中欧桥梁抗震设计规范有关条文的比较与研究 27页

中欧桥梁抗震设计规范有关条文的比较与研究-1-中欧桥梁抗震设计规范有关条文的比较与研究1陆本燕，刘伯权长安大学建筑工程学院，西安(710061)摘要：《公路桥梁抗震设计细则》的颁布实施引起国内外学者的广泛兴趣与关注。对《公路桥梁抗震设计细则》和欧洲规范8(Eurocode8)_桥梁抗震设计中，抗震设防目标、抗震设防分类、反应谱和地震作用进行比较和研究。研究表明，两者在抗震设防目标、抗震设防分类和反应谱方面具有相似性;在地震力折减方面有很大不同;最后指出采用不同地震力折减方式存在的不足，指出需要进一步研究的问题。关键词：桥梁工程;抗震;设计规范;抗震设防目标;抗震设防分类;反应谱;地震作用中图分类号：U442.55 1．引言《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/TB02-01-2008）（以下简称《08细则》）,作为公路工程行业推荐性标准，自2008年10月1日起实行，原《公路工程抗震设计规范》（JTJ004-89）（以下简称89规范）中相应部分同时废止。《08细则》在抗震设计理念和思路、地震作用取值、抗震设计方法等方面相对于《公路工程抗震设计规范》（JTJ004-89）有了很大不同和改进之处。在工程领域，欧洲规范是具有影响力和权威性的国际性规范。1975年欧共体委员会（CommissionoftheEuropeanCommunity，简称CEC）开始编制一套结构设计技术规范“欧洲规范”，以逐步取代各成员国的规范，解决欧洲各国在土木工程设计方面互不一致而导致各成员国在工程界形成的人为障碍，促进技术共同进步与欧洲工程市场的发展。1989年CEC将欧洲规范编制工作交给欧洲标准化委员会（EuropeanCommitteeStandardization）负责[1]。 经过30多年的发展，欧洲规范由试行版本发展为正式规范。目前，欧洲规范包括十部分内容，其中，Eurocode8是关于结构抗震的规范。Eurocode8包括六部分内容，其中第二部分是关于桥梁抗震的规范，现行的版本是2005版（以下简称EC8_2）。各国抗震设计规范中各类规定的有效性不断接受各种形式的检验，并不断修订、充实和优化得到逐步提高。其中，结构经历强震后的震害程度是最有效的检验方式。但我国除台湾地区外，有抗震设防要求的大部分地区在结构设计使用期内接受强震检验的机会很少。在这种情况下，与经历强震检验相对较多、理论及经验较为成熟的国家和地区的抗震设计规范进行比较，不失为一种对我国规范抗震设防效果的间接评价方法。我国是一个幅员辽阔的国家，地震区分布广泛，地质条件差异大，并且各地区经济水平发展不平衡，抗震规范的制定需要考虑这些因素;欧洲规范既考虑了统一的必要性、又考虑了欧盟各国地震区的差异性，这方面很值得我们借鉴。基于以上两个原因，本文希望通过对我国《08细则》和EC8_2在抗震设防目标、抗震设防分类、反应谱、地震作用等方面的一些比较分析，给我国从事桥梁工程抗震的设计和研究 人员提供一些参考和借鉴。2．EC8_2和《08细则》抗震设防目标的比较欧洲规范EC8_2采用的两水准抗震设防目标是：1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20060710004）的资助。//.paper.edu.cn中国科技论文在线-2-⑴不倒塌要求：当遭遇50年内超越概率10%（重现期475年）的设计地震作用时，结构应设计和建造成能抵御设计地震作用，无局部或整体倒塌，并在地震后能够继续保持结构的整体性和一定的残余承载力。⑵限制破坏要求：当遭遇10年内超越概率10%（重现期95年）的地震作用时，结构应设计和建造成能抵御该地震作用，无损坏和使用上受限的情况发生，地震造成的经济损失远小于工程成本。 以上列出的设防水准是EC8推荐值，EC8允许各成员国根据本国对地震灾害危险性的判断和经济水平来调整抗震设防水准。我国《08细则》采用的抗震设防目标是：⑴不倒塌要求：当遭遇50年内超越概率10%（重现期475年）的设计地震作用（简称E2地震作用）时，应保证不致倒塌或产生严重结构损伤，经临时加固后可供维持应急交通使用。⑵限制破坏要求：当遭遇50年内超越概率63%（重现期50年）的地震作用（简称E1地震作用）时，结构一般不受损伤或不需修复可继续使用。从以上比较可以看出，EC8_2和《08细则》都是采用两水准抗震设防目标。两者对“不倒塌要求”的抗震设防水准相同，设防目标基本相同;EC8_2“限制破坏要求”与《08细则》“限制破坏要求”相比，设防目标基本相同，但设防水准较高，因此，EC8_2“限制破坏要求”较《08细则》“限制破坏要求”更为严格。但是，相对于已废止的89规范，《08细则》在抗震设防水准方面，从89规范单一的抗震设防水准转变为两水准抗震设防，可以说具有重大意义： 首先，解决了早已被大量桥梁震害所证实的单一的强度设防无法保证桥梁结构具有令人满意的抗震性能;其次，有利于我国桥梁抗震设计规范与国际接轨，方便我国工程人员参与国际工程项目;还有，有利于基于性能抗震设计方法在桥梁结构的应用。3．EC8_2和《08细则》桥梁抗震设防分类的比较EC8_2根据重要性程度建议将桥梁分为三个设防类别。《08细则》从我国具体情况以及我国桥梁近10多年的发展出发，本着确保重点和节约投资的原则，根据重要性程度将桥梁分为四个设防类别。EC8_2和《08细则》中各桥梁抗震设防类别适用范围及抗震重要性系数列于表1。表1EC8_2和《08细则》中各桥梁抗震设防类别适用范围及抗震重要性系数Tab1ImportantcoefficientandscopeofimplicationofseismicdesigncategoriesEC8_2《08细则》抗震重要性系数桥梁抗震设防 类别适用范围抗震重要性系数桥梁抗震设防类别适用范围E1地震作用E2地震作用A类单跨跨径超过150m的特大桥1.01.7Ⅲ类对于维持交通通行来说是非常重要的桥梁，尤其震后救灾的生命线工程;桥梁的失效可能造成大量的灾难性破坏;设 计使用期大于Ⅱ类的桥梁1.3B类单跨跨径不超过150m的高速公路、一级公路上的桥梁;单跨跨径不超过150m的二级公路上的特大桥、大桥0.43（0.5）1.3（1.7）Ⅱ类一般公路和铁路桥梁（Ⅰ类和Ⅲ类之外桥梁）1.0C类二级公路上的中桥、小桥;单跨跨径不超过 150m的三、四级公路0.341.0//.paper.edu.cn中国科技论文在线-3-上的特大桥、大桥Ⅰ类不是关键性交通通行的桥梁;采用重现期为475年的设计地震作用或50年的设计使用期被认为不是经济合理的0.85D类三、四级公路上的中桥、小桥0.23——注：《08细则》中高速公路和一级公路上的大桥、特大桥，其抗震重要性系数取B类括号内的值 从表1可以看出，EC8_2和《08细则》都是根据倒塌可能造成的经济损失及人员伤亡、地震后是否需要立即维持正常交通通行将桥梁进行抗震重要性分类。EC8_2的桥梁抗震设防分类过于定性化，工程人员难于判断桥梁抗震设防分类;《08细则》的桥梁抗震设防分类较EC8_2定量化一些，工程人员容易进行抗震设防分类。但是，EC8_2和《08细则》对于桥梁抗震设防分类，总体来说，还是过于定性化，没有考虑非结构性因素对抗震设防分类的影响，比如桥梁支撑通信、水、电和天然气等管线通过，这些非结构性因素对震后救灾具有很大影响[2-3]。因此，上面EC8_2和《08细则》抗震设防分类不利于基于性能抗震设计思想和方法的发展与实施。4．EC8_2和《08细则》关于反应谱和地震作用的比较首先需要说明，EC8_1是EC8的第一部分，主要关于结构抗震设计的基本原则、地震作用和建筑结构的抗震设计原则[1];EC8_2是EC8的第二部分，主要关于桥梁抗震设计[4]。EC8_1给出了EC8_2地震作用的弹性反应谱Se(T)。地震作用分为水平分量和竖向分量。其中，地震作用水平分量的弹性反应谱Se(T)按下面的公式定义： 0BTT≤≤：()()12.51egBTSTaSTη????=????+??????????????⑴BCTTT≤≤：()2.5egSTaSη=??????⑵CDTTT≤≤：()2.5CegTSTaSTη????=??????????????⑶4DTTs≤≤：()22.5CDegTTSTaSTη??????=??????????????⑷式中：()eST为弹性反应谱;T为线性单自由度体系的自振周期;ga为A类场地的地面设计加速度峰值;其中，gIgRaaγ=??，gRa是地面峰值加速度，Iγ是抗震重要性系数;BT，CT分别为加速度谱常数段的下限和上限周期;DT为加速度谱中常位移反应的起始周期;S为土系数，与场地类别有关，场地越软、S越大，A类场地时1.0S=;η 为阻尼修正系数，粘滞阻尼比为5%时1η=，其它为()1050.55ηξ=+≥;EC8_1以加速度的形式给出弹性反应谱，并假定不同水准的地震弹性反应谱形状相同。考虑到结构非弹性变形对结构抗震的有利作用，EC8_1以弹性反应谱为基础，引入性能系数q，将弹性反应谱折减后得到用于计算地震作用的设计反应谱Sd(T)。性能系数q是反应结构延性的参数，延性越大的结构性能q值也越大。设计反应谱Sd(T)按下面公式定义：0BTT≤≤：()22.5233dgBTSTaSTq????????=????+????????????????????⑸//.paper.edu.cn中国科技论文在线-4- BCTTT≤≤：()2.5dgSTaSq=????⑹CDTTT≤≤：()2.5CgdgTaSqTSTaβ??????=????????????????????≥????⑺DTT≤：()22.5CDgdg TTaSqTSTaβ??????=????????????????????≥????⑻式中：()dST为设计反应谱;ga，BT，CT，DT，S的意义同弹性反应谱;q为性能系数;β为水平设计反应谱的下限系数，建议0.2β=;《08细则》设计加速度反应谱也分为水平设计加速反应谱和竖向设计加速反应谱。其中，水平设计加速度反应谱按下面的公式定义：()()maxmaxmax 5.50.450.10.1gggSTTsSSsTTSTTTT????+<????=≤≤??????>????⑼式中：S为水平设计加速度反应谱;gT为特征周期;T为结构自振周期;maxS为水平设计加速度反应谱最大值;水平设计加速度反应谱最大值Smax由下式确定：max2.25isdSCCCA=????????⑽式中：iC为抗震重要性系数;sC为场地系数;dC为阻尼调整系数;其中，0.0510.550.061.7dCξξ ??=+≥+确定;A为水平向设计基本地震动加速度峰值;为了对EC8_2和《08细则》的反应谱进行直观比较，以设计基本加速度峰值0.2g（对应我国设防烈度8度）、Ⅱ类场地（对应欧洲场地划分为B、C类[5]，在这里取B类）、抗震重要性系数取1.0（即EC8_2按Ⅱ类桥梁考虑，《08细则》按C类桥梁考虑）、阻尼比0.05为例，绘制四条反应谱如图1所示。其中，EC01和EC02分别对应EC8_1中B类场地的类型1和类型2弹性反应谱;CC1和CC2分别对应我国《08细则》中E2地震作用下第一组和第三组地震分组的Ⅱ类场地反应谱。图1仅是反应谱本身的比较，并不直接反应地震作用的大小。//.paper.edu.cn中国科技论文在线-5-0123456789100.0 0.10.20.30.40.50.60.7加速度反应谱/g 自振周期/sCC1CC2EC01EC02图1相同地面加速度峰值下EC8_2和《08细则》反应谱的比较Fig1ComparisonofresponsespectrumatsamepeakaccelerationbetweenguidelinesforseismicdesignofhighwaybridgesandEurocode8由图1可以看出，就弹性反应谱而言：⑴EC8_2与《08细则》反应谱具有相似的形状，都有上升段、水平段和下降段;⑵EC8_2反应谱周期到4s截止，《08细则》反应谱到10s截止;⑶相同条件下，EC8_2反应谱平台高度大于《08细则》反应谱平台高度，EC01和EC02分别是《08细则》反应谱1.33和1.5倍; ⑷相同条件下，反应谱平台宽度EC801和CC2相同最大、CC1居中、EC02最短;⑸相同条件下，对于CC1，在周期3.5s以内，EC01反应谱比其取值大，周期3.5s以后，两者大致相同;对于CC2，在周期3s以内，EC01反应谱比其取值大，周期3s以后，相反;⑹相同条件下，在周期0.38s以内，EC02反应谱比CC1和CC2反应谱取值大;对于CC1，周期在0.38s至1.25s，两者大致相同，1.25s至后，EC02反应谱比CC1反应谱取值小;对于CC2，周期0.38s以后，EC02反应谱比CC2反应谱取值小;地震作用的取值是抗震设计的基础，各国的抗震设计规范中关于地震作用的描述一般均采用设计反应谱的形式，它的确定与抗震设防水准，设防目标有关。而结构地震效应的计算和最终的构件截面设计，除了与地震作用的取值有关之外，还与地震区划、荷载组合、材料强度取值、抗力的计算等有关。各国的抗震设计规范依据本国的结构类型、技术发展水平和经济实力，同时沿袭传统习惯来制定相应的条文[6]。因此，简单地从某一点出发来进行地震 作用大小比较，判断其安全与否，是不合适的。因而，本文只对地震作用作定性的比较。我国89规范采用基于设计地震水准的单水准设防目标，即在设防烈度水准上（中震）进行结构强度设计，通过综合影响系数Cz将地震作用折减[7]，其取值主要根据我国70年代发生的几次大震中不同桥梁结构体系震害的经验。因此，“综合影响系数”概念掩盖了对钢筋混凝土墩柱延性的内在要求：一方面设计地震力大大折减，而另一方面又没有具体措施来保证这种折减[8]。《08细则》考虑了与89规范中桥梁抗震设防性能目标要求的延续性和一致性的基础上，采用两阶段设计：第一阶段的抗震设计，采用弹性抗震设计，即在设防烈度水准上（中震）进行结构强度设计，通过抗震重要性系数Ci将地震作用折减;第二阶段的抗震设计，采用延性抗震设计方法，并引入能力保护设计原则[9]。EC8_2是在“设防地震”水准（对应于我国中震）进行结构设计的。EC8_2对不同类型结构采用不同的值，使得相同条件下，不同类型结构采用不同地震作用进行设计。也就是说，//.paper.edu.cn中国科技论文在线 -6-在“设计地震力-延性”联合准则的基础上，延性较好的结构可以取用较小的地震作用进行强度设计，地震作用下较早进入塑性，依靠延性和耗能来保证结构屈服后承载力;延性较差的结构取用较大的地震作用进行强度设计，地震作用下进入塑性较晚，对延性依赖较小;完全的脆性结构，其地震作用不折减，按弹性反应谱进行强度设计，地震作用下结构保持弹性，完全依靠强度抵御地震作用。《08细则》实际采用的是考虑结构非弹性变形能力特性折减后的地震作用来进行结构抗震承载力计算，而结构的非弹性变形能力则通过延性抗震设计和能力保护设计原则来保证。按抗震重要性系数Ci来调整折减后地震作用的大小（E1地震作用），在抗震重要性系数Ci中隐含了地震力降低系数R。对于同一重要性设防类别的桥梁结构，可能采用不同结构类型和材料，其抗震性能和塑性变形能力存在很大差异，而规范采用同一的抗震重要性系数Ci，即所有结构类型和材料的地震力降低系数R 取相同的值。因此，按《08细则》进行桥梁结构设计时，所有结构将在同一地震水准下进入塑性，对于延性较好的结构进入塑性后仍可以依靠延性耗能继续抵抗增大的地震作用;对延性较差的结构进入塑性后将很快破坏。也就是说，对于延性较好结构，设计可能过于保守;延性较差结构，设计可能偏于不安全。EC8_2通过性能系数q的灵活调整和相应延性要求的保证可以使不同类型结构都达到相同的可靠度[10]。5．总结通过对EC8_2和《08细则》比较可以得到以下结论：(1)两者都采用两水准抗震设防目标。对“不倒塌要求”，两者的设防水准和设防目标基本相同;对“限制破坏要求”，两者设防目标基本相同，但EC8_2较《08细则》设防水准高;(2)两者根据结构重要性、抗震救灾作用、地震可能造成经济损失和人员伤亡、修复的难易程度等分别将桥梁分为三个或四个设防类别。但是，两者分类都过于定性化，不利于基于性能抗震设计思想和方法的发展; (3)两者采用的反应谱形状相似，但因抗震重要性系数、性能系数等具体情况有所不同;(4)两者都是在中震水准下进行结构强度设计，EC8_2通过性能系数q将地震作用折减，《08细则》通过抗震重要性系数Ci将地震作用折减;(5)EC8_2通过性能系数q的调整和相关延性指标的保证可以使不同类型结构具有相同的抗震可靠度;《08细则》对于同一重要性设防分类的桥梁结构，由于采用所有结构同一的抗震重要性系数Ci（或地震力折减系数R），其结果使脆性材料结构抗震可靠度偏小，延性结构抗震可靠度偏大，很难做到不同类型结构抗震可靠度基本一致。(6)世界上大多数国家的抗震规范中，采用地震力折减的方式来确定地震作用的取值。地震力折减方式一些基本概念和成果被广泛接受，但迄今为止这些成果没有被真正应用的在各国抗震规范中，地震力折减依赖于过去震害经验。地震力折减考虑的因素不全面，缺乏理论依据。要想提高地震力折减的可靠度，必须考虑结构类型、结构延性、周期、结构超强和近场地区等各种因素的影响。 //.paper.edu.cn中国科技论文在线-7-参考文献[1]EuropeancommitteeforStandardization.Eurocode8：DesignofStructuresforEarthquakeResistance——Part1：GeneralRules，SeismicActionsandRulesforBuildings[S]，2004.．[2]Floren，A.，andMohammadi，J.．Performance-BasedDesignApproachinSeismicAnalysisofBridges[J]．JournalofBridgeEngineering，ASCE，2001，6（1）：37－45．[3]Iqbal，A.．PerformanceEvaluationofBoluViaductsintermsofPerformance-basedSeismicDesignofBridges[C]//NewZealandSocietyforEarthquakeEngineering，2007：1－10．[4]EuropeancommitteeforStandardization.Eurocode8：DesignofStructuresforEarthquakeResistance——Part2：Bridges[S]，2005．[5]罗开海，王亚勇．中美欧抗震设计规范地震动参数换算关系的研究[J]．建筑结构，2006，36（8）： 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(710061)AbstractTheissueandimplementationoftheguidelinesforseismicdesignofhighwaybridgeshaveattractedinterestsandattentionsofmanyresearchersathomeandabroad.Itiscomparedthattheprovisionsaboutseismicfortificationaims,seismicdesigncategories,responsespectrumandearthquakeactionbetweenguidelinesforseismicdesignofhighwaybridgesandEurocode8forbridgesinthispaper.Theresultsindicatethatitissimilarinseismicfortificationaims,seismicdesigncategoriesandresponsespectrumbetweenguidelinesforseismicdesignofhighwaybridgesandEurocode8forbridges.ItisverydifferentinstrengthreductionfactorsbetweenguidelinesforseismicdesignofhighwaybridgesandEurocode8forbridges.Attheend,theexistingproblemsinstrengthreductionfactorsarepointed,andthetrendsoffuturestudyarediscussed.Keywords:bridgeengineering;earthquakeresistance;seismicdesigncode;seismicfortificationaims;seismicdesigncategories;responsespectrum;earthquakeaction 作者简介：陆本燕,男,1981年生,博士研究生,主要研究方向是结构抗震设计。//.paper.edu.cn中国科技论文在线