁抗震設計思想。

1 、抗震設防標準

抗震設防標準是橋梁結構抗震設計的最基本問題。過去的幾十年的時間里,研究者和工程師都提出分級抗震設防的原則:即小震不壞；中震發生有限的結構或非結構構件的破壞；大震發生嚴重的結構和非結構構件的破壞,但不產生嚴重的人員傷亡；而在可能襲擊工程場地最嚴重的地震作用下,結構不倒塌。這些基本的結構性能目標至今仍被大多數的設計規程所采用。但傳統的方法是,只針對單一的地震作用水平進行結構的抗震設計,如老規范就是這樣?，F在的問題是針對每一個目標都給出相應的具體設計程序。這樣一來,就需要對目前實際上還是單一水準強度抗震設計原則進行修訂,采用多水準、多設防目標和多階段的抗震設計原則。08細則和新規范參照國外橋梁抗震設防的性能目標要求,同時考慮了和老規范中橋梁抗震設防性能目標要求的延續性,規定:A類橋梁的抗震設防目標是中震(E1地震作用,重現期約為475年)不壞,大震(E2地震作用,重現期約2000年)可修；B、C類橋梁的抗震設防目標是小震(E1地震作用,重現期約為50～100年)不壞，中震(重現期約為475年)可修,大震(E2地震作用,重現期約2000年)不倒；D類橋梁的抗震設防目標是小震(重現期約為25年)不壞。08細則和新規范的橋梁分類情況如表1所示，各抗震設防類別橋梁的抗震設防目標如表2所示。

表1 各橋梁抗震設防類別適用范圍

表2 各抗震設防類別橋梁的抗震設防目標

2 、橋梁能力設計思想

新西蘭學者Park等在20世紀70年代中期提出了結構抗震設計理論中的一個重要原則—能力保護設計原則,并最早在新西蘭混凝土設計規范(NZS3101,1982)中得到應用。以后這個原則先后被美國、歐洲和日本的等國家的橋梁抗震規范所采用，我國在08細則和新規范中引入了能力設計思想。所謂能力保護就是對延性抗震設計橋梁的基礎、上部結構構件，以及可能出現塑性鉸的橋墩的非塑性鉸區進行的加強設計。目的是保證非塑性鉸區的彈性能力高于塑性鉸區，避免發生非塑性鉸區發生塑性變形和剪切破壞。通過設計,使結構體系中的延性構件和能力保護構件形成強度等級差異,確保結構構件的地震破壞只發生在預定的部位,而且是可控制的,不發生脆性的破壞模式。能力設計方法的主要思路是對構件間或構件內不同受力形式間的承載能力差的控制, 保證鋼筋混凝土結構形成梁鉸機構和延性較大的正截面受力破壞形態, 使結構具有足夠的彈塑性變形性能, 保證大震時具有足夠的能力耗散性能, 避免產生脆性破壞和出現不利的機構形式。通過簡單的鏈接來具體闡明能力設計方法的基本原理， 圖1所示n個強度為 的脆性鏈子與1個強度為 的延性鏈子具有相當大的塑性變形能力。圖1所示，如果延性鏈子強度 不小于脆性鏈子強度 ，則當P的強度大于兩者的強度，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度均比延性鏈子可能發揮的最大強度還要高，那么斷裂時延性鏈子發生非彈性變形，而脆性鏈子則未發生破壞。在這個過程中，整個鏈子的最大強度由延性鏈子可能發揮的最大強度決定，脆性鏈子受到的拉力因始終低于其設計強度而不會遭受破壞，延性鏈子的作用就如同保險絲一樣保護了整個電路。

圖1 能力保護設計原理示意圖

能力設計方法中，延性構件就是圖1中的延性鏈子，而能力保護構件（脆性構件和不希望發生非彈性變形的構件）就是其中的脆性鏈子。能力設計方法的關鍵是將控制概念引入結構的抗震設計，有目的的引導形成對結構有利的破壞機制和破壞模式，避免不合理的結構破壞形態,并設法保證預計破壞部位的彈塑性變形能力。從上面分析可以看出能力設計方法主要有兩方面的設計：一是能力保護構件設計；二是延性構件。

3 、彈性抗震設計

由于老規范只采用一階段設計,通過引入綜合影響系數來折減地震力后采用彈性抗震設計,這種設計思想使得在高烈度地區的橋梁下部結構配筋非常之高，而新規范在小震不壞的設計指導思想下，采取了只在小震情況下考慮彈性抗震設計方法，要求橋梁在E1地震情況下滿足強度驗算，通過這種設計方法可以大大降低下部結構的配筋率，降低了橋梁工程的造價。

4 、橋梁延性抗震設計

1971年美國圣弗爾南多地震爆發以后,各國都認識到結構的延性能力對結構抗震性能的重要意義。在1994年美國北嶺地震和1995年日本神戶地震爆發后,強調結構總體延性能力已成為一種共識?？拐鹪O計方法正在從傳統的單一強度理論向延性抗震理論過渡。目前, 大多數國家的橋梁抗震設計規范已經采納了延性抗震理論。在大震情況下采用延性設計是新規范的創新的地方，他的指導思想就是大震不倒，所謂延性就是指在外力作用下，結構變形超過彈性階段后，其承載能力無顯著下降的情況下，結構的非彈性變形能力。結果變形能力大，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。按照研究對象的不同延性可分為材料延性，截面延性，構件延性，結構延性，節點延性。截面的延性通常用曲率延性、轉角延性或者位移延性來表示。從延性的本質來看，它反應了非彈性變形的能力，能夠保證強度不會因為發生非彈性變形而急劇下降，對結構或構件而言，如果結構或構件在發生較大的非彈性變形時其抗力仍沒有明顯的下降，則這種結構或構件稱為延性結構或延性構件。

延性抗震設計思想主要是利用結構、構件自身的延性耗能能力來抵抗地震作用,設計時是通過增加結構、構件延性來實現,對結構允許出現塑性鉸的部分進行專門的延性設計。在該方法中,容許很大的地震力和能量從地面傳遞給結構,而抗震設計時要考慮的問題是如何為結構提供抵抗這種地震力的能力。同時在大震不倒總體思想指導下，還要保證結構延性可控，如果延性過大會使得橋梁結構倒塌成為大概率事件，這就要求結構在彈性階段就消耗掉相當比例的地震力。結構延性設計的目的在于保證結構在構件屈服之后仍具有充足的變形能力, 依靠結構的彈塑性變形耗散地震能量,保證屈服部分發生延性破壞,避免結構脆性破壞的發生和整個結構的倒塌。設計的重點是要選定結構中潛在塑性鉸區的位置，把塑性鉸截面的抗彎強度盡可能設計得與需求的強度接近，并確保塑性鉸能夠提供設計預期的塑性轉動能力。

5 橋梁減隔震設計

隨著地震級別的增大或者遇到特別重要的橋梁時，就要對結構進行減隔震設計。減隔震設計是08版抗震細則的一個亮點，隨著國內工程界對地震機理和結構地震動反應研究越來越深入，結構減、隔震和耗能技術經過數十年的研究和開發后,國內已經進入實用階段，而老的規范沒有任何關于減隔震方面的條文。國際上,日、美、歐、新西蘭等主要地震國家和地區的橋梁抗震設計規范已經引入相應的條款。我國新的《城市橋梁抗震設計規范》和08版抗震細則中也將橋梁減隔震設計單獨成章,充分體現出了其重要性。

與延性抗震允許很大的地震能量傳到結構構件上不同的是,橋梁的減隔震技術是將很大一部分地震能量轉移到減隔震裝置上,這大大降低了結構本身的地震響應,使結構處于彈性工作狀態。地震下的結構動力響應有兩個基本規律：結構周期延長至地震波頻率范圍以外時，地震響應會大大減小；結構阻尼越大，耗散地震能量越多,地震反應越小；從加速度譜中我們可以看出，隨著周期增長，地震加速度反應值迅速減小，同時從位移譜中也可以看出，周期延長伴隨著結構位移的大幅度增長，這有可能給結構設計帶來一定的困難。因此，我們可以在結構上外設柔性裝置增大結構周期的同時，添加阻尼元件耗能，從而減小結構的位移和加速度。這就是減隔震技術的思路過程。

減隔震技術是通過延長周期、增大阻尼來減小地震反應。而當橋梁結構體系

較柔，自身周期較長，或場地卓越周期與隔震周期接近時，使用減隔震技術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,反而會增大不利的地震響應。因此,在比較軟弱、不穩定、易于發生液化的場地,下部結構高度大柔性明顯等情況,不宜采用減、隔震裝置。事實上，國外規范以及我國的08版抗震細則已經對此有所規定。減、隔震裝置適用于以下幾種情況：橋梁自振周期較短；場地條件比較好,具有較高的卓越頻率和在長周期范圍內所含能量較低；支座不承受負反力。因此,中小跨徑的梁式橋在多數情況下可嘗試采用減隔震技術來保證地震中橋梁的安全性能。

6 橋梁抗震思想對比

下面從設計思想和設計方法兩方面，將橋梁抗震的新老規范做一個對比。老規范基本思想：單一水準的抗震設防思想。在發生與設計基本烈度地震相當的地震影響時，位于一般地段的高速公路、一級公路工程，經一般維修即可正常使用;位于一般地段的三級公路工程，經短期維修即可恢復使用；三、四級公路工程和位于地震危險地段的高速公路、一級公路工程，保證橋梁、隧道及重要構造物不發生嚴重損壞。設計方法:單水平設計，在設計地震作用下對結構的強度進行常規驗算，基本不涉及與結構位移和延性有關的設計過程。

08抗震細則和新規范的基本思想:采用能力設計的兩水準抗震設防思想。當遭受橋梁設計基準期內發生概率較高的多遇地震影響時，一般不受損壞或不需修理可繼續使用，當遭受橋梁設計基準期內發生概率較低的罕遇地震影響時，應保證不致倒塌或產生嚴重結構損傷，經加固修復后仍可繼續使用。設計方法：兩階段設計。各類橋梁必須進行多遇地震作用下的彈性抗震設計，除6度地區以外，A、B、C類橋梁還必須進行罕遇地震作用下的延性抗震設計。

7 、小結

新規范相比老規范抗震設計思想有很大的提高，通過以上幾個方面的闡述，可以知道新規范采用分標準、分情況、分階段的設計方法對橋梁結構進行抗震分析，大大提高了規范的可操作性和實用性，是國內抗震思想和設計方法的一個巨大的進步。

[1]中國交通運輸部. JTG B02-01-2013公路工程抗震規范[S]. 北京，人民交通出版社，2014

[2]中國交通運輸部. JTG/T B02-01-2008 公路橋梁抗震設計細則[S].北京，人民交通出版社，2008

[3]中國交通部. JTJ 004-89 公路工程抗震設計規范[S]. 北京，人民交通出版社.1999

[4]范立礎，卓衛東. 橋梁延性抗震設計[M]. 北京，人民交通出版社.2001.