城市桥梁抗震的中日设计规范比较

林 康，王德钧

（大连市市政设计研究院有限责任公司，辽宁 大连 116000）

0 引言

20 世纪90 年代以来，日本桥梁抗震设计规范经历多次改订，全国范围内抗震设防水准迅速提高。本文结合日本规范变迁对中日两国规范进行分析对比，以期提供参考借鉴。

1 两国规范的比较

同我国一样，日本城市桥梁的抗震规范也是大量引用公路桥梁抗震规范的规定，本文仅对涉及城市桥梁的部分进行说明。

1.1 地震作用

在地震作用方面的对比见表1。

表1 地震作用的比较

（1）日本的设计地震加速度很大，频谱范围很宽。即使是我国高烈度地区高等级桥梁，在特定频谱范围内罕遇地震的加速度也有小于日本多遇地震的情况[5]。

（2）在日本的道路构造令[6]中，城市道路为第二种（快速路）和第四种（一般市政道路）。一般市政道路又按照级别（国道、县道、市道）和计划交通量分为多种等级，快速路也有多个等级。但在抗震设计中城市桥梁均为B 种桥（抗震设计上特别重要的桥），采用相同的抗震设防水准。

（3）岩石等坚硬场在多遇地震下抗震条件好一些，但是在罕遇地震时坚硬场地上有着更大的地震作用。日本不按地震动反应谱特征周期分区（不分组），每座桥梁都要针对远源强震和近源强震分别进行抗震分析。日本两种类型的罕遇地震均为坚硬场地比软弱场地的地震作用更大。警惕坚硬场地桥梁结构在强震作用下的破坏。

1.2 抗震分析体系

在抗震分析体系上的对比见表2。

表2 抗震分析体系的比较

（1）超设计地震发生时，支座先于下部结构被破坏。被破坏后的支座凹凸不平，日本抗震规范中滑动支座的摩擦系数高达0.5。

（2）连续梁桥顺桥向单点固定容易造成固定支座处水平地震力过分集中。我国很多盆式固定支座和球形固定支座的水平承载力仅有竖向标称荷载的10%～15%，而日本即使是水平力分散支座，支座的水平承载力和与上下部结构间的锚固非常强大[8]。采用水平力分散方案可以把上部结构的水平质量较为均匀地传递到下部各结构，对抗震有利。

（3）支座横桥向的约束条件不同。我国为释放温度变化等产生的超静定力，一条支承线上多采用横桥向单点固定、其余支座滑动的模式。日本即使在以前使用固定滑动支座的年代，也没有横桥向滑动的支座类型。一方面，墩柱具有一定的水平刚性，并不会完全限定上部结构的水平变形。另一方面，墩柱同样受到温度变化作用，与上部结构存在相同的变形趋势。另外，即使是固定支座的横桥向，也存在微小变形能力。基于以上三点考虑，支座在横桥向上均为固定，一条支承线上的多个支座共同分担横桥向水平力。

（4）挡块与支座的配合。对于既有桥梁的旧型支座，在E2 地震下已经发生破坏，损坏后的支座模型难以精确模拟。日本在1996 版抗震规范[7]中规定，挡块的设计作用力为3 khRd（kh为多遇地震的设计水平震度，Rd为支座的恒载）。在2002 版、2012 版、2017 版规范中已全面要求支座自身须满足E2 地震承载力的要求。

1.3 抗震分析

在抗震分析手段上的对比见表3。

表3 抗震分析的比较

E2 地震作用下对结构的影响控制在弹性范围内几乎是不可能的事情，而E2 工况往往是决定工况，反应谱、功率谱法不宜直接用于非线性分析，限定了此类方法的应用；推倒分析不能同时考虑支座减隔震和墩柱塑形铰等多种非线性因素的共同影响作用。非线性时程分析可以同时考虑多种非线性耗能要素，是日本桥梁抗震设计中一种普遍应用的设计手段。日本设计规范中给出了各种场地条件下各种地震在地基位置处的加速度反应谱和与这些反应谱完全对应的地震波时程，为时程分析的普遍应用提供了便利条件。我国非线性时程分析的应用范围有望扩大。

1.4 钢筋混凝土墩柱配筋

在混凝土墩柱配筋风格上的对比见表4。

表4 墩柱潜在塑性区配筋比较

比起配筋效率，墩柱对耐久性的要求更高，日本的保护层很厚。即使采用同等程度的纵向钢筋，日本的箍筋更强。墩柱的塑性变形能力取决于箍筋对核心混凝土的套箍作用，日本采用了拉筋套在箍筋上的做法。拉筋套在主筋上与拉筋套在箍筋上（见图1）对于抗剪效果是一样的，但是对核心混凝土的拘束作用有很大的不同。

图1 不同拉筋设置方式对核心混凝土套箍作用的示意

1.5 梁端伸缩间隙

梁端伸缩缝间隙的比较，见表5。

表5 梁端伸缩缝间隙的比较

地震时相邻上部结构间或上下部结构间的碰撞具有高度的非线性，分析模型中难以模拟，所以要求伸缩缝在E2 地震下不发生碰撞。日本规范对所有桥梁梁端伸缩缝有此要求，我国对斜拉桥、悬索桥、单跨跨径超过150 m的梁桥和拱桥等特殊桥梁有此要求，大量常规规则桥梁梁端伸缩缝的间隙较小，不能满足E2 地震时主梁不发生碰撞的要求。地震时有可能逐联碰撞落梁。

1.6 抗震措施

日本的防落梁系统包括梁搭接长、防落梁装置等。与旧型支座配合的挡块、销钉等装置在日本旧版规范[7]中曾被视为防落梁系统的一部分。

1.6.13 道独立防线

日本防落梁系统有3 道独立的防线：

（1）E2 地震为止的地震力支座自身可抵抗。与旧型支座配合的抗震销、挡块等可视为支座的一部分。这些结构限制移动量和支座的移动与回转性能相符合。

（2）超E2 地震时，支座自身或锚固装置被破坏后，落梁防止装置开始发挥作用。作为第二道防线的落梁防止装置的结构有缓冲链、钢绞线、挡块等，虽然机能和形式与配合支座水平承载力的挡块等有一定的类似性，但是设计水平力和开始发挥作用的时机并不相同。防落梁装置在相对变位量达到75%梁搭接长时开始发挥作用。设计水平力为1.5 倍上部结构恒载反力或下部结构的水平承载力。日本2017 版抗震规范[1]有对一些不容易落梁的桥型的第二道防线可以省略的规定，如采用两基以上的下部结构与上部结构刚接等条件时可省略落梁防止装置。但仅桥面相连的结构在抗震设计上不能看作连续梁结构，而且连续梁端部省略落梁防止装置也有诸多限制条件。我国抗震规范[4]中仅对桥面不连续的简支梁桥规定了落梁防止措施。

（3）防落梁系统的前两道防线都被突破后，最后一道防线是梁搭接长，但是仅设最后一道防线并不能起到应有的效果。

1.6.2横桥向倾覆失稳

直桥横桥向同样存在落梁的可能性（见图2）。日本规范[1]规定，在横桥向发生相当于顺桥向梁搭接长的上下部相对错位时，须保证桥梁体系的安定性。我国一些城市高架桥的墩柱没有盖梁，横桥向宽度较窄，防倾覆失稳性能较弱。

图2 横桥向发生位移时体系不安定的示例

2 结语

通过对比中日两国规范，以下问题值得进一步研究。

（1）支座水平承载力有待强化，挡块等限位装置应具有足够的承载力和适当的位移量。

（2）连续梁单点固定方案对抗震不利，横桥向设置滑动支座的必要性有待考证。

（3）钢筋混凝土墩柱的套箍作用宜有所强化。

（4）仅桥面连续主梁未连续等形式的桥梁的抗震措施应包括多道防落梁防线。

（5）横桥向宽度较窄的墩柱结构存在倾覆失稳可能性。