唐光武, 鄭萬(wàn)山, 劉海明
(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司, 重慶 400067;2.橋梁工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)細(xì)則》同時(shí)廢止。本文對(duì)我國(guó)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的發(fā)展歷程、2020年版《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的修訂情況以及使用中的注意事項(xiàng)作簡(jiǎn)要介紹。
1977年以前,我國(guó)沒(méi)有頒布專門(mén)的公路橋梁抗震設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)供設(shè)計(jì)人員參考。1959年,中國(guó)科學(xué)院土木建筑研究所受國(guó)家建委的委托,參考1957蘇聯(lián)CH-8-57規(guī)范編寫(xiě)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(gè)土建領(lǐng)域,其抗震設(shè)計(jì)方法主要是采用靜力法,沒(méi)有涉及動(dòng)力學(xué)抗震方法,后因國(guó)家建委在1959年被撤銷,故擱置了該草案。1964年,由中國(guó)科學(xué)院工程力學(xué)研究所組織編寫(xiě)了《地震區(qū)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》草案稿,供設(shè)計(jì)人員參考,該草案采用了當(dāng)時(shí)國(guó)際先進(jìn)的抗震計(jì)算方法——反應(yīng)譜法[1-4]。
1959年和1964年,我國(guó)2次編制的地震區(qū)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范草案稿都未正式頒發(fā),對(duì)橋梁抗震設(shè)計(jì)只起到指導(dǎo)和參考作用。1966年邢臺(tái)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(duì)震害的認(rèn)識(shí)也逐步提高,同時(shí)積累了較為豐富的地震經(jīng)驗(yàn)。交通部于1977年頒布實(shí)施了我國(guó)第一部《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(試行)[5],行業(yè)內(nèi)一般簡(jiǎn)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(jì)規(guī)定,對(duì)地震荷載、抗震強(qiáng)度與穩(wěn)定性驗(yàn)算、抗震構(gòu)造措施等進(jìn)行了規(guī)定。
1989年,交通部頒布實(shí)施了修訂版的JTJ 004—89《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[6],簡(jiǎn)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(jì),適用范圍擴(kuò)大到所有公路工程。對(duì)地震荷載、抗震強(qiáng)度與穩(wěn)定性驗(yàn)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(méi)有分級(jí)設(shè)防和分階段設(shè)計(jì)的理念,沒(méi)有采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法,基本還是采用抗震強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算的設(shè)計(jì)方法,未對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的延性能力進(jìn)行驗(yàn)算和復(fù)核,也沒(méi)有采用能力保護(hù)原則對(duì)基礎(chǔ)、蓋梁和支座等進(jìn)行設(shè)計(jì)。進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮時(shí)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(xiàng)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(jì)烈度的方法,避免了成倍地提高或降低地震計(jì)算荷載的缺陷。
由于橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)與公路其他構(gòu)筑物具有明顯不同的特點(diǎn),有必要針對(duì)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)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(jì)細(xì)則》[7],簡(jiǎn)稱08細(xì)則。08細(xì)則共有11章和4個(gè)附錄。08細(xì)則從適用范圍、抗震設(shè)計(jì)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(guò)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(jì)的適用范圍,由規(guī)則橋梁擴(kuò)展到非規(guī)則橋梁,針對(duì)特殊梁橋的抗震復(fù)雜性,08細(xì)則也給出了抗震設(shè)計(jì)原則;針對(duì)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(jì)理念
08細(xì)則采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)理念,橋梁抗震設(shè)防分為2個(gè)水準(zhǔn),并對(duì)應(yīng)2個(gè)階段的抗震設(shè)計(jì)。第一設(shè)防水準(zhǔn)采用E1地震作用,是彈性抗震設(shè)計(jì);第二設(shè)防水準(zhǔn)采用E2地震作用,是延性抗震設(shè)計(jì),并采用能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)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(jì)理念和方法來(lái)講,08細(xì)則由原來(lái)的僅強(qiáng)度抗震設(shè)計(jì)修改為強(qiáng)度和延性雙指標(biāo)的抗震設(shè)計(jì)。對(duì)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(lái)。因此通過(guò)第1階段橋梁抗震計(jì)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(guó)內(nèi)外已有工程和我國(guó)的實(shí)際情況確定的。通過(guò)第二設(shè)防水準(zhǔn)的抗震設(shè)計(jì),即采用E2地震作用的延性設(shè)計(jì),來(lái)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(guò)第二設(shè)防水準(zhǔn)的抗震驗(yàn)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(guò)能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)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(huì)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(jì)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(jì)理念和設(shè)計(jì)方法等方面緊跟國(guó)際抗震前沿技術(shù),其整體水平處于領(lǐng)先地位。自實(shí)施以來(lái),08細(xì)則對(duì)推動(dòng)我國(guó)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)步和提升我國(guó)橋梁工程設(shè)計(jì)人員抗震理念、設(shè)計(jì)能力等方面發(fā)揮了重要作用[8]。
2008年“5·12”汶川地震以來(lái),我國(guó)在橋梁結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)方面開(kāi)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(yàn)。同時(shí),在08細(xì)則使用過(guò)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(jì)理念。為了適應(yīng)和提高我國(guó)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)需求及水平,交通運(yùn)輸部2014年立項(xiàng)對(duì)08細(xì)則進(jìn)行修訂,并于2020年9月發(fā)布實(shí)施了JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[9],簡(jiǎn)稱20規(guī)范。
20規(guī)范重點(diǎn)考慮了與現(xiàn)行橋梁設(shè)計(jì)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(jì)。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(diǎn)進(jìn)行專門(mén)研究和設(shè)計(jì)。20規(guī)范在總結(jié)08細(xì)則不足的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國(guó)近年來(lái)的抗震技術(shù)成果以及國(guó)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(jì)方法的可操作性更強(qiáng)。
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(jì)的總體技術(shù)思路。根據(jù)我國(guó)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(duì)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(gè)抗震設(shè)防類別,對(duì)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(kāi)展的相關(guān)研究課題的成果制定的,相關(guān)研究對(duì)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(jì)分析,不僅對(duì)震害機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析研究,還對(duì)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(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》的地震作用常數(shù)由原來(lái)的2.25調(diào)整為2.5,為與國(guó)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(duì)橋梁抗震性能提出了更高的要求。
公路橋梁抗震設(shè)計(jì)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(yàn)算延性構(gòu)件的強(qiáng)度抗震能力;抗震設(shè)計(jì)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(yàn)算延性構(gòu)件的變形(位移)能力。同時(shí),采用能力保護(hù)構(gòu)件計(jì)算方法,對(duì)基礎(chǔ)、承臺(tái)、蓋梁、主梁、支座等進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算,保證不先于延性構(gòu)件進(jìn)入屈服狀態(tài)。對(duì)采用減隔震體系的橋梁,主要驗(yàn)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(jì)的橋梁,對(duì)A類橋梁,第一設(shè)防水準(zhǔn)對(duì)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(duì)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(duì)所有交通開(kāi)放。對(duì)采用延性體系抗震設(shè)計(jì)的B類、C類橋梁,第一設(shè)防水準(zhǔn)對(duì)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(duì)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(shí)加固后可供抗震救援的應(yīng)急交通使用;對(duì)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(duì)應(yīng)的性能目標(biāo)同A類橋;對(duì)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]。
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(jì)的相關(guān)內(nèi)容,增加了連續(xù)梁橋聯(lián)內(nèi)各個(gè)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(guò)大,致使大剛度橋墩承受地震力過(guò)于集中的缺陷。如果大剛度矮墩(矮墩)承受過(guò)大地震力,有可能會(huì)產(chǎn)生剪切破壞等震害,從而引起整座橋梁垮塌。
2) 場(chǎng)地、地基和基礎(chǔ)
20規(guī)范保持和GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]一致,將I類場(chǎng)地細(xì)分為I0、I1兩個(gè)亞類。對(duì)樁基礎(chǔ)驗(yàn)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(guó)家抗震設(shè)防的大政方針一致,設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜的計(jì)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(jì)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(chǎng)地系數(shù)來(lái)確定豎向地震作用。此次修訂,將豎向設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的圖形和公式進(jìn)行修訂,使水平向設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的圖形與公式一致,采用了不同場(chǎng)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(chǎng)地系數(shù)與Ⅱ場(chǎng)地水平向反應(yīng)譜最大值對(duì)應(yīng)。20規(guī)范豎向反應(yīng)譜的場(chǎng)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(xiàng)專題研究的結(jié)果歸納的,表達(dá)了場(chǎng)地條件對(duì)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(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)NGA-west2,該數(shù)據(jù)庫(kù)含有607次地震中觀測(cè)記錄的21 539組加速度時(shí)程。地震數(shù)據(jù)以美國(guó)西部占多數(shù),也含有我國(guó)汶川地震、我國(guó)臺(tái)灣集集地震以及日本、意大利、新西蘭、墨西哥等國(guó)的4.2~7.9級(jí)地震的觀測(cè)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(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)的4 435組記錄,統(tǒng)計(jì)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(chǎng)地系數(shù)、表5.2.3-2中的特征周期值確定的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜與統(tǒng)計(jì)的平均譜的比較,說(shuō)明20規(guī)范對(duì)豎向地震作用的規(guī)定反映了地震動(dòng)反應(yīng)譜的平均特征,有一定的安全冗余度,在長(zhǎng)周期段尤其是安全的[12-15]。
對(duì)動(dòng)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(jì)算,對(duì)深水橋墩的計(jì)算更為可靠。
4) 抗震分析及驗(yàn)算方法
為了使抗震分析方法更適合工程設(shè)計(jì)人員使用,20規(guī)范對(duì)橋梁延性抗震計(jì)算方法進(jìn)行了大幅變更。為降低橋梁進(jìn)入塑性后的計(jì)算難度,20規(guī)范縮減了必須采用非線性時(shí)程分析方法的范圍,相應(yīng)地?cái)U(kuò)充了線彈性計(jì)算的適用范圍。橋梁抗震設(shè)計(jì)的第2階段,對(duì)于按線彈性方法計(jì)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(duì)鋼筋混凝土墩柱潛在塑性鉸區(qū)域的抗剪能力計(jì)算公式進(jìn)行了修訂,改變了08細(xì)則過(guò)于保守的設(shè)計(jì)方法[12]。
5) 細(xì)化減隔震體系的設(shè)計(jì)要求
20規(guī)范從減隔震體系橋梁設(shè)計(jì)理念和計(jì)算分析方法做了較大幅度的修訂,新增了減隔震體系的簡(jiǎn)化計(jì)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(jì)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(jí)概念
由原來(lái)的地震烈度表達(dá)的措施等級(jí)變更為1級(jí)~4級(jí),以便理解更加直觀。墩梁搭接長(zhǎng)度計(jì)算公式考慮了墩高、跨徑和連續(xù)梁聯(lián)長(zhǎng)的影響,并將搭接長(zhǎng)度計(jì)算公式的適用范圍由簡(jiǎn)支梁橋擴(kuò)大到連續(xù)梁橋,較08細(xì)則更科學(xué)合理。
在使用20規(guī)范進(jìn)行橋梁抗震設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)注意以下事項(xiàng)。
1) 與相關(guān)規(guī)范配套使用。20規(guī)范使用過(guò)程中應(yīng)與最新的《公路橋涵設(shè)計(jì)》《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》等規(guī)范配套使用。在采用橋梁設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行抗震驗(yàn)算時(shí),材料取用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度或者設(shè)計(jì)強(qiáng)度要嚴(yán)格按照20規(guī)范執(zhí)行。
2) 從國(guó)內(nèi)外橋梁震害來(lái)看,近斷裂帶區(qū)域的橋梁震害較為突出,對(duì)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(píng)價(jià)給出考慮了近斷裂效應(yīng)的地震動(dòng)參數(shù),并據(jù)此進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。
3) 對(duì)于橋面連續(xù)簡(jiǎn)支梁橋,墩梁搭接長(zhǎng)度按照連續(xù)梁考慮,各個(gè)橋墩與梁之間的搭接長(zhǎng)度均需滿足公式計(jì)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(jì)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(guó)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(shí),應(yīng)注重新產(chǎn)品和新技術(shù)的功能性檢驗(yàn),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(yàn)檢測(cè),達(dá)到相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)要求后,方可采用。
JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》吸收了近年來(lái)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(guó)際先進(jìn)水平。在使用過(guò)程中,應(yīng)根據(jù)具體情況選擇對(duì)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(jì)中的概念設(shè)計(jì)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(jì)的抗震能力。