1 规范概况

近几年来，我国《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01—2008）（以下简称《公规》）、以及《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166—2011）（以下简称《城规》）先后编制出版，并开始实施。这两本规范引入了新的桥梁抗震设计理念，完善了相应的抗震设计方法，所以随着这两本规范的实施，我国的桥梁抗震设计水平将会上一个台阶。

两本规范均采用两水准设防、两阶段设计的抗震设计方法。在具体操作中，根据桥梁的重要性和在抗震救灾中起的作用，把桥梁进行分类，并对各类桥梁进行复杂程度不同的抗震设计。《城规》按照结构形式、在城市交通网络中位置的重要性及承担的交通量分为甲至丁四类，《公规》根据公路等级及桥梁的重要性和修复（抢修）的难易程度分 A 至 D 类。对于每一类桥梁，两本规范均给出了明确的抗震设防标准，即两个设防地震水准（地震动参数）以及对应的抗震性能目标，虽然两本规范的桥梁类别划分原则不同，但针对量大面广的乙 (B) 类和丁 (C) 类桥梁（以下简称“常规桥梁”）两本规范的抗震设防标准基本是一致的。

对于常规桥梁采用延性抗震设计和减隔震设计两种策略，在地震反应分析和抗震验算方法方面也基本相同。对于地震反应分析，均采用以反应谱方法为主，少量情况进行时程反应分析的方法；只是《城规》中反应谱方法的适用范围更广一些。对于延性抗震设计，均采用能力设计方法，验算延性构件（桥墩的强度和变形能力），验算能力保护构件的强度（桥墩抗剪、固定支座、盖梁、桩基础等）。

两本规范的最大不同点，是由于规范的主管部门不同，采用了不同的地震动参数。同时，在桥墩和桩基础的抗震能力计算公式方面，也有一些不同的规定。

在桥梁的延性设计中，主要需要验算延性构件（墩柱）的抗震能力，以及能力保护构件（固定支座、桩基础等）的抗震能力。下一节将针对一座实际的连续梁桥，同时根据两本规范进行延性抗震设计，在地震动输入比较的基础上，着重对桥墩、桩基础和支座的抗震需求和能力进行详细比较，以定量分析两本规范的不同地震动参数和部分抗震能力计算公式，对常规桥梁抗震设计所产生的影响，供设计人员参考。

2 延性抗震设计比较

2.1 结构概况

某城市高架连续梁桥，一联 (4\times 31\mathrm{m})，属于规范规定的规则桥。纵桥向，中墩为纵向固定墩，墩顶设纵向固定支座，其他墩设纵向活动墩，墩顶设纵向滑动支座；横桥向，各墩顶均在中间两片箱梁下设置横向固定盆式支座，其余位置均设横向活动盆式支座。每跨上部结构总质量为 1590.8\mathrm{t} （包括二期恒载）。

桥梁横断面与基础布置如图 1 所示。盖梁为矩形截面，平均高度 3.2\mathrm{m}，支座和垫石总高 0.3\mathrm{m}。

立柱中心间距 7\mathrm{m}，墩柱高度 15\mathrm{m}、截面尺寸为 1.8\mathrm{m} (横桥向) \times 2.0\mathrm{m} (纵桥向)，桩基采用 20 根 \phi 800~\mathrm{mm} 钻孔灌注桩（摩擦桩），桩长 50~\mathrm{m}，单桩配筋率 20%，单桩承载力 2500\mathrm{kN}，场地土系数 m 值为 10000\mathrm{kN / m^4}。主梁、立柱、基础分别采用 C50、C40、C35 混凝土。盖梁质量 481\mathrm{t}，两根立柱质量为 281\mathrm{t}，承台质量为 493.8\mathrm{t}。

计算得到桥梁结构对的动力特性：纵桥向基本周期，E1 地震下 3.23s，E2 地震下 4.83s；横桥向基本周期，E1 地震下 1.06s，E2 地震下 1.36s。

(a) 横断面

单位：mm

(b) 基础布置
图 1 桥梁横断面与基础布置

2.2 地震动输入比较

通过《中国地震动参数区划图》查得，桥梁所在场地的设计基本地震加速度峰值为 0.1\mathrm{g}，抗震设防烈度 7 度，地震分区第一区，场地类型四类场地，反应谱特征周期为 0.65\mathrm{s}。

按照《公规》，桥梁类别为 B 类，E1 地震下抗震重要性系数 C_i 为 0.43，场地系数 C_s 为 1.4，桥梁阻尼比为 0.05，故阻尼调整系数 C_d 为 1.0；E2 地震下抗震重要性系数 C_i 为 1.3，场地系数 C_s 为 1.4，阻尼调整系数 C_d 为 1.0。而按照《城规》，桥梁类别为乙类，E1 地震下地震调整系数 C_i 为 0.61；E2 地震下地震调整系数 C_i 为 2.2。

依据上述参数，图 2 比较了两规范在 E1 和 E2 地震下的加速度反应谱，并注明了本桥梁在两设防水准下纵桥向和横桥向结构自振周期。

由图 2 可知，就加速度反应谱而言：（1）《城规》反应谱周期到6\mathrm{s}截止，《公规》反应谱到 10\mathrm{~s} 截止；（2）相同条件下，《城规》与《公规》的反应谱平台宽度相同，E1 地震下《城规》与《公规》反应谱平台高度相近，E2 地震下《城规》反应谱平台高度明显大于《公规》反应谱平台高度；（3）无论是 E1 地震还是 E2 地震下，《城规》反应谱取值始终比《公规》反应谱大，而且 E2 地震下大的程度更多；（4）在 E1 地震下，桥梁

图 2 水平加速度反应谱比较

的纵、横向基本周期对应的反应谱值，《城规》分别为《公规》的 1.19 和 1.06 倍，在 E2 地震下，桥梁的纵、横向基本周期对应的反应谱值，《城规》分别为《公规》的 1.83 和 1.3 倍。

2.3 墩柱的抗震验算比较

在延性抗震设计中，常规桥梁的墩柱往往按延性构件设计，需要进行 E1 地震下的抗弯强度验算和 E2 地震下的变形能力验算，并采用能力设计方法进行抗剪验算。

2.3.1 E1地震下的墩柱抗弯强度验算比较

表 1 列出了在 E1 地震下，按两本规范进行的墩柱抗弯强度验算结果，并进行了比较。由表中结果可见，两本规范设计反应谱值的不同，导致了按《城规》计算的弯矩需求比按《公规》计算的弯矩需求稍大，而抗弯能力是相同。

表 1 E1 地震下墩柱抗弯强度验算

2.3.2 E2地震下的墩柱变形能力验算比较

表 2 列出了在 E2 地震下，按两本规范进行的桥墩位移能力验算结果，并进行了比较。

表 2 E2 地震下墩柱位移能力验算

对于规则桥梁，两本规范在确定位移需求时，都是将延性构件的截面改为等效刚度后，采用反应谱方法计算弹性位移，然后进行修正作为弹塑性位移。但是两本规范中修正系数 R_{d} 的计算公式有所不同。

《城规》 R_{d} 计算公式：

《公规》 R_{d} 计算公式：

式中： \mu_d 为桥墩构件延性系数，一般可取 3; T_g 为反应谱特征周期。

可见，对于长周期结构，两本规范均采用等位移准则，但对长周期的定义有所不同，《公规》为 T_{g}，《城规》为 1.25T_{g}；而对于中短周期结构，按《城规》计算的结果将比按《公规》计算值大。E2 地震下，本文桥梁的纵、横向结构自振周期分别为 4.83\mathrm{s} 和 3.23\mathrm{s}，均属于长周期范围，位移修正系数 R_{d} 取 1。两本规范的位移需求可以直接取弹性位移，按反应谱方法计算，由于设计反应谱的差别，最终得到的纵、横向位移需求，《城规》分别是《公规》的 2.12 和 1.30 倍。

另一方面，在两本规范中，桥墩的位移能力均是根据塑性铰区的允许塑性转角计算的，而允许塑性转角又取决于截面的允许塑性曲率和等效塑性较长度。除了等效塑性铰长度计算公式外，两本规范的位移能力计算公式是一致的。《公规》等效塑性铰长度计算公式中还考虑了截面尺寸的限制，这样可能得到较小的等效塑性铰长度。对于本文桥梁，《城规》等效塑性铰长度 I_{p} = 172\mathrm{cm}，《公规》等效塑性铰长度 I_{p} = 120~\mathrm{cm}，最终计算的位移能力《城规》 97.1\mathrm{cm}，《公规》 74.2\mathrm{cm}，可见按《城规》将得到较大的位移能力。

2.3.3 墩柱的抗剪能力验算比较

对于按延性抗震设计的桥梁，在 E2 地震作用下墩柱屈服后，要按能力保护原则计算墩柱的剪力需求，与地震输入无关，因此两规范将得到相同的结果。

而在墩柱的抗剪能力计算方面，《公规》与《城规》均给出了墩柱塑性铰区抗剪能力计算公式，而且都引入了美国抗震设计规范推荐的计算公式，但均未规定塑性铰区以外的抗剪强度计算公式。《公规》采用了 Caltrans 的抗剪计算公式，但对混凝土提供的抗剪能力计算公式进行了非常保守的简化，取最小残余能力，而且忽略轴压力的贡献⁶,⁷。《城规》采用 AASHTO 的抗剪计算公式，根据墩柱的延性水平计算混凝土的贡献，考并虑了轴压力的贡献。

表 3 列出了分别按两本规范计算的墩柱塑性铰区抗剪强度具体数值。表中结果表明，《城规》考虑混凝土抗剪能力贡献大约是《公路》的 10 倍，《公规》对于混凝土抗剪能力贡献过于保守。两本规范对钢筋提供的抗剪能力相同，最终总的抗剪能力《城规》是《公规》的 2 倍。

2.4 桩基础的抗震验算比较

两本规范均规定，在延性设计中，桩基础按能力保护构件设计，进行强度验算。《公规》规定，按《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）进行基础强度验算。而《城规》则规定，在《公路桥涵地基与基础设计规范》的基础上，非液化土中，单桩的

表 3 墩柱塑性铰区截面抗剪强度比较

抗压承载能力可以提高至原来的 2 倍，单桩的抗拉承载能力，可比非抗震设计时提高 25% ；在验算桩基础截面抗弯强度时，截面抗弯能力可采用材料强度标准值计算。

显然，在墩柱进入塑性工作后，按两本规范计算的桩基础的抗震需求与地震动输入无关，只取决于墩柱的截面抗弯强度，因此是一样的。而抗震能力方面，按《城规》计算的单桩抗压承载能力和抗拉承载能力分别是《公规》的 2 倍和 1.25 倍。表 4 则对按两本规范进行的单桩抗弯强度进行了比较，结果表明，按《城规》计算单桩抗弯能力约是《公规》的 1.50 倍，《公规》偏于保守。

表 4 单桩抗弯强度比较

2.5 固定支座的验算比较

固定支座按照能力保护构件设计，在 E2 地震下，验算支座的水平抗力。按照能力设计方法，支座的水平力需求与墩柱剪力需求相同，因此两规范对于固定支座的验算结果是相同的。

3 结语

针对本文中的连续梁桥，依据两本抗震规范，通过对地震动输入、桥墩和桩基础及支座的抗震需求与能力的定量比较和分析，得出如下结论。

（1）两本规范的地震动参数不尽相同，《城规》的设计加速度反应谱比《公规》的大，针对本桥梁，E1 地震下纵桥向与横桥向前者是后者的 1.2 倍和 1.1 倍，E2 地震下为 1.8 和 1.3 倍。
（2）两本规范反应谱的差异导致 E1 地震下墩柱弯矩需求的不同，而抗弯能力则相同；E2 地震下墩柱水平地震力和位移需求的差异，也主要来自反应谱，但纵桥向要考虑活动墩上滑动支座摩擦的影响；位移能力上，由于等效塑性铰长度不同，纵桥向《城规》是《公规》的 1.3 倍，横桥向都采用非线性静力分析，两者相同。
（3）对于墩柱塑性铰区域斜截面抗剪能力，《公规》忽略了轴压力的贡献，较为保守。《城规》中计算混凝土的贡献较《公规》大 10 倍，钢筋贡献两本规范计算结果一致，总的抗剪能力《城规》约为《公规》的 2 倍。
（4）单桩的抗弯能力，《城规》采用材料标准值，而《公规》采用材料设计值，计算结果前者是后者的 1.5 倍，《公规》偏于保守。
（5）固定墩支座水平抗力与墩柱剪力需求相同，与地震力无关，两本规范是相同的。

参考文献：