日本桥梁抗震设计规范--基础设计方法

　　摘要：本文对世界主要的桥梁结构抗震设计规范基础部分的现状进行了概略的比较，着重介绍日本桥梁抗震设计规范中基础的设计方法，并指出了中国现行《公路工程抗震设计规范》基础部分中存在的一些不足。
　　关键词：桥梁 基础抗震设计 日本规范
　　一、引言
　　近十年来，世界相继发生了多次重大地震，1989年美国 Loma Prieta地震（M7.0）、1994年美国Northridge地震（M6.7）、1995年日本阪神地震（M7.2）、1999年土耳其伊比米特地震（M7.4）、1999年台湾集集地震（M7.6）等等。因此，专家们预测全球已进入一个新的地震活跃期。随着现代化城市人口的大量聚集和经济的高速发展，地震造成的损失越来越大。地震灾害不仅是大量地面构筑物和各种设施的破坏和倒塌，而且次生灾害中因交通及其他设施的毁坏造成的间接经济损失也十分巨大。以1995年日本版神地震为例，地震造成大量高速公路及高速铁路桥隧的毁坏，经济总损失高达1000亿美元。
　　近几次大地震造成的大量桥梁的破坏给了全世界桥梁抗震工作者惨痛的经验教训。各国研究机构纷纷重新对本国桥梁抗震规范进行反思，并进行了一系列的修订工作。日本1995年阪神地震后，对结构抗震的基本问题重新进行了大量的研究，并十分重视减振、耗能技术在结构抗震设计中的应用。桥梁、道路方面的抗震设计规范已经重新编写，并于1996年颁布实施。美国也相继在联邦公路局（FHWA）和加州交通部（CALTRANS）等的资助下开展了一系列的与桥梁抗震设计规范修订有关的研究工作，已经完成了ATC－18，ATC－32T和ATC-40等研究报告和技术指南。与旧规范相比，新规范或指南无论在设计思想，设计手法、设计程序和构造细节上都有很大的变化和深入。
　　中国现行《公路工程抗震设计规范》（JTJ004－89）在80年代中期开始修订，于1989年正式发行。随着中国如年代经济起飞，交通事业迅猛发展，特别是高速公路兴建、跨越大江，大河的大跨桥梁、大型立交工程以及城市中大量高架桥的兴建，规范已大大不能适应。但是目前所有国内的桥梁设计，对抗震设计均在设计书上标明的参照规范即是《公路工程抗震设计规范》和《铁道工程抗震设计规范》。与国外如日本、美国的同类规范相比，中国现行《公路工程抗震设计规范》水准远落后于国外同类规范。若不进行改进，则必将给中国不少桥梁工程留下地震隐患。
　　本文主要介绍了各国桥梁抗震设计规范中基础部分的抗震设计。基础部分对全桥的地震响应以及墩柱力的分布均有非常重要的影响。基础设计不当会导致桥梁墩柱在地震中发生剪断、变形过大不能使用等等，有时甚至是桩在根部直接剪断破坏。基础设计需要考虑的方面除了基础形式的选择以外还包括抗弯强度、抗剪强度桩基础连接部分的细部构造、锚固构造等方面。本文首先对中、美、日、欧洲、新西兰五国或地区抗震设计规范中有关基础的部分进行了一般性的比较。笔者认为，相对而言中国的规范在基础抗震设计方面较为粗糙、可操作性不强。而日本规范在这方面作的最为细致，技术也较为先进。因此，在随后的部分中详细介绍了日本抗震规范的基础设计方法。
　　二、主要国家桥梁抗震规范基础抗震设计的概况
　　本文将中国桥梁抗震规范与世界上的几种主要抗震规范（美国的AASHTO规范、Cal－tans规范、ATC32美国应用技术协会建议规范，新西兰规范NZ，欧洲规范EC8，日本规范JAPAN）进行基础抗震设计方面的比较。
　　中国桥梁抗震设计规范有关基础设计的部分十分笼统，只以若干定性的条款，从工程选址方面加以考虑，而对基础本身的抗震设计，特别是对于桩基础等轻型基础抗震设计重视不够。这方面，日本的桥梁抗震设计规范和准则规定得比较详细，是我们应当学乱之处。基于阪神地震的经验，地震后桥梁上部结构的修复和重建都比下部基础经济和省时、省力，因此桥梁基础的抗震能力的要求应比桥墩高。
　　三、日本桥粱基础抗震设计方法细节
　　1.按流程，先用震度法设计。震度法基本概念是把设计水平震度
　　Kh乘以结构Kh的计算方法如下：
　　其中Cz——地区调节系数；
　　Kh0——设计水平震度的标准值。
　　其中，δ是把抗震设计所确定的地基面以上的下部结构质量的80％或100％和该下部结构所支承的上部结构质量的 100％之和作为外力施加到结构上在上部结构惯性力作用点位置发生的位移。
　　2.用震度法设计以后，如果基础结构是桥台基础或者桥墩的扩大基础，不需要用地震时保有水平耐力法设计。这是因为设计桥台基础时，地震时动力压力的影响非常大，此外结构背面存在的主体也使结构不容易发生振劾。而对于扩大基础来说一般地基条件非常好，因此，地震时基础某些部位转动而产生非线变形可以消耗许多地震能量。
　　3.用地震时保有水平耐力法设计时，首先要判断基础水平耐力有没有超过桥墩的极限水平耐力。这是因为地震时保有水平耐力法的基本概念是尽量使地震时在桥墩而不是在基础出现的塑性铰。如果在基础出现塑性铰，发生损伤后，修复很困难。所以，我们要把基础的行为控制在屈服范围内。
　　如果基础水平耐力小于桥墩的极限水平耐力，则要判断桥墩在垂直于桥轴方向的抗震能力是不是足够大（按式（3））。因为如果桥墩在垂直于桥轴方向具有足够大的抗震能力（例如壁式桥墩），而且基础的塑性反应在容许范围以内，则基础的非线性行为能吸收大量的振动能量并且基础仍然是安全的。
　　桥墩的极限水平耐力Pu≥1.5KheW （3）
　　Khco——设计水平震度的标准值；
　　Cz——地区调节系数；
　　μa——容许塑性率；
　　W－一等价质量（ W=Wu十CpWp）；
　　Wu——振动单位的上部结构质量；
　　Wp——振动单位的桥墩质量；
　　Cp——等价质量系数（剪断破坏时1.0，剪断破坏以外是0.5）。
　　4.桥墩的极限水平耐力满足Pu≥1.5KheW时，对基础塑性率进行对照检查。虽然基础的非线行为能吸收大量振动能量，但是对于有的基础部件来说，可能会遭受过大的损伤。所以要控制基础的反应塑性率，按如下要求：
　　μFR≤μFL （4）
　　式中μFR——基础反应塑性率；
　　μFL——基础反应塑性率的限度。
　　5.发生液化时，要降低土质系数。随后的计算（对照和检查）同上述方法基本一致。
　　6.在地震时保有水平耐力法的流程中，最后是对基础水平位移、转角的对照和检查。要求是基础最大水平位移为40cm左右，基础最大容许转角为0.025rad左右。
　　四、结语
　　本文对世界主要的桥梁抗震设计规范的基础设计方法进行了一定的比较，主要介绍了日本桥梁抗震设计规范的基础设计方法。总的来说，日本的基础设计方法规定比较细致，相对而言，中国现行《公路工程抗震设计规范》的基础设计方法比较笼统，对于扩大基础和桩基础没有分开规定。这一点，在新规范制定时应予以重视。