本文對基于能力保護原則設計的橋梁，簡要介紹了橋梁抗震設計原則、抗震體系選取，重點分析了橋梁墩柱潛在塑性鉸屈服條件的判斷過程，以及不希望發生非彈性變形的構件-墩柱抗剪、蓋梁、基礎、支座作為能力保護設計的計算方法。

關鍵詞：抗震設計、塑性鉸、能力保護設計

01引言

      地震災害是瞬時突發性的社會災害，短時間內造成橋梁倒塌、交通中斷、人員傷亡，經濟損失巨大，它所造成的社會影響比其他自然災害更為廣泛、強烈，社會影響深遠?！冻鞘袠蛄嚎拐鹪O計規范》規定：地震基本烈度為6度及以上地區的城市橋梁，必須進行抗震設計，且此條為強制性條文。橋梁抗震設計一直受到設計及審查人員重視，但在實際設計文件中，抗震設計仍存在一定問題，部分設計文件抗震設計概念混淆、抗震計算內容不全、或能力保護構件設計取值存在問題。本文結合審圖過程中抗震設計、以及《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166-2011）、《公路橋梁抗震設計規范》（JTG/T 2231-01-2020)，對橋梁抗震設計、能力保護構件計算的內容進行了梳理，希望能對橋梁抗震設計及施工圖審查工作有所幫助。

02抗震設計原則及抗震體系選取

     橋梁抗震設計的基本原則包括：彈性設計原則、延性設計原則、能力保護原則、減隔震設計原則。合理的抗震設計，要求橋梁結構在強度、剛度、延性等指標上組合最佳，從而經濟合理的實現抗震目標。

(1) 抗震設防目標及抗震設計原則

      橋梁抗震設防分類依據其結構型式、在城市交通網絡中位置的重要性以及承擔的交通量分為甲、乙、丙、丁四類，甲、乙、丙類橋梁抗震設計采用兩水準設防、兩階段（E1、E2）設計方式。

      甲類橋梁，乙、丙類中的斜拉橋、懸索橋以及采用減隔震設計的橋梁E1、E2階段抗震均采用彈性抗震設計，但E1地震作用下抗震計算采用全截面剛度，E2地震作用下抗震計算采用開裂截面剛度。

      乙、丙類橋梁，El地震作用下的抗震設計采用彈性抗震設計，E2地震作用下的抗震設計采用延性抗震設計，并引入能力保護設計，確保在E2 地震作用下結構具有足夠的延性變形能力，即結構的延性變形能力大于延性變形需求并有適當的安全儲備，通過能力保護設計，確保塑性 絞只在選定的位置出現，并且不出現剪切破壞等破壞模式。

      丁類橋梁，一般采用一水準設防、一階段E1設計。

(2)抗震設計方法

      針對不同抗震設防目標的橋梁，規范規定采取不同的抗震設計方法：乙、丙和丁類橋梁的抗震設計方法根據橋梁場地地震基本烈度和橋梁結構抗震設防分類，分為A、B 和C三類。

(3)抗震體系

      地震對橋梁的破環型式主要表現為：支座損壞造成落梁破壞；橋墩在地震力作用下脆性剪切、彎曲致使上部結構落梁破壞。橋梁抗震設計思想，是選擇合適的抗震結構體系，采用正確的橋梁結構總體方案、材料的選擇和細部的構造等，從而達到合理抗震的設計目的。

      根據《城抗規》要求，橋梁的抗震體系應符合下列規定：有可靠和穩定傳遞地震作用到地基的途徑；有效的位移約束，能可靠地控制結構地震位移，避免發生落梁破壞；有明確、可靠、合理的地震能量耗散部位；應避免因部分結構構件的破壞而導致整個結構喪失抗震能力或對重力荷載的承載能力。

      對于采用A類抗震設計方法的橋梁，按抗震體系又分為I、II兩類抗震體系:

      類型I抗震體系:地震作用下，橋梁的塑性變形、能耗部位位于橋墩，即潛在的塑性鉸區域，見下圖：

編輯

編輯

      類型II: 地震作用下，橋梁的耗能部位位于橋梁上、下部連接構件(支座、耗能裝置)。

03能力保護設計

      乙、丙類橋梁，除斜拉橋、懸索橋以及采用減隔震設計的橋梁外，當采用A類抗震設計方法、I類抗震體系進行抗震設計時，E2地震作用下，橋墩采用延性抗震設計，與橋墩相關節點采用能力保護設計。

      橋墩延性設計：對于延性構件在E1地震作用下需要保持彈性，而在E2作用下可以進入塑性狀態，E1作用的時候計算結構的強度，而在E2作用的時候驗算結構的變形問題。

      能力保護設計：能力保護設計思想是通過設計使結構體系中的延性構件和能力保護構件形成強度等級差異，保證結構形成一個恰當的塑性耗能機制，確保延性構件不發生脆性破壞，即橋梁結構在地震作用下，主動選擇墩柱潛在塑性鉸，利用墩柱塑性變形，消耗地震力，墩柱不發生剪切破壞、塑性鉸位移不超限，支座、蓋梁、基礎作為能力保護構件設計，使橋梁下部結構延性構件和能力保護構件形成等級差異。

(1)判斷墩柱是否在地震作用下屈服

     ①選擇潛在塑性鉸：如上圖所示，連續梁、簡支梁的獨柱結構，塑性鉸一般為柱底，當連續梁采用墩梁固結時，塑性鉸為柱頂和柱底；連續梁、簡支梁為雙柱結構時，塑性鉸在柱頂和柱底位置。

      ②計算墩柱E2地震作用下的最大彎矩。

     ③計算等效屈服彎矩：依據墩柱實際配筋，計算墩柱等效屈服彎矩Mu，見《城抗規》7.3.8條。等效屈服彎矩Mu為按照實際配筋，采用材料的標準強度，在恒載軸力下的計算出的截面受彎承載力。

      ④判斷墩柱是否在E2的地震作用下屈服：當E2地震作用下的最大彎矩小于屈服彎矩Mu時，則表明在E2的地震作用下，墩柱未達到屈服狀態，支座、蓋梁、基礎設計值則采用E2地震作用下的最大彎矩、剪力；當E2地震作用下的最大彎矩大于屈服彎矩Mu時，則表明在E2的地震作用下，墩柱已經屈服，支座、蓋梁、基礎設計值則采用E2地震作用下的超強彎矩和剪力。

(2)計算墩頂位移和墩柱塑性鉸區域塑性轉動能力

      E2作用下，計算墩頂位移和墩柱塑性鉸區域塑性轉動能力，計算結果小于等于最大容許位移和最大容許轉角，則驗算通過。

(3)進行下部結構能力保護設計

      墩柱在E2地震作用下屈服，墩柱作為延性構件設計，橋梁支座、蓋梁、基礎作為能力保護構件設計，墩柱的抗剪強度按能力保護原則設計，墩梁固結的橋梁主梁節點也應采用能力保護設計。

      ①墩柱抗剪強度計算：墩柱剪力設計值根據塑性鉸區域的截面超強彎矩來計算，墩柱超強彎矩Myo=1.2Mu，剪力設計值根據墩柱塑性鉸區的超強彎矩計算。

      對于簡支梁和連續梁，獨柱結構塑性鉸一般在柱底，墩柱剪力設計值為塑性鉸區域的超強彎矩除以柱高；

      對于墩梁固結的鋼構橋，墩底和墩頂均可能形成塑性鉸，墩柱剪力設計值為墩底、墩頂塑性鉸區域的超強彎矩之和除以柱高；

      雙柱結構塑性鉸在柱頂和柱底位置，橫橋向地震作用下，會在墩柱中產生較大的動軸力，而墩柱軸力的變化會引起鋼筋混凝土墩柱抗彎承載力的改變，《城抗規》建議采用靜力推倒方法，通過迭代計算出各墩柱塑性區域截面超強彎矩，從而計算剪力。

      ②蓋梁設計：根據墩柱塑性鉸區域的超強彎矩并考慮恒載效應進行強度校核。雙柱墩和多柱墩橋梁，橫橋向地震作用下，鋼筋混凝土墩柱作為延性構件產生彈塑性變形耗散地震能量，而蓋梁作為能力保護構件，應保持彈性。根據能力保護設計方法，蓋梁彎矩設計值為墩頂塑性鉸區域的超強彎矩與恒載狀態下蓋梁彎矩之和，蓋梁抗彎強度應大于蓋梁可能在地震中的彎矩。

      ③基礎設計：在地震過程中，如基礎發生損傷，難以發現并且維修困難，因此要求采用能力保護設計方法進行基礎計算和設計。梁橋基礎沿橫橋向、順橋向的彎矩、剪力和軸力設計值應根據墩柱底部可能出現塑性鉸處的彎矩承載能力(考慮超強系數)、剪力設計值和相應的墩柱軸力來計算，在計算這些設計值時應和自重產生的內力組合，驗算樁基承載能力。

      ④支座設計：根據墩柱塑性鉸區域的超強彎矩計算墩柱順橋向、橫橋向水平剪力設計值，對支座進行厚度驗算和抗滑移穩定驗算，對固定支座進行強度驗算。

04結語

      抗震設計涉及橋梁結構抗震安全，是橋梁設計的重要內容，也是《城抗規》規定的強制性條文。實際工作中，結合橋梁結構型式、橋梁在城市交通中的位置，選擇合理的抗震體系，形成恰當的耗能機制。設計時可以主動選擇墩柱潛在塑性鉸區域消耗地震力，而墩柱抗剪、蓋梁、基礎、支座則需進行能力保護設計。

下載地址：公路橋梁抗震設計細則JTGT B02-01-2008