唐光武， 鄭萬山， 劉海明

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶 400067；2.橋梁工程結(jié)構(gòu)動力學(xué)國家重點實驗室， 重慶 400067)

2020年6月2日，交通運(yùn)輸部發(fā)布了JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》，作為公路工程行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，自2020年9月1日起施行。原JTG/T B02-01—2008《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》同時廢止。本文對我國公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范的發(fā)展歷程、2020年版《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)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(shè)計規(guī)范的發(fā)展歷程

1.1 77規(guī)范

1977年以前，我國沒有頒布專門的公路橋梁抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，只有一些可供工程師參考的技術(shù)資料。1955年，將前蘇聯(lián)的《地震區(qū)建筑規(guī)范》(1951年版)翻譯引進(jìn)到國內(nèi)供設(shè)計人員參考。1959年，中國科學(xué)院土木建筑研究所受國家建委的委托，參考1957蘇聯(lián)CH-8-57規(guī)范編寫了《地震區(qū)建筑規(guī)范草案》。該草案包括房屋、道橋、水壩等多個土建領(lǐng)域，其抗震設(shè)計方法主要是采用靜力法，沒有涉及動力學(xué)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(xué)院工程力學(xué)研究所組織編寫了《地震區(qū)建筑設(shè)計規(guī)范》草案稿，供設(shè)計人員參考，該草案采用了當(dāng)時國際先進(jìn)的抗震計算方法——反應(yīng)譜法[1-4]。

1959年和1964年，我國2次編制的地震區(qū)建筑設(shè)計規(guī)范草案稿都未正式頒發(fā)，對橋梁抗震設(shè)計只起到指導(dǎo)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(qiáng)烈地震使得交通運(yùn)輸嚴(yán)重受阻，工程界對震害的認(rèn)識也逐步提高，同時積累了較為豐富的地震經(jīng)驗。交通部于1977年頒布實施了我國第一部《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(試行)[5]，行業(yè)內(nèi)一般簡稱77規(guī)范。77規(guī)范共4章，包括公路路基、擋土墻、橋梁(梁橋與拱橋)等公路構(gòu)筑物的抗震設(shè)計規(guī)定，對地震荷載、抗震強(qiáng)度與穩(wěn)定性驗算、抗震構(gòu)造措施等進(jìn)行了規(guī)定。

1.2 89規(guī)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(shè)計規(guī)范》[6]，簡稱89規(guī)范。89規(guī)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(gòu)筑物的抗震設(shè)計，適用范圍擴(kuò)大到所有公路工程。對地震荷載、抗震強(qiáng)度與穩(wěn)定性驗算以及抗震措施等進(jìn)行了規(guī)定，調(diào)整了抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，并修訂了砂土液化的判別公式。

77規(guī)范和89規(guī)范沒有分級設(shè)防和分階段設(shè)計的理念，沒有采用基于性能的抗震設(shè)計方法，基本還是采用抗震強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗算的設(shè)計方法，未對橋梁結(jié)構(gòu)的延性能力進(jìn)行驗算和復(fù)核，也沒有采用能力保護(hù)原則對基礎(chǔ)、蓋梁和支座等進(jìn)行設(shè)計。進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(jīng)典的等效靜力法和反應(yīng)譜法。89規(guī)范的結(jié)構(gòu)理論方面改用以分項系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)法，采用重要性修正系數(shù)取代77規(guī)范中調(diào)整設(shè)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(xì)則

由于橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計與公路其他構(gòu)筑物具有明顯不同的特點，有必要針對公路橋梁抗震設(shè)計頒布一部專用行業(yè)標(biāo)注。2008年08月29日，交通部發(fā)布JTG/T B02-01—2008《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》[7]，簡稱08細(xì)則。08細(xì)則共有11章和4個附錄。08細(xì)則從適用范圍、抗震設(shè)計理念和方法等方面，較89規(guī)范均有很大進(jìn)步。

1) 適用范圍

08細(xì)則將橋梁分為常規(guī)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(guī)橋梁又根據(jù)能否等效成單自由度分為規(guī)則橋梁和非規(guī)則橋梁。08細(xì)則擴(kuò)大了橋梁抗震設(shè)計的適用范圍，由規(guī)則橋梁擴(kuò)展到非規(guī)則橋梁，針對特殊梁橋的抗震復(fù)雜性，08細(xì)則也給出了抗震設(shè)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(guān)規(guī)定。

2) 設(shè)計理念

08細(xì)則采用基于性能的抗震設(shè)計理念，橋梁抗震設(shè)防分為2個水準(zhǔn)，并對應(yīng)2個階段的抗震設(shè)計。第一設(shè)防水準(zhǔn)采用E1地震作用，是彈性抗震設(shè)計；第二設(shè)防水準(zhǔn)采用E2地震作用，是延性抗震設(shè)計，并采用能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計原則確保結(jié)構(gòu)塑性發(fā)生在預(yù)定位置。從抗震設(shè)計理念和方法來講，08細(xì)則由原來的僅強(qiáng)度抗震設(shè)計修改為強(qiáng)度和延性雙指標(biāo)的抗震設(shè)計。對B、C、D類橋梁，08細(xì)則規(guī)定的E1抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是由89規(guī)范的綜合影響系數(shù)和抗震重要性系數(shù)反算而來。因此通過第1階段橋梁抗震計算分析后，可達(dá)到與89規(guī)范基本相當(dāng)?shù)目拐鹪O(shè)防水平。E1階段的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)總體上和89規(guī)范相當(dāng)。A類橋梁的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是結(jié)合國內(nèi)外已有工程和我國的實際情況確定的。通過第二設(shè)防水準(zhǔn)的抗震設(shè)計，即采用E2地震作用的延性設(shè)計，來保證橋梁結(jié)構(gòu)具有足夠的位移變形能力，防止結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的倒塌破壞。通過第二設(shè)防水準(zhǔn)的抗震驗算，能夠保證在預(yù)期地震作用下結(jié)構(gòu)的位移能力大于位移需求。運(yùn)用過能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計理念，確保結(jié)構(gòu)的塑性鉸只出現(xiàn)在預(yù)先選定的位置，并且不會產(chǎn)生剪切等脆性破壞。

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

2 JTG/T 2231-01-2020《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)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(jié)構(gòu)抗震技術(shù)方面開展了大量的科學(xué)研究，取得了一些重要成果，積累了大量工程經(jīng)驗。同時，在08細(xì)則使用過程中，也發(fā)現(xiàn)部分內(nèi)容不能反映最新的橋梁抗震設(shè)計理念。為了適應(yīng)和提高我國公路橋梁抗震設(shè)計需求及水平，交通運(yùn)輸部2014年立項對08細(xì)則進(jìn)行修訂，并于2020年9月發(fā)布實施了JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》[9]，簡稱20規(guī)范。

20規(guī)范重點考慮了與現(xiàn)行橋梁設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的銜接，其適用于跨徑小于等于150 m下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的梁式橋、圬工或混凝土拱橋的抗震設(shè)計。特殊橋梁除滿足20規(guī)范要求外，還需要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行專門研究和設(shè)計。20規(guī)范在總結(jié)08細(xì)則不足的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國近年來的抗震技術(shù)成果以及國際抗震技術(shù)的新進(jìn)展，使得20規(guī)范的體系更為完善，其內(nèi)容的適用性和設(shè)計方法的可操作性更強(qiáng)。

2.2 修訂的總體思路

20規(guī)范保持了08細(xì)則采用的橋梁抗震設(shè)防分類以及兩水準(zhǔn)設(shè)防、兩階段設(shè)計的總體技術(shù)思路。根據(jù)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(jīng)濟(jì)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(shè)防類別，對每一種類別橋梁規(guī)定不同的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和性能目標(biāo)。20規(guī)范的橋梁抗震設(shè)防類別、設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)以及性能目標(biāo)參照08細(xì)則，這是依據(jù)汶川地震后交通運(yùn)輸部組織開展的相關(guān)研究課題的成果制定的，相關(guān)研究對汶川地震中重災(zāi)區(qū)和極重災(zāi)區(qū)公路橋梁的震害進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)查、分類和統(tǒng)計分析，不僅對震害機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析研究，還對抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了檢討和分析。研究成果表明，08細(xì)則規(guī)定的橋梁抗震設(shè)防分類以及抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、性能目標(biāo)是基本合適的。但是，2015年頒布 GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》的地震作用常數(shù)由原來的2.25調(diào)整為2.5，為與國家抗震設(shè)防的方針一致，20規(guī)范也作了相應(yīng)調(diào)整。因此，20規(guī)范相比08細(xì)則，其地震作用也相應(yīng)的擴(kuò)大了，對橋梁抗震性能提出了更高的要求。

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

按20規(guī)范設(shè)計的橋梁，對A類橋梁，第一設(shè)防水準(zhǔn)對應(yīng)的地震重現(xiàn)期為475年，抗震性能目標(biāo)為彈性；第二設(shè)防水準(zhǔn)對應(yīng)的地震重現(xiàn)期約2 000年，橋梁性能目標(biāo)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(shè)計的B類、C類橋梁，第一設(shè)防水準(zhǔn)對應(yīng)的地震重現(xiàn)期不大于100年，抗震性能目標(biāo)為彈性；第二設(shè)防水準(zhǔn)對應(yīng)的地震重現(xiàn)期從475年到2 000年不等，橋梁性能目標(biāo)為不倒塌，經(jīng)臨時加固后可供抗震救援的應(yīng)急交通使用；對B類、C類中的斜拉橋和懸索橋，其設(shè)防水準(zhǔn)采用B類、C類橋標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)的性能目標(biāo)同A類橋；對D類橋梁，采用一水準(zhǔn)設(shè)防，地震重現(xiàn)期為25年，性能目標(biāo)為不倒塌[10]。

2.3 20規(guī)范的主要修訂內(nèi)容

1) 基本要求

新增橋梁結(jié)構(gòu)抗震體系的概念，橋梁結(jié)構(gòu)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(shè)計的相關(guān)內(nèi)容，增加了連續(xù)梁橋聯(lián)內(nèi)各個橋墩之間水平剛度比以及相鄰兩聯(lián)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(chǎn)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(chǔ)

20規(guī)范保持和GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[11]一致，將I類場地細(xì)分為I0、I1兩個亞類。對樁基礎(chǔ)驗算和承載能力調(diào)整系數(shù)進(jìn)行了修訂。

3) 地震作用

為和國家抗震設(shè)防的大政方針一致，設(shè)計加速度反應(yīng)譜的計算常數(shù)取值由2.25改為2.5。為了適應(yīng)該調(diào)整，反應(yīng)譜0.1 s及以下的直線上升段計算公式也做了相應(yīng)修訂，取消了譜比函數(shù)的概念，采用豎向場地系數(shù)來確定豎向地震作用。此次修訂，將豎向設(shè)計反應(yīng)譜的圖形和公式進(jìn)行修訂，使水平向設(shè)計反應(yīng)譜的圖形與公式一致，采用了不同場地系數(shù)、特征周期的規(guī)定。為了便于使用，豎向反應(yīng)譜的場地系數(shù)與Ⅱ場地水平向反應(yīng)譜最大值對應(yīng)。20規(guī)范豎向反應(yīng)譜的場地系數(shù)即表 5.2.2-2 和表5.2.3-2中的數(shù)值，是根據(jù)一項專題研究的結(jié)果歸納的，表達(dá)了場地條件對豎向和水平向反應(yīng)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(qiáng)地震動數(shù)據(jù)庫NGA-west2，該數(shù)據(jù)庫含有607次地震中觀測記錄的21 539組加速度時程。地震數(shù)據(jù)以美國西部占多數(shù)，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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)的4 435組記錄，統(tǒng)計各分組的平均反應(yīng)譜，提取最大值和特征周期。根據(jù)20規(guī)范式5.2.2以及表5.2.2-2中場地系數(shù)、表5.2.3-2中的特征周期值確定的設(shè)計反應(yīng)譜與統(tǒng)計的平均譜的比較，說明20規(guī)范對豎向地震作用的規(guī)定反映了地震動反應(yīng)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(jìn)行了修訂，08細(xì)則沿用了89規(guī)范的規(guī)定，20規(guī)范采用附加質(zhì)量法進(jìn)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(shè)計人員使用，20規(guī)范對橋梁延性抗震計算方法進(jìn)行了大幅變更。為降低橋梁進(jìn)入塑性后的計算難度，20規(guī)范縮減了必須采用非線性時程分析方法的范圍，相應(yīng)地擴(kuò)充了線彈性計算的適用范圍。橋梁抗震設(shè)計的第2階段，對于按線彈性方法計算出的結(jié)構(gòu)地震位移，20規(guī)范修訂了考慮彈塑性效應(yīng)的地震位移修正系數(shù)。對鋼筋混凝土墩柱潛在塑性鉸區(qū)域的抗剪能力計算公式進(jìn)行了修訂，改變了08細(xì)則過于保守的設(shè)計方法[12]。

5) 細(xì)化減隔震體系的設(shè)計要求

20規(guī)范從減隔震體系橋梁設(shè)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(xì)則僅規(guī)定減隔震橋梁設(shè)計原則相比，20規(guī)范的可操作性更強(qiáng)。

6) 明確“抗震構(gòu)造措施”的等級概念

由原來的地震烈度表達(dá)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(xù)梁聯(lián)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(kuò)大到連續(xù)梁橋，較08細(xì)則更科學(xué)合理。

3 使用20規(guī)范的注意事項

在使用20規(guī)范進(jìn)行橋梁抗震設(shè)計時，應(yīng)注意以下事項。

1) 與相關(guān)規(guī)范配套使用。20規(guī)范使用過程中應(yīng)與最新的《公路橋涵設(shè)計》《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》等規(guī)范配套使用。在采用橋梁設(shè)計相關(guān)規(guī)范進(jìn)行抗震驗算時，材料取用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度或者設(shè)計強(qiáng)度要嚴(yán)格按照20規(guī)范執(zhí)行。

2) 從國內(nèi)外橋梁震害來看，近斷裂帶區(qū)域的橋梁震害較為突出，對橋址位于斷裂帶附近的橋梁，應(yīng)按照20規(guī)范第5.1.4條規(guī)定，由地震安全性評價給出考慮了近斷裂效應(yīng)的地震動參數(shù)，并據(jù)此進(jìn)行抗震設(shè)計。

3) 對于橋面連續(xù)簡支梁橋，墩梁搭接長度按照連續(xù)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(yīng)加強(qiáng)施工質(zhì)量控制，確保橋梁達(dá)到設(shè)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(yīng)與橋墩及梁體得到有效連接等。

5) 我國橋梁建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，橋梁的抗震技術(shù)和減隔震裝置也得到快速發(fā)展。在使用減隔震裝置時，應(yīng)注重新產(chǎn)品和新技術(shù)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(guān)產(chǎn)品，在使用前應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的試驗檢測，達(dá)到相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)要求后，方可采用。

4 結(jié)束語

JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》吸收了近年來橋梁抗震的成熟研究成果，彌補(bǔ)了08細(xì)則的一些不足，可操作性大幅增強(qiáng)，達(dá)到了當(dāng)前國際先進(jìn)水平。在使用過程中，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇對抗震有利的橋位和合理的結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)注重橋梁抗震設(shè)計中的概念設(shè)計和局部構(gòu)造措施，以及施工質(zhì)量的控制，確保橋梁達(dá)到設(shè)計的抗震能力。