城市橋梁抗震的中日設(shè)計(jì)規(guī)范比較

林 康，王德鈞

（大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116000）

0 引言

20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，日本橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范經(jīng)歷多次改訂，全國(guó)范圍內(nèi)抗震設(shè)防水準(zhǔn)迅速提高。本文結(jié)合日本規(guī)范變遷對(duì)中日兩國(guó)規(guī)范進(jìn)行分析對(duì)比，以期提供參考借鑒。

1 兩國(guó)規(guī)范的比較

同我國(guó)一樣，日本城市橋梁的抗震規(guī)范也是大量引用公路橋梁抗震規(guī)范的規(guī)定，本文僅對(duì)涉及城市橋梁的部分進(jìn)行說(shuō)明。

1.1 地震作用

在地震作用方面的對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 地震作用的比較

（1）日本的設(shè)計(jì)地震加速度很大，頻譜范圍很寬。即使是我國(guó)高烈度地區(qū)高等級(jí)橋梁，在特定頻譜范圍內(nèi)罕遇地震的加速度也有小于日本多遇地震的情況[5]。

（2）在日本的道路構(gòu)造令[6]中，城市道路為第二種（快速路）和第四種（一般市政道路）。一般市政道路又按照級(jí)別（國(guó)道、縣道、市道）和計(jì)劃交通量分為多種等級(jí)，快速路也有多個(gè)等級(jí)。但在抗震設(shè)計(jì)中城市橋梁均為B 種橋（抗震設(shè)計(jì)上特別重要的橋），采用相同的抗震設(shè)防水準(zhǔn)。

（3）巖石等堅(jiān)硬場(chǎng)在多遇地震下抗震條件好一些，但是在罕遇地震時(shí)堅(jiān)硬場(chǎng)地上有著更大的地震作用。日本不按地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期分區(qū)（不分組），每座橋梁都要針對(duì)遠(yuǎn)源強(qiáng)震和近源強(qiáng)震分別進(jìn)行抗震分析。日本兩種類(lèi)型的罕遇地震均為堅(jiān)硬場(chǎng)地比軟弱場(chǎng)地的地震作用更大。警惕堅(jiān)硬場(chǎng)地橋梁結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的破壞。

1.2 抗震分析體系

在抗震分析體系上的對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 抗震分析體系的比較

（1）超設(shè)計(jì)地震發(fā)生時(shí)，支座先于下部結(jié)構(gòu)被破壞。被破壞后的支座凹凸不平，日本抗震規(guī)范中滑動(dòng)支座的摩擦系數(shù)高達(dá)0.5。

（2）連續(xù)梁橋順橋向單點(diǎn)固定容易造成固定支座處水平地震力過(guò)分集中。我國(guó)很多盆式固定支座和球形固定支座的水平承載力僅有豎向標(biāo)稱(chēng)荷載的10%～15%，而日本即使是水平力分散支座，支座的水平承載力和與上下部結(jié)構(gòu)間的錨固非常強(qiáng)大[8]。采用水平力分散方案可以把上部結(jié)構(gòu)的水平質(zhì)量較為均勻地傳遞到下部各結(jié)構(gòu)，對(duì)抗震有利。

（3）支座橫橋向的約束條件不同。我國(guó)為釋放溫度變化等產(chǎn)生的超靜定力，一條支承線上多采用橫橋向單點(diǎn)固定、其余支座滑動(dòng)的模式。日本即使在以前使用固定滑動(dòng)支座的年代，也沒(méi)有橫橋向滑動(dòng)的支座類(lèi)型。一方面，墩柱具有一定的水平剛性，并不會(huì)完全限定上部結(jié)構(gòu)的水平變形。另一方面，墩柱同樣受到溫度變化作用，與上部結(jié)構(gòu)存在相同的變形趨勢(shì)。另外，即使是固定支座的橫橋向，也存在微小變形能力?；谝陨先c(diǎn)考慮，支座在橫橋向上均為固定，一條支承線上的多個(gè)支座共同分擔(dān)橫橋向水平力。

（4）擋塊與支座的配合。對(duì)于既有橋梁的舊型支座，在E2 地震下已經(jīng)發(fā)生破壞，損壞后的支座模型難以精確模擬。日本在1996 版抗震規(guī)范[7]中規(guī)定，擋塊的設(shè)計(jì)作用力為3 khRd（kh為多遇地震的設(shè)計(jì)水平震度，Rd為支座的恒載）。在2002 版、2012 版、2017 版規(guī)范中已全面要求支座自身須滿足E2 地震承載力的要求。

1.3 抗震分析

在抗震分析手段上的對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 抗震分析的比較

E2 地震作用下對(duì)結(jié)構(gòu)的影響控制在彈性范圍內(nèi)幾乎是不可能的事情，而E2 工況往往是決定工況，反應(yīng)譜、功率譜法不宜直接用于非線性分析，限定了此類(lèi)方法的應(yīng)用；推倒分析不能同時(shí)考慮支座減隔震和墩柱塑形鉸等多種非線性因素的共同影響作用。非線性時(shí)程分析可以同時(shí)考慮多種非線性耗能要素，是日本橋梁抗震設(shè)計(jì)中一種普遍應(yīng)用的設(shè)計(jì)手段。日本設(shè)計(jì)規(guī)范中給出了各種場(chǎng)地條件下各種地震在地基位置處的加速度反應(yīng)譜和與這些反應(yīng)譜完全對(duì)應(yīng)的地震波時(shí)程，為時(shí)程分析的普遍應(yīng)用提供了便利條件。我國(guó)非線性時(shí)程分析的應(yīng)用范圍有望擴(kuò)大。

1.4 鋼筋混凝土墩柱配筋

在混凝土墩柱配筋風(fēng)格上的對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 墩柱潛在塑性區(qū)配筋比較

比起配筋效率，墩柱對(duì)耐久性的要求更高，日本的保護(hù)層很厚。即使采用同等程度的縱向鋼筋，日本的箍筋更強(qiáng)。墩柱的塑性變形能力取決于箍筋對(duì)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。拉筋套在主筋上與拉筋套在箍筋上（見(jiàn)圖1）對(duì)于抗剪效果是一樣的，但是對(duì)核心混凝土的拘束作用有很大的不同。

圖1 不同拉筋設(shè)置方式對(duì)核心混凝土套箍作用的示意

1.5 梁端伸縮間隙

梁端伸縮縫間隙的比較，見(jiàn)表5。

表5 梁端伸縮縫間隙的比較

地震時(shí)相鄰上部結(jié)構(gòu)間或上下部結(jié)構(gòu)間的碰撞具有高度的非線性，分析模型中難以模擬，所以要求伸縮縫在E2 地震下不發(fā)生碰撞。日本規(guī)范對(duì)所有橋梁梁端伸縮縫有此要求，我國(guó)對(duì)斜拉橋、懸索橋、單跨跨徑超過(guò)150 m的梁橋和拱橋等特殊橋梁有此要求，大量常規(guī)規(guī)則橋梁梁端伸縮縫的間隙較小，不能滿足E2 地震時(shí)主梁不發(fā)生碰撞的要求。地震時(shí)有可能逐聯(lián)碰撞落梁。

1.6 抗震措施

日本的防落梁系統(tǒng)包括梁搭接長(zhǎng)、防落梁裝置等。與舊型支座配合的擋塊、銷(xiāo)釘?shù)妊b置在日本舊版規(guī)范[7]中曾被視為防落梁系統(tǒng)的一部分。

1.6.13 道獨(dú)立防線

日本防落梁系統(tǒng)有3 道獨(dú)立的防線：

（1）E2 地震為止的地震力支座自身可抵抗。與舊型支座配合的抗震銷(xiāo)、擋塊等可視為支座的一部分。這些結(jié)構(gòu)限制移動(dòng)量和支座的移動(dòng)與回轉(zhuǎn)性能相符合。

（2）超E2 地震時(shí)，支座自身或錨固裝置被破壞后，落梁防止裝置開(kāi)始發(fā)揮作用。作為第二道防線的落梁防止裝置的結(jié)構(gòu)有緩沖鏈、鋼絞線、擋塊等，雖然機(jī)能和形式與配合支座水平承載力的擋塊等有一定的類(lèi)似性，但是設(shè)計(jì)水平力和開(kāi)始發(fā)揮作用的時(shí)機(jī)并不相同。防落梁裝置在相對(duì)變位量達(dá)到75%梁搭接長(zhǎng)時(shí)開(kāi)始發(fā)揮作用。設(shè)計(jì)水平力為1.5 倍上部結(jié)構(gòu)恒載反力或下部結(jié)構(gòu)的水平承載力。日本2017 版抗震規(guī)范[1]有對(duì)一些不容易落梁的橋型的第二道防線可以省略的規(guī)定，如采用兩基以上的下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)剛接等條件時(shí)可省略落梁防止裝置。但僅橋面相連的結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計(jì)上不能看作連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，而且連續(xù)梁端部省略落梁防止裝置也有諸多限制條件。我國(guó)抗震規(guī)范[4]中僅對(duì)橋面不連續(xù)的簡(jiǎn)支梁橋規(guī)定了落梁防止措施。

（3）防落梁系統(tǒng)的前兩道防線都被突破后，最后一道防線是梁搭接長(zhǎng)，但是僅設(shè)最后一道防線并不能起到應(yīng)有的效果。

1.6.2橫橋向傾覆失穩(wěn)

直橋橫橋向同樣存在落梁的可能性（見(jiàn)圖2）。日本規(guī)范[1]規(guī)定，在橫橋向發(fā)生相當(dāng)于順橋向梁搭接長(zhǎng)的上下部相對(duì)錯(cuò)位時(shí)，須保證橋梁體系的安定性。我國(guó)一些城市高架橋的墩柱沒(méi)有蓋梁，橫橋向?qū)挾容^窄，防傾覆失穩(wěn)性能較弱。

圖2 橫橋向發(fā)生位移時(shí)體系不安定的示例

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比中日兩國(guó)規(guī)范，以下問(wèn)題值得進(jìn)一步研究。

（1）支座水平承載力有待強(qiáng)化，擋塊等限位裝置應(yīng)具有足夠的承載力和適當(dāng)?shù)奈灰屏俊?/p>

（2）連續(xù)梁?jiǎn)吸c(diǎn)固定方案對(duì)抗震不利，橫橋向設(shè)置滑動(dòng)支座的必要性有待考證。

（3）鋼筋混凝土墩柱的套箍作用宜有所強(qiáng)化。

（4）僅橋面連續(xù)主梁未連續(xù)等形式的橋梁的抗震措施應(yīng)包括多道防落梁防線。

（5）橫橋向?qū)挾容^窄的墩柱結(jié)構(gòu)存在傾覆失穩(wěn)可能性。