新公路抗震规范的桥梁抗震设计思想

文 | 吴阳 董明明（江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京210005）

长期以来，我国抗震设计规范一直采用以确保人的生命安全为原则的一级设计理论。近期几次大的地震灾害表明，这种理论在保证生命安全方面确实具有一定的可靠性，但对结构的损伤和由此导致的经济损失却不能进行有效的控制。设计手段和抗震理念的发展总是有囿于当时人们对地震和结构特性的认识深度：一方面人们迫切需要通过工程设计手段确保结构功能在地震后的损失可以控制，一方面人们对地震灾害和结构特征的认识水平还处在较为初级的、不断发展的阶段。早期抗震设计思想认为，建筑物在设计寿命期内并不经常发生破坏性的地震，确保人员生命安全是工程抗震设计的主要任务。实际上，选择“确保人员生命安全”这样起码的抗震设防目标是被动的，如果撇开结构抗震经济成本的问题，上述抗震设防目标的确立主要的现实根源在于：强度验算理论的逐步成熟和人们对其的普遍掌握和认同。通过一定的设计，避免结构突然垮塌、构件脆性破坏等灾害性反应来保证建筑涉及的人员生命安全。

地震灾害的高度不确定性和现代地震灾害引起的巨大经济损失的特点，使世界对过去长期视为正确的设计思想和方法进行了反思，认为过去的抗震设计只以人身安全为目标是远远不够的，抗震设计不仅应考虑人身安全，而且应考虑建筑破坏所造成的巨大的经济损失能得以控制。抗震设计如何能既经济又可靠的保证结构的功能在地震的作用下不致丧失甚至不受影响，进一步探讨更完善的结构抗震设计思想和方法成为了迫切的需要。

使用至今已长达将近20年的公路89抗震规范,今年正式废除使用,它已不能满足我国公路桥梁快速发展和建设的需要。在此期间,世界各国桥梁抗震理论和技术有了显著的发展，而且，美国、日本等国家的抗震设计规范设计思想已经大大领先于我国的工程界。因此，经过长时间的准备、讨论与修正，交通运输部将公路桥梁抗震设计的要求和规定单独成册,在2008年10月1日实施了抗震细则,随后在2014年发布实施新公路工程抗震规范，以供公路桥梁设计部门进行抗震设计时遵循。《公路工程抗震设计规范》JTG B02-2013（以下简称新规范）较《公路工程抗震设计规范》JTJ004-89（以下简称老规范）在设计思想、安全设防标准、设计方法、设计程序和构造细节等诸多方面均有很大的变化和深入，限于篇幅，本文主要介绍新规范的桥梁抗震设计思想。

1 、抗震设防标准

抗震设防标准是桥梁结构抗震设计的最基本问题。过去的几十年的时间里,研究者和工程师都提出分级抗震设防的原则:即小震不坏；中震发生有限的结构或非结构构件的破坏；大震发生严重的结构和非结构构件的破坏,但不产生严重的人员伤亡；而在可能袭击工程场地最严重的地震作用下,结构不倒塌。这些基本的结构性能目标至今仍被大多数的设计规程所采用。但传统的方法是,只针对单一的地震作用水平进行结构的抗震设计,如老规范就是这样。现在的问题是针对每一个目标都给出相应的具体设计程序。这样一来,就需要对目前实际上还是单一水准强度抗震设计原则进行修订,采用多水准、多设防目标和多阶段的抗震设计原则。08细则和新规范参照国外桥梁抗震设防的性能目标要求,同时考虑了和老规范中桥梁抗震设防性能目标要求的延续性,规定:A类桥梁的抗震设防目标是中震(E1地震作用,重现期约为475年)不坏,大震(E2地震作用,重现期约2000年)可修；B、C类桥梁的抗震设防目标是小震(E1地震作用,重现期约为50～100年)不坏，中震(重现期约为475年)可修,大震(E2地震作用,重现期约2000年)不倒；D类桥梁的抗震设防目标是小震(重现期约为25年)不坏。08细则和新规范的桥梁分类情况如表1所示，各抗震设防类别桥梁的抗震设防目标如表2所示。

表1 各桥梁抗震设防类别适用范围

表2 各抗震设防类别桥梁的抗震设防目标

2 、桥梁能力设计思想

新西兰学者Park等在20世纪70年代中期提出了结构抗震设计理论中的一个重要原则—能力保护设计原则,并最早在新西兰混凝土设计规范(NZS3101,1982)中得到应用。以后这个原则先后被美国、欧洲和日本的等国家的桥梁抗震规范所采用，我国在08细则和新规范中引入了能力设计思想。所谓能力保护就是对延性抗震设计桥梁的基础、上部结构构件，以及可能出现塑性铰的桥墩的非塑性铰区进行的加强设计。目的是保证非塑性铰区的弹性能力高于塑性铰区，避免发生非塑性铰区发生塑性变形和剪切破坏。通过设计,使结构体系中的延性构件和能力保护构件形成强度等级差异,确保结构构件的地震破坏只发生在预定的部位,而且是可控制的,不发生脆性的破坏模式。能力设计方法的主要思路是对构件间或构件内不同受力形式间的承载能力差的控制, 保证钢筋混凝土结构形成梁铰机构和延性较大的正截面受力破坏形态, 使结构具有足够的弹塑性变形性能, 保证大震时具有足够的能力耗散性能, 避免产生脆性破坏和出现不利的机构形式。通过简单的链接来具体阐明能力设计方法的基本原理， 图1所示n个强度为 的脆性链子与1个强度为 的延性链子具有相当大的塑性变形能力。图1所示，如果延性链子强度 不小于脆性链子强度 ，则当P的强度大于两者的强度，最先断裂的可能就是脆性链子，延性链子不能充分耗能；相反若脆性链子的强度均比延性链子可能发挥的最大强度还要高，那么断裂时延性链子发生非弹性变形，而脆性链子则未发生破坏。在这个过程中，整个链子的最大强度由延性链子可能发挥的最大强度决定，脆性链子受到的拉力因始终低于其设计强度而不会遭受破坏，延性链子的作用就如同保险丝一样保护了整个电路。

图1 能力保护设计原理示意图

能力设计方法中，延性构件就是图1中的延性链子，而能力保护构件（脆性构件和不希望发生非弹性变形的构件）就是其中的脆性链子。能力设计方法的关键是将控制概念引入结构的抗震设计，有目的的引导形成对结构有利的破坏机制和破坏模式，避免不合理的结构破坏形态,并设法保证预计破坏部位的弹塑性变形能力。从上面分析可以看出能力设计方法主要有两方面的设计：一是能力保护构件设计；二是延性构件。

3 、弹性抗震设计

由于老规范只采用一阶段设计,通过引入综合影响系数来折减地震力后采用弹性抗震设计,这种设计思想使得在高烈度地区的桥梁下部结构配筋非常之高，而新规范在小震不坏的设计指导思想下，采取了只在小震情况下考虑弹性抗震设计方法，要求桥梁在E1地震情况下满足强度验算，通过这种设计方法可以大大降低下部结构的配筋率，降低了桥梁工程的造价。

4 、桥梁延性抗震设计

1971年美国圣弗尔南多地震爆发以后,各国都认识到结构的延性能力对结构抗震性能的重要意义。在1994年美国北岭地震和1995年日本神户地震爆发后,强调结构总体延性能力已成为一种共识。抗震设计方法正在从传统的单一强度理论向延性抗震理论过渡。目前, 大多数国家的桥梁抗震设计规范已经采纳了延性抗震理论。在大震情况下采用延性设计是新规范的创新的地方，他的指导思想就是大震不倒，所谓延性就是指在外力作用下，结构变形超过弹性阶段后，其承载能力无显著下降的情况下，结构的非弹性变形能力。结果变形能力大，延性就好，其破坏称为延性破坏(或塑性破坏)；相反，延性越差，属于脆性破坏。按照研究对象的不同延性可分为材料延性，截面延性，构件延性，结构延性，节点延性。截面的延性通常用曲率延性、转角延性或者位移延性来表示。从延性的本质来看，它反应了非弹性变形的能力，能够保证强度不会因为发生非弹性变形而急剧下降，对结构或构件而言，如果结构或构件在发生较大的非弹性变形时其抗力仍没有明显的下降，则这种结构或构件称为延性结构或延性构件。

延性抗震设计思想主要是利用结构、构件自身的延性耗能能力来抵抗地震作用,设计时是通过增加结构、构件延性来实现,对结构允许出现塑性铰的部分进行专门的延性设计。在该方法中,容许很大的地震力和能量从地面传递给结构,而抗震设计时要考虑的问题是如何为结构提供抵抗这种地震力的能力。同时在大震不倒总体思想指导下，还要保证结构延性可控，如果延性过大会使得桥梁结构倒塌成为大概率事件，这就要求结构在弹性阶段就消耗掉相当比例的地震力。结构延性设计的目的在于保证结构在构件屈服之后仍具有充足的变形能力, 依靠结构的弹塑性变形耗散地震能量,保证屈服部分发生延性破坏,避免结构脆性破坏的发生和整个结构的倒塌。设计的重点是要选定结构中潜在塑性铰区的位置，把塑性铰截面的抗弯强度尽可能设计得与需求的强度接近，并确保塑性铰能够提供设计预期的塑性转动能力。

5 桥梁减隔震设计

随着地震级别的增大或者遇到特别重要的桥梁时，就要对结构进行减隔震设计。减隔震设计是08版抗震细则的一个亮点，随着国内工程界对地震机理和结构地震动反应研究越来越深入，结构减、隔震和耗能技术经过数十年的研究和开发后,国内已经进入实用阶段，而老的规范没有任何关于减隔震方面的条文。国际上,日、美、欧、新西兰等主要地震国家和地区的桥梁抗震设计规范已经引入相应的条款。我国新的《城市桥梁抗震设计规范》和08版抗震细则中也将桥梁减隔震设计单独成章,充分体现出了其重要性。

与延性抗震允许很大的地震能量传到结构构件上不同的是,桥梁的减隔震技术是将很大一部分地震能量转移到减隔震装置上,这大大降低了结构本身的地震响应,使结构处于弹性工作状态。地震下的结构动力响应有两个基本规律：结构周期延长至地震波频率范围以外时，地震响应会大大减小；结构阻尼越大，耗散地震能量越多,地震反应越小；从加速度谱中我们可以看出，随着周期增长，地震加速度反应值迅速减小，同时从位移谱中也可以看出，周期延长伴随着结构位移的大幅度增长，这有可能给结构设计带来一定的困难。因此，我们可以在结构上外设柔性装置增大结构周期的同时，添加阻尼元件耗能，从而减小结构的位移和加速度。这就是减隔震技术的思路过程。

减隔震技术是通过延长周期、增大阻尼来减小地震反应。而当桥梁结构体系

较柔，自身周期较长，或场地卓越周期与隔震周期接近时，使用减隔震技术容易引起地基与桥梁共振，不仅不能很好的起到减震的作用,反而会增大不利的地震响应。因此,在比较软弱、不稳定、易于发生液化的场地,下部结构高度大柔性明显等情况,不宜采用减、隔震装置。事实上，国外规范以及我国的08版抗震细则已经对此有所规定。减、隔震装置适用于以下几种情况：桥梁自振周期较短；场地条件比较好,具有较高的卓越频率和在长周期范围内所含能量较低；支座不承受负反力。因此,中小跨径的梁式桥在多数情况下可尝试采用减隔震技术来保证地震中桥梁的安全性能。

6 桥梁抗震思想对比

下面从设计思想和设计方法两方面，将桥梁抗震的新老规范做一个对比。老规范基本思想：单一水准的抗震设防思想。在发生与设计基本烈度地震相当的地震影响时，位于一般地段的高速公路、一级公路工程，经一般维修即可正常使用;位于一般地段的三级公路工程，经短期维修即可恢复使用；三、四级公路工程和位于地震危险地段的高速公路、一级公路工程，保证桥梁、隧道及重要构造物不发生严重损坏。设计方法:单水平设计，在设计地震作用下对结构的强度进行常规验算，基本不涉及与结构位移和延性有关的设计过程。

08抗震细则和新规范的基本思想:采用能力设计的两水准抗震设防思想。当遭受桥梁设计基准期内发生概率较高的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理可继续使用，当遭受桥梁设计基准期内发生概率较低的罕遇地震影响时，应保证不致倒塌或产生严重结构损伤，经加固修复后仍可继续使用。设计方法：两阶段设计。各类桥梁必须进行多遇地震作用下的弹性抗震设计，除6度地区以外，A、B、C类桥梁还必须进行罕遇地震作用下的延性抗震设计。

7 、小结

新规范相比老规范抗震设计思想有很大的提高，通过以上几个方面的阐述，可以知道新规范采用分标准、分情况、分阶段的设计方法对桥梁结构进行抗震分析，大大提高了规范的可操作性和实用性，是国内抗震思想和设计方法的一个巨大的进步。

[1]中国交通运输部. JTG B02-01-2013公路工程抗震规范[S]. 北京，人民交通出版社，2014

[2]中国交通运输部. JTG/T B02-01-2008 公路桥梁抗震设计细则[S].北京，人民交通出版社，2008

[3]中国交通部. JTJ 004-89 公路工程抗震设计规范[S]. 北京，人民交通出版社.1999

[4]范立础，卓卫东. 桥梁延性抗震设计[M]. 北京，人民交通出版社.2001.