我国特大桥抗震设计规范的不足以及缺失——秦权教授

2008年5月，四川省汶川地震同样造成了大量交通工程的破坏，据统计共有6140座桥梁受到不同程度的损毁。

      地震造成这么多桥梁受损的同时，使人们更加重视桥梁的抗震，并积极地改进桥梁的抗震技术。从新中国成立至今，我国桥梁抗震设计规范历经三版，从最早的1975年版到1989版的《公路工程抗震设计规范》(JTJ004-89)，间隔了14年的时间。随着近十年来我国经济的腾飞，交通事业迅猛发展，尤其是高速公路的建设、跨越江海的大跨径桥梁、城市立交工程以及大量高架桥的兴建,我国又在2008年10月公布了新一版的《公路工程抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)，弥补了旧版规范的许多不足。并针对特大桥的抗震设计，在新规范中辟出名为“特殊桥梁抗震设计”专门一章。给出了特大桥抗震设计原则。

      跨径多少算是特大桥？衡量它的标准又是什么？按《公路工程技术标准》(TJGB01-2003)，单跨跨度超过150米就是大跨桥；《公路工程抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)中的“特殊桥梁”包括斜拉桥、悬索桥、单跨跨径150米以上的梁桥和拱桥。美国AASHTO、欧洲的EUROCODE和日本道路桥规范也都是只针对单跨跨度不超过150米的桥。这里讨论的“特大桥”是指单跨径600米以上的特大桥，这样的大跨桥只有斜拉桥和悬索桥。对这种特大桥，在国外也没有通用的抗震设计规范，只有针对具体工程的设计规定。我国有《公路斜拉桥设计规范》（TJT027-96），但这本规范中并没有抗震内容。而我国《公路悬索桥设计规范》中，虽有抗震内容，但编制工作在十年前中断，至今没有出台。

对于特大桥到底应该抗多大的地震，“国际上抗震设计针对地震作用的随机性，采取的对策是两阶段设计原则：小震不坏，大震不倒。‘不倒’就是不死人，‘不坏’就是尽量减少经济损失。但对于特大桥，这还不够安全，因为特大桥造价高，一旦垮塌，对国民经济的影响、政治、社会的冲击是相当大的，所以要有更高的安全要求。美国、日本和欧洲的特大桥抗震都明确地提出：‘中震不坏，大震可修’的两阶段设计原则。比普通的房子，普通的桥两个阶段的地震都高出一个档次。‘中震’，就是平均300～475年一遇的地震；‘大震’，是指平均1000～2000年一遇的地震。我国《公路工程抗震设计细则》(JTG/TB02-01-2008)也规定：特大桥的双水准设计原则要‘中震不坏，大震可修’。”

  我国特大桥抗震设计发展相当快，原先只有个别高校能做抗震分析，现在许多设计院都可以独立完成大跨桥的抗震分析，这是相当大的进步。秦权教授说，新规范对于特大桥抗震设计方面是一大进步，但和先进规范相比，仍存有差距。

规范还需原创性

      我国公路桥抗震规范主要条文多是从美国AASHTO、欧洲EUROCODE和日本道路桥规范和一些设计规定抄进来的，他们已经给特大桥抗震设计打下了一定的技术基础。尽管我国做了很多符合国情的消化性工作，但仍然缺少针对本国特色的创新研究。最近20年，全世界桥梁90%建在中国，大量大跨桥的建设对设计规范的要求十分迫切，直接把国外大跨桥设计规范引用过来，虽然解了燃眉之急，又丰富了我国大跨桥建设经验。但深究起来，对今后的发展无疑是个弊端。众所周知，中国桥梁走向世界之路是困难重重，原因之一便在于我们所有先进的东西都是源于国外。详细考证，这条条文是美国的、那条条文来自日本……中国的设计只是一个画图的过程，原创技术含量不高。

      我国尽管在桥梁工程上创造了世界纪录，但长期重设计，重施工，轻研究使我们在设计规范上还是落后。这其中，资金的短缺是轻视研究的一个重要原因。

我国桥梁抗震规范在艰难中发展

   桥梁抗震设计规范并不是哪一个设计院能够制定的，它是全国性的任务，我国的规范到目前为止没有一个固定的团队负责。“不仅主要起草人几经换人，主编单位和参编单位也是变来变去，时常因主编工作的变动导致编订工作长期中断。新任主编在改变参编单位时，也不完全出于学术考虑。而且，规范一出版，修订团队也就解散了，各人忙各人的事，规范就再没人管了。”“我国的规范修订体制不同于国外。例如，美国规范都有专职的、稳定的修订团队，他们一直关注这方面的信息，因此规范的修订十分频繁。像美国AASHTO规范能够随时修订，并且是三年一大修。美国的建筑规范UBC也是每三年修订一次，日本道路桥规范修订也很频繁。他们的规范都能及时更新。而我国规范两版间相差10年之久,这也导致了我国规范的更新速度不能适应我国高速发展的桥梁建设。”

       另外，规范修订不纯是文字工作，还包括研究、开发，这需要经费支持。日本道路桥规范由专门的政府部门负责，政府提供充足的经费支持。没有稳定的资金投入也影响我国公路桥抗震设计规范的及时修订。

       我国的规范是法规，如果一个设计院完全按照规范设计一座桥，即便这座桥塌了，设计院不负责担任责任，全部由业主自行承担。而在美国，规范都是建议性的，自愿使用。如果业主不要求，设计院可以按自己的标准设计。如果桥塌了，规范不负任何责任，而设计方要承担责任。这样就形成一个局面，设计院为了将来不负责任，一切条文照抄设计规范。一个国家的桥梁技术要发展，离不开研究工作，而中国规范的法规性质促使设计院可以不去研究，而国家又不能提供充足的资金用于研究，结果导致谁也不研究。如此一来，规范的修订就只能靠抄袭国外高水平的规范，抄袭减小了规范修订的成本，但形成了我国规范永远落后的局面。我国设计队伍在国内可以建设各种大跨桥，但原创技术不多，所以很难打进发达国家的市场。

      美国的情况则不一样，如果桥塌了，设计院要赔钱，甚至会倾家荡产，所以必须保证有很高的设计质量。为此，设计单位必须研究，美国的设计费很高，也可确保充足的研究经费。我国现有情况已有所改变，除一部分强制性必须执行的条文外，许多条款都变成了推荐性条文。这样可促进设计院进行研究，提高桥梁技术。但我国设计费相对较低，这也限制了设计院研究资金的投入。因此，将法规变成推荐性内容，相应的设计费还需调整。

       在桥梁的建设、管理上,我国也是归属繁多,铁道部管理铁路桥,交通部管理公路桥,建设部管理城市桥梁,而超过百年的老桥属文物古迹,归文物局管理。这使得我国至少有三四套桥梁结构设计规范。国外情况则不同：欧洲规范同时包括房屋、公路桥和铁路桥，英国桥梁规范BS5400包括公路桥、铁路桥和城市桥梁,美国和日本公路桥规范都不区分公路桥和城市桥梁。

特大桥抗震规范内容仍有待补充

       当前国际桥梁规范的趋势是：对特大桥抗震分析的要求越来越复杂，规定越来越全面。比如说，特大桥抗震分析必须采用两种方法：反应谱法和时程积分法。后者需要地震地面运动时程历史。过去，有两种时程历史：纯粹的地震记录，和纯粹的人工波。地震地面运动时程历史选择的好坏，决定了时程积分结果，也决定了由此做出的抗震设计的可靠性。一方面，具体桥址记录到的、符合设计地震动的地震地面运动时程历史基本没有，只能从世界已有的的地震记录里面挑，因此存在着选择标准的问题；另一方面，当采用人工产生的地面运动时程历史（人工波）时，又有人工波质量标准的问题。

      我国目前特大桥抗震方面欠缺的一个内容就是这两套标准，特别是人工波质量标准。它包括人工波的反应谱的质量检查，和人工波之间的相关性检查。设计反应谱代表设计地震动，人工波的反应谱和设计反应谱总存在差别，衡量人工波的反应谱和设计反应谱是不是符合，必须在足够多，且很均匀分布周期点上检查，而且在这些点，误差都需要控制在一定的范围之内。如果不规定周期点的位置，选择的点难免都集中在一起，就无法判断人工波的反应谱符合不符合设计反应谱。《公路工程抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)只在原则上规定人工波的“反应谱应与设计反应谱兼容”，设计人员难以照此条文操作。而美国和欧洲要求在100～150个等比或等差周期点上，人工波的反应谱和设计反应谱的误差应当在-5%到+10%范围内。这样的规定便于设计人员操作。

       《公路工程抗震设计细则》(JTGIT B02-01-2008)规定“任两组加速度时程间相关系数的绝对值小于0.1”。这是国内规范首次对人工波相关性提出要求。

美国某特大桥的设计规定要求：桥梁跨度大于1000米，应该考虑地震动的空间变异性；欧洲规范提出：桥梁跨度大于600米，应该考虑地震动的空间变异性。我国《公路工程抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008）也规定：桥梁跨度大于600米，应该考虑地震动的空间变异性。“空间变异性”包括三个方面，第一是局部场地效应，第二是行波，第三是失相干效应。考虑地震动的空间变异性不仅对地震动参数提出了新的要求，而且要求动力分析的基本方程包含地基自由度，这改变了动力分析的基本方程。这时，地震反应分析只能使用时程积分法，而且在输入地面运动时程历史时，不仅要对每个基础输入地面加速度时程历史，还要输入地面运动位移时程历史。

       考虑地震动的空间变异性带来了我国现行规范没有的两个新要求：一个是地面位移时程历史间的相关性要求，美国要求任两组位移时程间相关系数的绝对值小于0.3；另一个是产生空间变异地震动位移时程历史，其方法和传统的人工波产生方法完全不同，美国1970年就能在金门桥抗震加固工程中用Rupture Scenarios法产生的空间变异人工波，我国则落后30多年。

       由于对人工波质量要求逐渐被认识,完全由设计反应谱随机产生的人工波的反应谱很难满足要求的误差,于是出现了第二代人工波（从实际地震记录出发，通过时间域调整来拟合设计反应谱）。这样的人工波不但反应谱可无限逼近设计反应谱，而且还保留了原始地震记录的持续时间和非平稳性。这两代人工波都是美国大学土木系的研究成果。“与美国不同，我国都是地震局系统在提供人工波。在2003年,地震局提供给苏通大桥和南京长江三桥抗震设计的人工波还是采用美国MIT土木系的Dario A Gasparini1976年的研究报告(用第一代方法产生)。国内大学2006年已经研究出产生第二代高质量人工加速度波的方法，但未被地震局引用。地震局的《工程场地地震安全性评价技术规范》(GB17741-2005)中既没有考虑地震动空间变异性,也没有地震地面运动人工波的质量标准。”