JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設計規范》修訂簡介

唐光武， 鄭萬山， 劉海明

(1.招商局重慶交通科研設計院有限公司， 重慶 400067；2.橋梁工程結構動力學國家重點實驗室， 重慶 400067)

2020年6月2日，交通運輸部發布了JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設計規范》，作為公路工程行業標準，自2020年9月1日起施行。原JTG/T B02-01—2008《公路橋梁抗震設計細則》同時廢止。本文對我國公路橋梁抗震設計規范的發展歷程、2020年版《公路橋梁抗震設計規范》的修訂情況以及使用中的注意事項作簡要介紹。

1 我國公路橋梁抗震設計規范的發展歷程

1.1 77規范

1977年以前，我國沒有頒布專門的公路橋梁抗震設計標準，只有一些可供工程師參考的技術資料。1955年，將前蘇聯的《地震區建筑規范》(1951年版)翻譯引進到國內供設計人員參考。1959年，中國科學院土木建筑研究所受國家建委的委托，參考1957蘇聯CH-8-57規范編寫了《地震區建筑規范草案》。該草案包括房屋、道橋、水壩等多個土建領域，其抗震設計方法主要是采用靜力法，沒有涉及動力學抗震方法，后因國家建委在1959年被撤銷，故擱置了該草案。1964年，由中國科學院工程力學研究所組織編寫了《地震區建筑設計規范》草案稿，供設計人員參考，該草案采用了當時國際先進的抗震計算方法——反應譜法[1-4]。

1959年和1964年，我國2次編制的地震區建筑設計規范草案稿都未正式頒發，對橋梁抗震設計只起到指導和參考作用。1966年邢臺地震、1967年河間地震和1976年唐山地震等幾次強烈地震使得交通運輸嚴重受阻，工程界對震害的認識也逐步提高，同時積累了較為豐富的地震經驗。交通部于1977年頒布實施了我國第一部《公路工程抗震設計規范》(試行)[5]，行業內一般簡稱77規范。77規范共4章，包括公路路基、擋土墻、橋梁(梁橋與拱橋)等公路構筑物的抗震設計規定，對地震荷載、抗震強度與穩定性驗算、抗震構造措施等進行了規定。

1.2 89規范

1989年，交通部頒布實施了修訂版的JTJ 004—89《公路工程抗震設計規范》[6]，簡稱89規范。89規范共有5章，包括路基、擋土墻、橋梁(梁橋、拱橋和彎橋)、隧道等構筑物的抗震設計，適用范圍擴大到所有公路工程。對地震荷載、抗震強度與穩定性驗算以及抗震措施等進行了規定，調整了抗震設防標準，并修訂了砂土液化的判別公式。

77規范和89規范沒有分級設防和分階段設計的理念，沒有采用基于性能的抗震設計方法，基本還是采用抗震強度和穩定性驗算的設計方法，未對橋梁結構的延性能力進行驗算和復核，也沒有采用能力保護原則對基礎、蓋梁和支座等進行設計。進行結構抗震計算時沒有考慮時程分析法和功率譜法，采用的方法是經典的等效靜力法和反應譜法。89規范的結構理論方面改用以分項系數表達的極限狀態法，采用重要性修正系數取代77規范中調整設計烈度的方法，避免了成倍地提高或降低地震計算荷載的缺陷。

1.3 08細則

由于橋梁結構的抗震設計與公路其他構筑物具有明顯不同的特點，有必要針對公路橋梁抗震設計頒布一部專用行業標注。2008年08月29日，交通部發布JTG/T B02-01—2008《公路橋梁抗震設計細則》[7]，簡稱08細則。08細則共有11章和4個附錄。08細則從適用范圍、抗震設計理念和方法等方面，較89規范均有很大進步。

1) 適用范圍

08細則將橋梁分為常規橋梁與特殊橋梁，特殊橋梁包括斜拉橋、懸索橋、單跨跨徑超過150 m的梁橋和拱橋。常規橋梁又根據能否等效成單自由度分為規則橋梁和非規則橋梁。08細則擴大了橋梁抗震設計的適用范圍，由規則橋梁擴展到非規則橋梁，針對特殊梁橋的抗震復雜性，08細則也給出了抗震設計原則；針對采用減隔震裝置的橋梁，增加了基本原則和相關規定。

2) 設計理念

08細則采用基于性能的抗震設計理念，橋梁抗震設防分為2個水準，并對應2個階段的抗震設計。第一設防水準采用E1地震作用，是彈性抗震設計；第二設防水準采用E2地震作用，是延性抗震設計，并采用能力保護構件設計原則確保結構塑性發生在預定位置。從抗震設計理念和方法來講，08細則由原來的僅強度抗震設計修改為強度和延性雙指標的抗震設計。對B、C、D類橋梁，08細則規定的E1抗震設防標準是由89規范的綜合影響系數和抗震重要性系數反算而來。因此通過第1階段橋梁抗震計算分析后，可達到與89規范基本相當的抗震設防水平。E1階段的抗震設防標準總體上和89規范相當。A類橋梁的抗震設防標準是結合國內外已有工程和我國的實際情況確定的。通過第二設防水準的抗震設計，即采用E2地震作用的延性設計，來保證橋梁結構具有足夠的位移變形能力，防止結構產生嚴重的倒塌破壞。通過第二設防水準的抗震驗算，能夠保證在預期地震作用下結構的位移能力大于位移需求。運用過能力保護構件設計理念，確保結構的塑性鉸只出現在預先選定的位置，并且不會產生剪切等脆性破壞。

08細則彌補了89規范延性設計的缺失，橋梁延性能力能否滿足規范要求是未知的缺陷。08細則在橋梁抗震設計理念和設計方法等方面緊跟國際抗震前沿技術，其整體水平處于領先地位。自實施以來，08細則對推動我國公路橋梁抗震設計技術進步和提升我國橋梁工程設計人員抗震理念、設計能力等方面發揮了重要作用[8]。

2 JTG/T 2231-01-2020《公路橋梁抗震設計規范》修訂情況

2.1 修訂需求

2008年“5·12”汶川地震以來，我國在橋梁結構抗震技術方面開展了大量的科學研究，取得了一些重要成果，積累了大量工程經驗。同時，在08細則使用過程中，也發現部分內容不能反映最新的橋梁抗震設計理念。為了適應和提高我國公路橋梁抗震設計需求及水平，交通運輸部2014年立項對08細則進行修訂，并于2020年9月發布實施了JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設計規范》[9]，簡稱20規范。

20規范重點考慮了與現行橋梁設計相關標準的銜接，其適用于跨徑小于等于150 m下部結構為鋼筋混凝土結構的梁式橋、圬工或混凝土拱橋的抗震設計。特殊橋梁除滿足20規范要求外，還需要根據結構特點進行專門研究和設計。20規范在總結08細則不足的基礎上，結合我國近年來的抗震技術成果以及國際抗震技術的新進展，使得20規范的體系更為完善，其內容的適用性和設計方法的可操作性更強。

2.2 修訂的總體思路

20規范保持了08細則采用的橋梁抗震設防分類以及兩水準設防、兩階段設計的總體技術思路。根據我國的具體情況，考慮橋梁在公路交通中的咽喉作用，本著安全、經濟的原則，對重要性不一的橋梁采用不同的抗震可靠性，將公路橋梁分為A、B、C、D四個抗震設防類別，對每一種類別橋梁規定不同的抗震設防標準和性能目標。20規范的橋梁抗震設防類別、設防標準以及性能目標參照08細則，這是依據汶川地震后交通運輸部組織開展的相關研究課題的成果制定的，相關研究對汶川地震中重災區和極重災區公路橋梁的震害進行了系統的調查、分類和統計分析，不僅對震害機理進行了詳細分析研究，還對抗震設防標準進行了檢討和分析。研究成果表明，08細則規定的橋梁抗震設防分類以及抗震設防標準、性能目標是基本合適的。但是，2015年頒布 GB 18306—2015《中國地震動參數區劃圖》的地震作用常數由原來的2.25調整為2.5，為與國家抗震設防的方針一致，20規范也作了相應調整。因此，20規范相比08細則，其地震作用也相應的擴大了，對橋梁抗震性能提出了更高的要求。

公路橋梁抗震設計的第1階段，采用E1地震作用，要求橋梁的延性構件(通常為橋墩)保持彈性狀態，主要驗算延性構件的強度抗震能力；抗震設計的第2階段，采用E2地震作用，容許延性構件進入塑性狀態，主要驗算延性構件的變形(位移)能力。同時，采用能力保護構件計算方法，對基礎、承臺、蓋梁、主梁、支座等進行強度驗算，保證不先于延性構件進入屈服狀態。對采用減隔震體系的橋梁，主要驗算E2地震作用下的結構強度以及減隔震裝置的性能。

按20規范設計的橋梁，對A類橋梁，第一設防水準對應的地震重現期為475年，抗震性能目標為彈性；第二設防水準對應的地震重現期約2 000年，橋梁性能目標為有限損傷，地震后能立即對所有交通開放。對采用延性體系抗震設計的B類、C類橋梁，第一設防水準對應的地震重現期不大于100年，抗震性能目標為彈性；第二設防水準對應的地震重現期從475年到2 000年不等，橋梁性能目標為不倒塌，經臨時加固后可供抗震救援的應急交通使用；對B類、C類中的斜拉橋和懸索橋，其設防水準采用B類、C類橋標準，對應的性能目標同A類橋；對D類橋梁，采用一水準設防，地震重現期為25年，性能目標為不倒塌[10]。

2.3 20規范的主要修訂內容

1) 基本要求

新增橋梁結構抗震體系的概念，橋梁結構的抗震體系主要分為延性和減隔震體系兩大類。完善了橋梁抗震概念設計的相關內容，增加了連續梁橋聯內各個橋墩之間水平剛度比以及相鄰兩聯之間基本周期比的要求。其目的是為了避免橋梁墩水平剛度相差過大，致使大剛度橋墩承受地震力過于集中的缺陷。如果大剛度矮墩(矮墩)承受過大地震力，有可能會產生剪切破壞等震害，從而引起整座橋梁垮塌。

2) 場地、地基和基礎

20規范保持和GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》[11]一致，將I類場地細分為I0、I1兩個亞類。對樁基礎驗算和承載能力調整系數進行了修訂。

3) 地震作用

為和國家抗震設防的大政方針一致，設計加速度反應譜的計算常數取值由2.25改為2.5。為了適應該調整，反應譜0.1 s及以下的直線上升段計算公式也做了相應修訂，取消了譜比函數的概念，采用豎向場地系數來確定豎向地震作用。此次修訂，將豎向設計反應譜的圖形和公式進行修訂，使水平向設計反應譜的圖形與公式一致，采用了不同場地系數、特征周期的規定。為了便于使用，豎向反應譜的場地系數與Ⅱ場地水平向反應譜最大值對應。20規范豎向反應譜的場地系數即表 5.2.2-2 和表5.2.3-2中的數值，是根據一項專題研究的結果歸納的，表達了場地條件對豎向和水平向反應譜最大值之比以及特征周期的影響。該專題研究采用了全球最大的強地震動數據庫NGA-west2，該數據庫含有607次地震中觀測記錄的21 539組加速度時程。地震數據以美國西部占多數，也含有我國汶川地震、我國臺灣集集地震以及日本、意大利、新西蘭、墨西哥等國的4.2～7.9級地震的觀測數據，距離震中范圍0.44 km～1 162 km。課題組從中選取PGA大于2g且有場地數據的4 435組記錄，統計各分組的平均反應譜，提取最大值和特征周期。根據20規范式5.2.2以及表5.2.2-2中場地系數、表5.2.3-2中的特征周期值確定的設計反應譜與統計的平均譜的比較，說明20規范對豎向地震作用的規定反映了地震動反應譜的平均特征，有一定的安全冗余度，在長周期段尤其是安全的[12-15]。

對動水壓力部分進行了修訂，08細則沿用了89規范的規定，20規范采用附加質量法進行計算，對深水橋墩的計算更為可靠。

4) 抗震分析及驗算方法

為了使抗震分析方法更適合工程設計人員使用，20規范對橋梁延性抗震計算方法進行了大幅變更。為降低橋梁進入塑性后的計算難度，20規范縮減了必須采用非線性時程分析方法的范圍，相應地擴充了線彈性計算的適用范圍。橋梁抗震設計的第2階段，對于按線彈性方法計算出的結構地震位移，20規范修訂了考慮彈塑性效應的地震位移修正系數。對鋼筋混凝土墩柱潛在塑性鉸區域的抗剪能力計算公式進行了修訂，改變了08細則過于保守的設計方法[12]。

5) 細化減隔震體系的設計要求

20規范從減隔震體系橋梁設計理念和計算分析方法做了較大幅度的修訂，新增了減隔震體系的簡化計算方法和減隔震裝置的具體要求。與08細則僅規定減隔震橋梁設計原則相比，20規范的可操作性更強。

6) 明確“抗震構造措施”的等級概念

由原來的地震烈度表達的措施等級變更為1級～4級，以便理解更加直觀。墩梁搭接長度計算公式考慮了墩高、跨徑和連續梁聯長的影響，并將搭接長度計算公式的適用范圍由簡支梁橋擴大到連續梁橋，較08細則更科學合理。

3 使用20規范的注意事項

在使用20規范進行橋梁抗震設計時，應注意以下事項。

1) 與相關規范配套使用。20規范使用過程中應與最新的《公路橋涵設計》《中國地震動參數區劃圖》等規范配套使用。在采用橋梁設計相關規范進行抗震驗算時，材料取用標準強度或者設計強度要嚴格按照20規范執行。

2) 從國內外橋梁震害來看，近斷裂帶區域的橋梁震害較為突出，對橋址位于斷裂帶附近的橋梁，應按照20規范第5.1.4條規定，由地震安全性評價給出考慮了近斷裂效應的地震動參數，并據此進行抗震設計。

3) 對于橋面連續簡支梁橋，墩梁搭接長度按照連續梁考慮，各個橋墩與梁之間的搭接長度均需滿足公式計算值。

4) 應加強施工質量控制，確保橋梁達到設計的抗震能力，如延性體系橋梁的配筋要求必須得到滿足，減隔震體系橋梁的減隔震支座應與橋墩及梁體得到有效連接等。

5) 我國橋梁建設規模不斷擴大，橋梁的抗震技術和減隔震裝置也得到快速發展。在使用減隔震裝置時，應注重新產品和新技術的功能性檢驗，確保橋梁抗震裝置的安全可靠。橋梁支座等相關產品，在使用前應進行嚴格的試驗檢測，達到相關產品技術指標要求后，方可采用。

4 結束語

JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設計規范》吸收了近年來橋梁抗震的成熟研究成果，彌補了08細則的一些不足，可操作性大幅增強，達到了當前國際先進水平。在使用過程中，應根據具體情況選擇對抗震有利的橋位和合理的結構體系，應注重橋梁抗震設計中的概念設計和局部構造措施，以及施工質量的控制，確保橋梁達到設計的抗震能力。