橋梁抗震設計規范的現狀與發展趨勢

摘要：本文對世界主要橋梁結構抗震365JT設計規范的現狀進行了較為詳細的對比，指出我國現行《公路工程抗震設計規范》中存在的一些缺點。本文還對目前國際上橋梁結構抗震設計規范的發展動向進行了總結，提出了修訂我國新《365JT城市橋梁抗震設計規范》的一些意見。

關鍵詞：橋梁；抗震設計；規范

中圖分類號：P315.951 文獻標識碼：A

1 前言

我國現行《公路工程抗震設計規范》(JTJ004—89)在80年代中期開始修訂，于1989年正式發行。隨著我國90年代經濟起飛，365JT交通事業迅猛發展，特別是高速公路的興建、跨越大江、大河的大跨橋梁、大型立交工程以及城市中大量高架橋的興建．規范已大大不能適應．但是目前所有國內的橋梁設計，對抗震設計均在設計書上標明的參照規范即是《公路工程抗震設計規范》和《鐵道工程抗震設計規范入近十年來，1989年美國Loma Prieta地震(M7.0)，一個中等強度地震導致了橋梁的破壞，這一后果告誡人們現代城市交通網絡中斷的危害性。1994年美國Northridge地震(M6．7)，也是一個中等強度地震，造成洛杉磯市高速公路上多座橋梁崩坍，嚴重的交通中斷造成巨大的經濟損失．最近的日本Kobe地震(M7.2)，同樣是一個中等強度的地震，造成大量高速公路、高速鐵路橋隧的破壞，使經濟遭受巨大損失。如都以當時的幣值為準，以上三次中等強度地震導致城市經濟總損失分別為70、200、1500億美元。

日本1995年限神地震后，對結構抗震的基本問題重新進行了大量的研究，并十分重視減振、耗能365JT技術在結構抗震設計中的應用。橋梁、道路方面的抗震設計規范已經重新編寫，并于1996年頒布實施：美國也相繼在聯邦公路局(FHWA)和加州交通部(CALTRANS)等的資助下開展了一系列的與橋梁抗震設計規范修訂有關的研究工作，已經完成了ATC—18、ATC—32和ATC—40等研究報告和技術指南。與舊規范相比，新規范或指南無論在設計思想、設計手法、設計程序和構造細節上都有很大的變化和深入。相比之下我國現行《公路工程抗震設計規范》水準遠落后于國外同類規范。若不進行改進，其后果必然是我國不少的橋梁工程將留下地震隱患。

我國管理部門已經認織到上述問題。建設部已委托同濟大學士木工程防災國家重點實驗室范立礎主編新編的《城市橋梁抗展設計規范》，由北京、天津、上海等四家市政工程設計研究院參編；上海市建委抗震辦公室也委托同濟大學土木工程防展國家重點實驗室主編《上海城市橋梁抗震設計規范》。同時，交通部也著手修訂《公路工程抗震設計規范》。本文的任務是對目前各國的橋梁抗震設計規范的使用和研究現狀進行介紹和比較，探討我國橋梁抗震設計規范的修訂中的一些主要問題。

2 橋梁抗震設計的基本思想

結構抗震設計的基本思想和設計準則是制定規范的最重要之處，它決定了抗震設計要達到的目標、采用的設計地震動水平和地震反應的計算方法。因此這里首先介紹世界幾本主要的橋梁抗震設計規范的基本設計思想．見表1。

由表1可知．當前主要地震國家橋梁抗震設計規范的基本思想和設計準則是：設計地震作用基本分為兩個等級，都可歸納為功能設計地震和安全設計地震。雖然各規范使用的名詞不同，但其思想是基本一致的：功能設計地震具有較大的發生概率、安全設計地震具有很小的發生概率。在功能設計地震作用下，橋梁結構只允許發生十分輕微的破壞，不影響正常的交通，不經修復也可以繼續使用；在安全設計地震的作用下，允許橋梁結構發生較大的破壞，但不允許發生整體破壞，如倒塌、落梁，歐洲規范對此規定得最為清楚、具體。比較起來，我國公路工程抗震設計規范仍在使用烈度概念，關于抗震設計的指導思想對于橋梁來說過于籠統。

各國橋梁抗震設計規范中雖然設定了兩個水準，但在具體的設計程序上絕大多數仍堅持以安全設計地震為準的單一水平設計手法，并認為第一設計水準的要求自動滿足。這種情況可能發生變化，ATC-32和日本即將出版的新的橋梁抗震設計規范都建議對兩個設計地震動水準進行直接設計。這代表了橋梁結構抗震設計具體程序上的一個變動方問

3 設計地震動

3．1 地震區劃

設計地震動是繼設計思想之后的影響到橋梁抗震設計全局的重要問題，地震作用強度是結構抗震設計中最重要的地震動參數之一。在當前各國的橋梁抗震設計規范中采用兩種方式描述這—參數， 一種方式是使用“烈度”這個量，如我國《公路工程抗震設計規范》另一種是直接使用地震動參數、如美國ASHTO和Caltrans橋梁抗震設計規范。世界主要橋梁抗震設計規范使用的地震區劃圖見表2。

從表2可以看出，除了我國現行區劃圖外，其它主要地震國家均采用了地震動參數區劃。采用烈度改進行橋梁結構抗震設計無論是在概念上、還是在數值方面部存在很多問題，因此我國正在編制的第四代區別圖已經使用了地震動參數區別。由表2還可以看到，日本規范確定設計地震動的方法比較獨特：（1）設計地震動的概率特征十分不明顯。第一級設汁地震雖有統計意義，但仍是確定性成分較多；（2）第二級設計地震以確定性方法規定。第一類主要參考了1923年關東地震(大陸邊緣地震)第二類主要參考了1995年阪神地震(都市直下型地震)。這與日本地域狹小和地震類型相對比較清楚有關。

3．2場地分類

實際上．目前各國橋梁抗震設計規范中都考慮了場地條件對設計地震動參數的影響。具體做法是根據一定規則對場地進行分類，然后分別結出各類別場地的地震設計反應譜。各國規范關于場地分類的概略情況見表3。

可以看到，盡管各國規范關于場地劃分類別的數目和具體方法不同，但所依據的主要物理參數都是場地剪切波速(或場地特征周期)和地表覆蓋層厚度。關于場地條件對設計反應譜的影響還有幾點需要說明：(1)ATC—32建議六類場地；(2)CaItrans和ATC—32先得到基巖加速度，然后進行土層分析得到設計地震譜。

3、3地震設計諾

各國橋梁抗震設計規范的彈性設計譜曲線示于圖1—圖6中。可以看出，從反應譜坐標隨周期的變化關系看，各規范的走勢是相同的， 即隨周期由小變大(或不變)至一個平臺(最大值)，然后逐漸衰減至與最大可用周期的一個定值。這個一致性是由地震反應譜的定義和地震動的特性決定的。

各規范反應譜之間仍然存在一些差別，主要是：〔1〕在短周期段，多數規范有一個下降段、如我國《公路工程抗震設計規范》和Caltrans規范等；也有規范無下降段，如美國的AASHTO規范。理論上，有下降段是合理的，但無下降段的處理更簡單。實際上，我國《公路工程抗震設計規范》下降段的拐點周期是0.1s．一般橋梁結構的基本周期遠大于此，因此，下降段實際意義并非十分重要；(2)各規范的拐點周期取值不同，實際上Caltrans的ARS譜是經土層反應分析得到的，是一條連續變化的光滑曲線，根本不存在拐點；(3)各規范反應譜的平臺最大值高度不同，并且一些規范平臺高度還隨著場地類別變化，如AASHTO規范、新西蘭規范、歐洲規范和日本規范。但我國規范反應譜的平臺高度不隨著場地變化，在即將頒布的第四代區劃圖中依然如此。從地震反應譜的客觀特性來說，標準化反應譜的臺階高度是隨場地類型變化的，規范標準化反應譜的臺階高度是否隨場地變化，還應綜合考慮其它因素來決定。

3.4 地震設計譜的阻尼修正

阻尼比是影響反應譜值一個重要參數。當結構阻尼比較小時，其變化會顯著地改變反應譜值，從而影響結構所受地震力的大小。一般規范設計反應譜均以一個標準阻尼比值(通常取0．05)為基準，當結構主要振型的阻尼比偏離此標準值較多時，需要對設計反應譜進行修正。AASHTO、ATC—32、Caltrans和NZ規范不對反應譜進行阻尼修正，而EC—8、JAPAN和中國公路規范對設計譜進行阻尼修正。

實際上，規范反應譜是否需要進行阻尼調整與以下兩件事有關：(1)所適用的結構。一般說來，不同材料建造的結構(如鋼結構、混凝土結構)，阻尼特性相差很大。若規范適用的范圍廣，則阻尼調整是必需的；(2)控制結構反應的振型數。結構計算依賴于阻尼的假定，阻尼假定導致不同振型有不同的阻尼比。若結構的反應由多個振型控制，則可能要求對阻尼比進行修正。美國規范(如Caltrans規范)規定只適用于鋼筋混凝土結構的普通橋梁，因此材料阻尼基本相同。同時，這些橋梁結構的抗震設計重點在橋墩和基礎，其地震反應主要由第一階振型控制，高振型的貢獻很小，因此通常采用單自由度體系模型進行動力計算，這樣就無需進行反應譜的阻尼調整。即使采用多自由度體系計算模型，由于地震反應主要由第一振型控制，高振型阻尼比的變化導致的反應譜的修正對反應的最后預測結果影響甚小、因此從實際意義上說，可以不對反應譜進行阻尼調整；(3)特殊的阻尼元件。結構減隔震設計方法已經和即將寫入各國的橋梁抗震設計規范。減、隔震元件的阻尼特性顯著不同于結構的材料阻尼特性。有兩個原因，第一，減隔震裝置產生的阻尼是集中阻尼，而材料阻尼是分布阻尼；第二，減、隔震裝置的阻尼比通常遠高于材料的阻尼比。這種情況下顯然要對反應譜值進行合理的修正，但如何修正尚待研究。1997年7月出版的“Caltrans抗震設計準則”提出了一個修正方法，但只針對位移反應的計算結果進行修正。

4 地震反應分析和計算方法

各國橋梁抗震設計規范采用的地震反應分析方法列于表4。可以看到，目前規范計算地震反應的方法有四種，即等效靜力法、線性動力法、非線性靜力法和非線性動力法。其中等效靜力法和彈性動力法是目前規范中廣泛應用的方法。非彈性靜力分析方法主要是用來確定結構的倒塌機制和能力。ATC—32和Caltrans于1999年出版的橋梁抗震設計準則中引入這一方法，將來可能有更多的規范引入這一方法。各國規范對非彈性動力法用于橋梁抗震設計一股只有定性的指導性條款，而沒有實施細則。這一方面是由于非彈性問題過于復雜，另一方面工程師在掌握這一方法方面還需要一定的準備和培訓時間，在我國的橋梁設計部門、越來越多的研究生加入設計隊伍、使用復雜分析方法的問題會逐步得到解決。

5 混凝土結構設計

國內外的公路橋梁絕大多數是鋼筋混凝土結構，各國橋梁抗震設計規范也主要是針對這種橋梁結構編寫的。表5列出了各國規范在鋼筋混凝土構件設計方面的方法：

可以看到．美、歐、新西蘭規范對很多設計的細節問題都給出具體的設計方法和要求，日本規范雖未給出配筋等具體設計細節，但給出了詳細的混凝土構件允許和極限能力的分析方法，此法可以考慮混凝土、主筋及箍筋等的作用。相比之下，我國現行的《公路工程抗震設計規范》在這方面十分不足，亟待補充和改進。

6 約束和減隔震、耗能設計

約束裝置的設計和使用已經寫入各國的橋梁抗震設計規范，我國現行的《公路工程抗震設計規范》也有這方面的條款，見表6。減、隔震和耗能技術則是在近幾年才開始進入橋梁結構抗震設計規范的。美、日、歐、新西蘭規范中部有詳略不同的條文規定．我國現行的《公路工程抗震設計規范》沒有這方面的條款，是需要補充的一個方面。減、隔震和耗能技術雖然已經有幾十年的研究歷史，但其應用還處于起步階段，相應的技術法規還不完善。以往這一技術在橋梁上的應用實例尚不多。日本在阪神地震后，在橋梁修復、加加固中應用較多，但實際效果如何還有待考驗。

7 對我國城市橋梁抗震設計規范的建議

前面幾節對我國與美、日、歐和新西蘭等國的橋梁抗震設計規范進行了對比，總的來說，我國現行的《公路工程抗震設計規范》在設計思想、設計方法、構造措施和條文可執行性等方面顯得落后許多。近十幾年發生在世界各地的大地震給橋梁結構造成了重大破壞，同時也促進了橋梁抗震設計規范的修訂工作。規范的修訂主要參考了近十幾年來的地震震害經驗，同時借鑒了結構抗震研究領域的最新研究成果。概況起來，新規范的發展動向有以下幾個方面：

(1)抗震設防標準。這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今天被大多數的設計規程所采用。但傳統的作法是，只針對單一的地震作用水平進行結構的抗震設計。現在的問題是針對每一個目標都結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。

(2)延性和位移設計：傳統的橋梁抗震設計采用強度設計方法，即使考慮到延性和位移，也是通過強度指標間接地實現。現在人們越來越認識到了位移在橋梁結構抗震設計中的重要性，很多研究者和工程師建議在抗震設計中直接使用位移為設計參數，這樣就將形成多參數抗震設計方法：在這方面，各種非彈性反應譜的研究和應用工作一直在進行。一些建筑結構抗震設計指南和準則已經引入了位移設計的概念和方法。

(3)減、隔震和耗能設計：橋梁結構減、隔震和耗能技術經過數十年的研究和開發后，已經逐漸進入實用階段。未來橋梁結構的抗震設計規范應對這些技術在橋梁抗震設計中的應用作出具體、細致的規定。實際上， 日、美、歐、新西蘭等主要地震國家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》和即將修訂的《公路工程抗震設計規范》也應有相應的章節規范這一技術的使用。應當注意，這一技術對橋梁的實際減震效果雖有少量的驗證，但其減震規律變化和經濟合理性都有待深入論證，

(4)構造細節。橋梁結構抗震設計中的許多問題目前還不能完全通過定量化方法加以解決。因此根據震害經驗、概念設計和定性研究的結果提出構造細節方面的要求，對保證橋梁結構的抗震安全十分重要。美、歐等國家的橋梁結構抗震設計規范和準則都已十分重視這一點。我國現行的《公路工程抗震設計規范》在這方面明顯不足，新編的《城市橋梁抗震設計規范》將特別注意這方面的問題。

(5)橋梁結構基礎抗震設計。從歷次大地震震害可以看出，基礎破壞是導致橋梁結構地震破壞的主要原因之一。由于困難大，我國現行《公路工程抗震設計規范》以若干定性的條款，從工程選址方面加以考慮。今后應重視基礎本身的抗震設計，特別是對于樁基礎等。這方面，美國的橋梁抗震設計規范和準則規定得比較詳細，是我們應當學習之處。基于阪神地震的經驗，地震后橋梁上部結構的修復和重建都比下部基礎經濟和省時、省力，因此橋梁基礎的抗震能力的要求應比橋墩高。

(6)規范條文的可操作性。條文的可操作性是規范制定者需要特別注意的一個侍狻Ｌ蹺牡目剎僮饜雜跋斕焦こ淌φ?返厥褂霉娣逗痛锏焦娣噸貧ㄕ叩納杓頗勘輟Ｈ艨剎僮饜圓緩謾⒃蜆こ淌Σ灰桌斫夂?/SPAN>

執行相應的設計規定，也就很難達到規范規定的設計日標。

8 結語

本文首先對世界主要橋梁結構抗震設計規范的現狀進行了較為詳細的對比，指出了我國現行《公路工程抗震設計規范》中存在的一些缺點。同時本文還對國際上橋梁結構抗震設計規范的發展動向進行了總結，提出了編制我國新《城市橋梁抗震設計規范》的一些總的意見。本文觀點和結論均是作者個人見解，文中的遺漏和錯誤之處，歡迎同行批評和指正。