㊀文章编号:1671-2579(2015)01-0147-05
袁伟民飞儿乐团成员
(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安㊀710068
)摘要：通过对中国㊁美国㊁日本㊁欧洲等抗震规范的比较，说明了对于不同抗震等级的桥梁，各国抗震规范在抗震目标㊁抗震计算及抗震设计上是不同的㊂并借此阐明各国规范在抗震体系分析方法上的差别，为中国未来抗震规范的修订提供参考㊂
关键词：抗震规范；设防目标；地震计算；抗震措施
收稿日期:2014-04-10
㊀㊀中国位于太平洋地震带与欧亚地震带的中间地带，是地震频发的国家㊂历史上，曾发生过多次强烈地震㊂随着中国经济的发展，城市化进程的加快，兴建了大量公路桥梁，这类结构的控制荷载往往是地震作用
(或风荷载)组合，因此制订一部抗震规范是极为必要的㊂其合理与否直接关系到人民的生命财产安全，关系到国家的可持续发展㊂中国公路工程抗震设计的编制，起始于1959年㊂1977年交通部颁布了T J 24-77‘公路工程抗震设计规范“㊂经过近10年的工程实践和学科的发展，于1986年交通部公路规划设计院又重新组织有关单位修编规范，即J T J 004-89‘公路工程抗震设计规范“(以下简称 89抗震规范
)㊂2008年汶川地震后,J T G /TB 02-1-2008‘
公路桥梁抗震设计细则“(以下简称 细则 )问世，在编制中总结了89抗震规范在桥梁建设方面的经验教训，并参考㊁借鉴了国外抗震规范相关条文㊂中国相关抗震规范与美国㊁日本㊁欧洲规范中抗震条文及抗震措施规定相比，存在一定差异㊂这种差异体现在各国桥梁抗震规范中规定的设防目标㊁抗震计算方法以及各国抗震规范抗震措施的规定㊂该文主要讨论中国 细则 与欧洲E N1998-2:2005,
日本‘道路示方书(公路桥梁设计规范)-Ⅴ耐震设计篇“2002版，及美国A A S H T O L R F D-2007规范的差别㊂
1㊀各国抗震规范介绍
1.1㊀欧洲抗震规范
1975年，欧共体委员会开始编制了一套建筑设计技术规范/欧洲规范(E u r o c o d e
)，用以取代各成员国国内的相应规范㊂1989年此项工作交由欧洲标准化委员会(E u r o p
e a n C o mm i t t e eS t a n d a r d i z a t i o n )负责㊂经过近20年的发展,E u r o c o d e 已逐步成为欧盟内国家采用的通用设计规范㊂
1.2㊀日本抗震规范
日本是一个地震多发的国家，目前在公路桥梁设计建造方面已建立了一整套较为完备的抗震理论和方法㊂日本第一本综合性的公路桥梁设计规范于1971年颁布㊂1980年，将1971年的 下部结构指导规范 和 抗震设计规范 统一修订为‘公路桥梁设计规范“的 第Ⅳ部分 下部结构 和 第Ⅴ部分 抗震设计 ㊂在1995年的阪神地震后，该规范进行了大规模修订，主要包括：性能目标㊁设计力㊁钢筋混凝土柱和基础的设计㊁液化处理及液化引起的地面移动等内容㊂在2002年又颁布了新的桥梁设计规范，即‘道路示方书(公路桥梁设计规范)-Ⅴ耐震设计篇“
㊂1.3㊀美国抗震规范(A A S H T O )1975年,A A S H T O 根据加州运输部编制的桥梁抗震设计标准制定了一个暂行规范，它适用于全美各州㊂经过近30年的发展，并积累了相当多的设计经验，这些直接影响了抗震规范的修订编制㊂基于对历次灾难性地震的总结和抗震技术研究，设计方法已经逐步改进并体现在最近的抗震设计规范中:A A S H -T O L R F D-2007㊂
2㊀抗震规范比较研究
2.1㊀抗震设计目标
桥梁的抗震设计是要承受地震引起的变形，并要
7
41第35卷㊀第1期2015年2月
中㊀外㊀公㊀路㊀㊀㊀㊀
㊀
网络出版时间：2015-03-05 17:13网络出版地址：
wwwki/kcms/detail/43.1363.U.20150305.1713.034.html
求所有结构部件提供足够的强度和延性及合理的安全储备㊂确保在设计地震发生时不会发生坍塌㊂这是通常各国规范所接受的基于抗震性能的设计㊂
而在进行抗震设计之前首先要进行桥梁和地震的分类，以确定桥梁在设计地震中的状态和目标㊂
例如欧洲抗震规范规定桥梁应根据失效后对人类生命的后果，震后维持交通的重要性以及倒塌的经济后果进行重要等级分类，并将桥梁分为3类㊂采用两水准抗震设防目标：水准1(重现期95年)和水准2(重现期475年)
㊂同样日本抗震规范(日本道路桥示方书-Ⅴ耐震
设计篇)中将桥梁根据重要性分为两类，而地震则分为两个类型，即A 型使用期间发生概率较高的地震;B
型使用期间发生概率低但破坏力较大的地震(又分为板内地震Ⅰ型和陆内地震Ⅱ型)
㊂其设防水准是:(1
)水准1：属高发生概率地震，不论重要桥梁还是标准桥梁均要求做到避免破坏㊂
(2
)水准2：对于B 型地震，避免明显的破坏或能够恢复功能，经修复可迅速恢复使用㊂此处重点比较中国规范与美国A A S H T O L R F D
-2007公路桥梁抗震设计规范的异同㊂
首先该规范对桥梁根据其重要性㊁在路网中的地
位对其进行运营分类O C (O p
e r a t i o n a lC l a s s i
f i c a -t i o n )㊂共分3类:Ⅰ㊁Ⅱ㊁Ⅲ型㊂其次，对设计地震根据发生的概率也进行了分类：功能评价型地震(F E E )
和安全评价型地震(S E E )㊂F E E 对应75年内15%重现率，相当于50年内10%;S E E 对应75年内3%,
相当于50年内2%㊂规定Ⅰ㊁Ⅱ类桥须进行F E E 和
S E E 的抗震分析，而Ⅲ类桥只需进行S E E 分析㊂接下来规范给出了抗震性能的3个服务水平和3
个破坏等级㊂3个服务水平是：直接使用㊁短暂维护使用㊁经修复使用;3个破坏等级是：轻微损伤㊁可修复损伤㊁严重损伤(有最低的倒塌风险)㊂规范给出了以上各类桥梁乃至各部分在设计地震作用下的抗震目标㊂
这样以后所有的抗震设计都有了明确的方向和目标，有利于合理使用防护措施，保障震后交通的顺畅㊂中国89抗震规范将桥梁分为4类:A ㊁B ㊁C ㊁D ㊂A
类是单孔跨径超过100m 的特大桥;B 类是单孔150m 及以上的高速公路㊁
一级公路上的桥梁，或二级以上的特大㊁大桥;C 类是二级公路上的中小桥及三四级公路上的特大㊁大桥;D 类是三四级路上的中小桥㊂
设计地震类别有两类:E 1地震区重现期较短的地
震;E 2地震重现期较长的地震㊂在中国规范08抗震细则中，尽管采用E 1和E 2两个水准进行抗震设计,
但对于不同的桥梁类别，两个水准的地震强度是不同的㊂对于A 类桥梁,E 1地震作用的重现期为475年(中震不坏),E 2地震作用的重现期为2000年(大震不倒)；对于B 和C 类桥梁,E 1地震作用的重现期为50~100年(小震不坏)，中震可修(重现期475年)
,E 2地震作用的重现期为2000年(
大震不倒)；对D 类桥梁,E 1地震作用，重现期25年(小震不坏)㊂这里需要指出的是体现桥梁类别和重要性的重要
性系数的含义在各国规范中是不同的㊂各国有关抗震
目标的对比如表1所示㊂
表1㊀不同规范的设防目标
设防地震(概率)及目标中国规范( 抗震细则 )美国
A A S H T O 规范
欧洲规范E N1998-1:2004日本桥梁规范J R A2002桥梁分类共分4类按运营类型分3类按重要性分3类
2类
重要性系数用于修正地震强度没有具体的系数仅反映重要性不反映弹塑性影
响
没有具体的系数
地震类型
E 1㊁E 2
S E E ㊁F E E 水准1和水准2
分为水准1型水准2型地震，水准2型又分Ⅰ㊁Ⅱ两型地震设防目标
确保小震不坏；中震可修；大震不倒
对不同设计地震都有详细的设防目标
水准1时轻微破坏；水准2时保持整体性，有足够残余承载力
对高发地震要求避免破坏；低发地震要求避免明显破坏或破坏有限，修复可用
㊀㊀从表1可以看出:
国外规范与中国抗震细则在抗震设防目标和设防水准及其设防地震要求上与中国规范基本相同㊂但中国规范对桥梁㊁地震类型的划分及
防震达到的目的上，与国外规范存在较大差距㊂例如后面说到的延性设计在美国A A S H T O 规范中对其达到的抗震效果和目标都详细规定㊂这是中国在以后的
841㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀中㊀外㊀公㊀路㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第35卷㊀
规范修订中应当着重注意的㊂
2.2㊀场地分类
土的类型划分方法不同的规范有不同的原则，这里统一根据土层的剪切波速法，对土的类型进行对应划分㊂其剪切波速对比情况如表2所示㊂
表2㊀各国规范中各土类的剪切波速
土类
土层剪切波速/(m㊃s-1)
美国A A S H T O欧洲E U8中国08抗震细则
A>1500>800
B760~1500360~800>500(Ⅰ)
C370~760180~360250~500(Ⅱ)
D180~370<180140~250(Ⅲ)
E<180<140(Ⅳ)
按照表2类比方法，中国Ⅰ类土对应美国B类㊁欧洲A类；中国Ⅳ类土对应美国E类㊁欧洲D类㊂2.3㊀抗震计算的比较
2.3.1㊀抗震计算理论
桥梁地震作用的计算方法有反应谱法㊁动力时程法和拟静力法㊂这3种方法中，反应谱法计算最为简单，也应用最广泛；动力时程法针对性强，精确度高，但过程复杂，花费时间长，通常用于比较复杂和重要桥梁的抗震验算；弹性静力(S t a t i c M e t h o d)法不考虑桥梁的动力学特性，将地震作用简化为一个惯性力系附加在研究对象上㊂近年针对结构弹塑性又提出非线性拟静力法(P u s h-O v e r法)㊂日本桥梁规范J R A 2002㊁欧洲规范E N1998-2:2005均有关于采用拟静力法进行分析的规定㊂
目前世界各国的抗震规范一般计算思路是设计反应谱，即根据各地区的地震构造类型㊁地震场地特性和地震活动性，在给定设防标准下确定地震动加速度峰值和反应谱，并通过地震力调整系数来得到设计地震动参数㊂
由于各个国家的实际情况如震源特性㊁场地类别㊁地层特性不同，其反映到抗震设计上各种地震参数的取值也是不一样的㊂但总体上讲，各国规范的反应谱形状是基本一致的㊂笔者认为，在比较各国地震计
算方法过程中，比较其结果的大小是没有意义的，重要的是各国规范中对各种因素的考虑才是值得关注的㊂对中国而言与日本和欧洲的实际情况相差较大㊂
(1)中国公路桥梁抗震设计细则
08抗震细则以地面水平加速度S的形式给出设计谱，由场地系数㊁水平向设计基本地震动加速度㊁抗震重要性系数以及阻尼调整系数确定㊂反应谱曲线包括3段：直线上升段㊁平台段㊁曲线下降段㊂特征周期根据场地类别和地震分区确定㊂阻尼调整系数与阻尼比ξ有关,ξ一般取0.05㊂
上升段:S=S m a x(5.5T+0.45)㊀T<0.1s
水平段:S=S m a x㊀0.1sɤTɤT g
曲线下降段:S=S m a x(T g/T)㊀TȡT g
与上一版抗震设计规范89规范相比，反应谱周期范围由5s扩展到了10s，特征周期根据场地类型在表3中查取㊂
表3㊀中国规范特征周期表
区划图中的
特征周期/s
不同场地类型特征周期/s
ⅠⅡⅢⅣ
0.350.250.350.450.65
0.400.300.400.550.75
0.450.350.450.650.90
(2)美国A A S H T O规范
规范仍以地面水平加速度S的形式给出设计谱，但考虑的因素较多，主要有场地系数(F a㊁F v㊁F P G A)㊁地面加速度(P G A)以及本地工程地质设计组(G D S)提供的相应地区地震的动参数，如S s㊁S I㊂这里系数F a㊁F v㊁F P G A是由土类别及S s㊁S I共同决定的，相当于场地放大系数㊂
通过这些基本数据计算设计短周期反应谱加速度系数S D S和设计1s周期加速度反应谱系数S D I㊂这样第一段反应谱周期T0=0.2S D I S D S；第二段反应谱周期T s=
S D I
S D S
;
S a=
P G A+(S D S-P G A)T/T0T<T0
F a S I T0ɤTɤT S
S D I/T TȡT S
ì
î
í
(3)两个规范的比较
平台段：在中国89抗震细则中,S m a x由设防地震动强度决定，场地条件的影响未得到体现㊂而在美国的A A S H T O规范中，通过3个场地影响系数F a㊁F v㊁F P G A来调整不同场地的谱形，平台段值S D S包含了与场地相关的调整系数F a，而F a随着设防地震动参数S s的增大而减小㊂
941
㊀2015年第1期㊀袁伟民：中外公路桥梁抗震规范的差异㊀㊀
特征周期：在中国89抗震细则中，平台段起始周期取为定值0.1s，特征周期则根据设计地震分组与场地类别由表3确定㊂在美国的A A S H T O规范中，平台段起始周期T0和平台段终止周期T s都随着场地影响系数F a㊁F v和地震动参数取值S s㊁S I变化㊂衰减指数：衰减指数是对长周期部分影响最为显著的因素㊂两国规范的衰减指数都是1㊂
以上比较可见，两国规范都注重场地条件的影响，但美国A A S H T O规范针对性更强㊂美国的规范还考虑了地震动强度对特征周期的影响，而中国和欧洲的规范则未体现㊂
2.3.2㊀作用范围
中国规范规定当桥址距离震源较近时(10~15 k m)，地震地面运动通常含有一个中到长周期(0.15~ 5s)地面运动的高能脉冲，这种高能脉冲沿断裂带向场地方向延伸，垂直于走向断裂的分量大于平行于走向断
裂的分量㊂
中国规范J T G/T B02-01-2008规定，桥址距有发生6级以上地震潜在危险的地震活断层30k m 以内时,A类桥梁工程场地地震安全性评价应考虑近断裂效应，包括上盘效应㊁破裂的方向性效应;B类桥梁工程场地地震安全性评价中，要选定适当的设定地震，考虑近断裂效应㊂
美国规范A A S H T O规定对于靠近活动断层和处于长周期场地的桥梁的地面加速度应进行专门的研究㊂
欧洲桥梁规范E N1998-2规定当场地距已知活动断层10k m的范围内时，应采用考虑近场效应的特定场地反应谱进行设计㊂
日本桥梁规范J R A2002中Ⅱ型地面运动的反应谱即为考虑近场效应的反应谱㊂
在所有考虑近场效应的桥梁抗震设计中，只有日本桥梁规范是提供了便于设计人员设计的方法㊂各国规范关于地震力计算的比较见表4㊂
表4㊀各国规范关于地震力计算的比较
项目
中国规范
( 抗震细则 )
A A S H T O
规范
欧洲规范
E N1998-1:2004
日本桥梁规范
J R A2002考虑了场地
计算方法反应谱，时程反应分
析
反应谱，时程反应分
析
反应谱，时程反应分析，拟
静力法(p u s h o v e r)
反应谱，时程反应分析，拟静
力法(P u s h o v e r)
反应谱形状分3段，平台段高度
与基本地面加速度
峰值㊁场地系数㊁抗
震重要性系数有关
分3段，平台段高度
考虑场地类别基本
地面加速度峰值㊁场
地系数
分4段，平台段高度与场地
类别㊁震级有关与场地类
别㊁震级和结构阻尼有关
有两个反应谱，分别对应不同
设计状态㊂反应谱分3段，平
台高度与场地类别㊁震级有关
结构弹塑性直接对设计地震进
行折减
采用折减系数性能系数结构特征系数
作用范围在地震安全性评价
考虑近断裂效应，包
括上盘效应㊁破裂的
方向性效应
对桥址区地面加速
度应进行专门的研
究
考虑桥址区的特定场地反
应谱
规定专门的反应谱来考虑近
场效应的反应谱
㊀㊀从表4可以看出：中国原89规范与国外的规范相比，存在桥梁抗震设计标准偏低，抗震设计方法也
不够完善等问题㊂桥梁抗震设计细则已做出很大改进㊂此外，各国规范采用的加速度反应谱形式比较接近，只是具体含义有所不同㊂
2.4㊀抗震结构设计
2.4.1㊀能力设计
为确保桥梁主要构件在出现塑性铰前不发生脆性的剪切破坏，要根据塑性铰处的抗弯强度确定超强抗弯强度，继而确定其抗剪承载力㊂超强系数考虑了构
件材料强度的变异性和钢筋应变硬化等因素，各国规
范均采用超强系数乘以抗弯强度的方法确定㊂中国规
范要求桥梁的基础㊁盖梁㊁梁体及墩柱的超强系数取1.2，而欧洲规范(E N1998-2B2005)则考虑混凝土截面的轴压比计算取得㊂
利用结构的延性可以抑制结构脆性破坏的发生㊂
在结构抗震设计中延性是结构抗震的一个重要手段㊂
受阪神地震的影响，日本在新规范中，将由地震效应
051㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀中㊀外㊀公㊀路㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第35卷㊀
起控制作用的结构构件修改为 延性设计方法 ㊂位移延性系数考虑了桥梁的重要性和地面运动类型等因素㊂中国及美国㊁欧洲的规范中也都明确强调了延性设计在抗震结构中的作用，只不过方法略有不同㊂2.4.2㊀强度变形设计
强度是保证桥梁结构具有抗震承载力的一个方面，而延性是使结构具有地震适应性㊁消耗地震作用力㊁是保护桥梁不发生灾难性倒塌的另一个方面㊂两者具有同等的重要性㊂在地震作用下，弯㊁压㊁剪㊁扭及其组合是桥梁破坏的主要形式，其中扭转多发生于斜交桥或曲线桥梁㊂因此在强烈地震区，一般限制使用斜度较大的斜交桥㊂
剪切破坏是常见的脆性破坏，容易导致桥梁倒塌㊂所以各国规范都要求对桥柱或桥墩的抗剪能力进行验算㊂中国89抗震规范中并没有关于地震作用下构件抗剪计算的专门方法㊂根据2008年汶川地震的教训,J T G/TB02-01-2008‘细则“则提供了抗剪计算的公式㊂
变形验算是指在小地震作用下，要求整体结构不损坏，属于使用性要求，此时结构或构件处于弹性状态；
在强烈地震作用下，结构处于非线性状态，并满足变形要求而不倒塌㊂中国J T G/TB02-01-2008‘细则“只要求验算E2地震下B类和C类桥梁墩柱塑性铰的转动能力和支座的变形㊂而欧洲规范E N 1998-2:2004则要求进行极限状态下延性结构塑性铰转动能力的验算和结构位移的验算㊂日本规范对震后墩的残余变形提出要求㊂
2.4.3㊀其他措施
在其他抗震措施的运用上各国规范均对支座㊁抗震连接㊁最小支撑长度及撞击传递根据本国及地区的实际情况和抗震经验作了具体规定㊂该文不一一列举㊂
3㊀结论和建议
3.1㊀结论
通过比较可以看出：各国规范采用计算方法比较接近，具体含义有所不同㊂主要体现在细节处理上，国外规范(特别是美国㊁日本规范)一般较为严密，有一整套针对性很强的设计要求和方法，而中国规范在此方面应进一步提高㊂
另外中国规范适用范围太大，而且各地区地质地理条件千差万别，一本规范显然难以应对㊂美国在抗震方面的规范多达4㊁5种，且仅针对本地区㊂这样规范就更能体现地区特点，抗震分析就更为准确合理㊂
中国规范应在不断总结实际效果的基础上进行科学研究成果总结，吸收国外规范研究的经验，改进中国桥梁抗震设计规范㊂
3.2㊀建议
汶川地震对陕西省关中地区(距离震中约700 k m)影响较大，并造成了不同程度的破坏，如西安南二环上的一座高架桥桥台伸缩装置被拉开50多c m，造成损坏，阻断交通㊂这是与关中地区特殊地质结构密切相关的㊂关中盆地主要位于渭河断陷构造带上，历史地震强度几乎都发生在断陷盆地内，具有强震孕震的构造背景㊂从汶川特大地震说明应进一步研究考虑周边距离远㊁强度大的地震的破坏效应㊂据此进行抗震设计与加固，提高桥梁整体抗震能力㊂而各国规范对于相关地震所造成的异常破坏研究不足，因此在今后规范的修编过程中应对远震影响进行分析考虑㊂
参考文献:
[1]㊀贡金鑫，张勤，王雪婷.从汶川地震中桥梁震害看现行国
内外桥梁抗震设计方法(一)[J].公路交通科技,2010
(9).
[2]㊀贡金鑫，张勤，王雪婷.从汶川地震中桥梁震害看现行国
内外桥梁抗震设计方法(二)[J].公路交通科技,2010
(10).
[3]㊀于湛，石树中，沈建文，等.从中国㊁美国㊁欧洲抗震设计规
范谱的比较探讨我国的抗震设计反应谱[J].震灾防御技
术,2006(6).
[4]㊀张宇翔，袁志祥.汶川810级地震陕西灾区震害特征分析
[J].地震研究,2010(7).
151
㊀2015年第1期㊀袁伟民：中外公路桥梁抗震规范的差异㊀㊀
发布评论