基于性能的橋梁抗震設(shè)計(jì)理論的探討

邵玉剛 馬賢明

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢 430052)

1 概述

近年來(lái)，世界范圍內(nèi)發(fā)生了幾次影響較大的地震，如汶川地震、海地地震、智利地震、日本福島地震等。這些地震都造成了重大人員傷亡，更重要的是作為生命線工程的橋梁倒塌，直接影響了震后救援的及時(shí)展開(kāi)，造成了更大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)災(zāi)難。因此，直到20世紀(jì)90年代，美國(guó)抗震專家提出了基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想，即Performance-based Seismic Design［1］。這種設(shè)計(jì)方法是針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)形式和地震設(shè)防水準(zhǔn)，制定相應(yīng)的性能目標(biāo)，通過(guò)合理的抗震設(shè)計(jì)使結(jié)構(gòu)對(duì)不同水準(zhǔn)地震的響應(yīng)滿足該目標(biāo)。基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論已成為21世紀(jì)世界各國(guó)抗震理論研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

2 國(guó)內(nèi)外橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的現(xiàn)狀

地震給人類造成的慘痛教訓(xùn)使得人們不停地改進(jìn)橋梁設(shè)計(jì)思想，以期使地震造成的橋梁破壞最小化。從最初的靜力設(shè)計(jì)方法，到基于強(qiáng)度與位移的設(shè)計(jì)方法，經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，并形成了規(guī)范或指導(dǎo)性的設(shè)計(jì)文件，如［2］:

美國(guó)也在幾次大震中汲取教訓(xùn)，對(duì)橋梁的抗震規(guī)范進(jìn)行了修編，得到了美國(guó)聯(lián)邦公路局以及加州政府的大力資助。對(duì)結(jié)構(gòu)抗震的基本問(wèn)題重新進(jìn)行了大量的研究，并十分重視減隔振、耗能技術(shù)在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。橋梁、道路方面的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范已經(jīng)重新編寫(xiě)，完成了ATC-32和ATC-40等研究報(bào)告或指南等。這次修編更加注重橋梁的抗震設(shè)計(jì)思想和方法，甚至在設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)和計(jì)算程序上都有了很大程度的改進(jìn)。日本于1995年阪神大地震之后，針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震安全性能、橋梁減震隔振方法、防震措施等各方面進(jìn)行大量的研究，并開(kāi)發(fā)出許多橋梁減震耗能構(gòu)件，如減震橡膠支座、鋼阻尼支座等等，在橋梁設(shè)計(jì)上也得到了大量的應(yīng)用。

在橋梁結(jié)構(gòu)抗震理論不斷發(fā)展的今天，結(jié)合實(shí)際震害對(duì)現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行反思，也仍有不足之處，如:與結(jié)構(gòu)性能有關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)選擇不適當(dāng);規(guī)范的性能概念不明確，設(shè)計(jì)透明度小;規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)缺少靈活性;結(jié)構(gòu)的性能水平?jīng)]有用來(lái)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)估等。

從各國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范來(lái)看，當(dāng)前主要地震國(guó)家橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的基本思想是一致的，即兩水準(zhǔn)設(shè)防、兩階段設(shè)計(jì)，當(dāng)然也有三水準(zhǔn)設(shè)防、兩階段設(shè)計(jì)的案例。但總的來(lái)講，各國(guó)規(guī)范遵循的一個(gè)總的原則即為“小震不壞、中震可修、大震不倒”。比如，在美國(guó)規(guī)范中，設(shè)防水準(zhǔn)歸納為兩個(gè)等級(jí):功能設(shè)計(jì)地震與安全設(shè)計(jì)地震，功能設(shè)計(jì)地震具有較大的發(fā)生概率，安全設(shè)計(jì)地震具有很小的發(fā)生概率。在其他許多國(guó)家的抗震規(guī)范中，也或多或少地采用了這一設(shè)計(jì)原則，即便如此，各國(guó)規(guī)范在具體的設(shè)計(jì)程序上絕大多數(shù)仍堅(jiān)持以安全設(shè)計(jì)地震為準(zhǔn)的單一水平設(shè)計(jì)手法，并認(rèn)為第一設(shè)計(jì)水準(zhǔn)的要求自動(dòng)滿足［3］。

近年來(lái)，專家已建議對(duì)兩個(gè)設(shè)防水準(zhǔn)的地震力都要進(jìn)行設(shè)計(jì)，這在一定程度上更加保證了橋梁結(jié)構(gòu)的抗震安全性，也是未來(lái)橋梁抗震設(shè)計(jì)的一個(gè)發(fā)展方向。

3 理念的提出

基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想是一個(gè)比較抽象的概念，它沒(méi)有明確的力的大小的物理意義，也沒(méi)有單純的材料強(qiáng)度或結(jié)構(gòu)位移的具體量化結(jié)果。因此，基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想不能比較明確的用一個(gè)參數(shù)來(lái)衡量結(jié)構(gòu)的抗震性能，它是對(duì)以往的結(jié)構(gòu)的響應(yīng)的一個(gè)綜合考量，結(jié)構(gòu)的性能往往與結(jié)構(gòu)的受力大小、強(qiáng)度或位移，耗能能力以及結(jié)構(gòu)的功能有關(guān)，更為直接地反映的是為滿足人們的正常使用要求或結(jié)構(gòu)功能性或安全性的性能綜合考量。因此，對(duì)于不同的需求和功能要求，同樣一座橋梁的抗震評(píng)估結(jié)果將有所不同［1］。

基于性能的抗震設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)要的概括為，用總少的投入，建總可靠的橋梁。正如著名的地震工程學(xué)家胡聿賢先生所講，工程抗震不僅與工程技術(shù)有關(guān)，而且與社會(huì)經(jīng)濟(jì)密切相關(guān)。基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想是橋梁抗震設(shè)計(jì)思想發(fā)展的一種必然趨勢(shì)，對(duì)于人類進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展都將起到積極的作用。

基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想是一個(gè)全新的思想體系，目前已經(jīng)取得了一些研究成果，但到廣泛的應(yīng)用還有一定的距離，甚至目前都沒(méi)有形成完全統(tǒng)一的概念。但這并不妨礙基于性能的設(shè)計(jì)思想的進(jìn)一步完善。

4 設(shè)計(jì)方法的體現(xiàn)

傳統(tǒng)的橋梁抗震設(shè)計(jì)思想即對(duì)某一性能目標(biāo)進(jìn)行比較，如對(duì)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)力、地震位移、結(jié)構(gòu)耗能等單一性能參數(shù)進(jìn)行考慮。從嚴(yán)格意義來(lái)講，這并不能反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)安全性能。而基于性能的抗震設(shè)計(jì)，其目標(biāo)即為業(yè)主的期望目標(biāo)或結(jié)構(gòu)性能，包括地震動(dòng)性能目標(biāo)和結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)?；谛阅艿目拐鹦阅苣繕?biāo)，是一個(gè)對(duì)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的性能的一個(gè)綜合考慮，因此，各單一結(jié)構(gòu)性能之間的相互關(guān)系顯得十分重要而又相互制約，如連續(xù)梁橋梁結(jié)構(gòu)的梁端位移與墩底彎矩即為相互制約的關(guān)系，基于性能的設(shè)計(jì)思想即要從這兩者之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，以達(dá)到各單一性能的充分而平衡的發(fā)揮。

同時(shí)，基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想也要對(duì)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)提出要求。人們總是希望結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為目的，基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想即在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)遭受地震破壞所造成的損失、維修成本、社會(huì)影響等進(jìn)行綜合評(píng)估，這也是基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想所必須考慮的一個(gè)關(guān)鍵所在。

基于性能的橋梁抗震設(shè)計(jì)是一個(gè)涉及多門學(xué)科的綜合型研究領(lǐng)域，需要對(duì)多個(gè)領(lǐng)域，如地震學(xué)、橋梁工程、經(jīng)濟(jì)等都要有一定程度的認(rèn)知才能進(jìn)行基于性能的抗震設(shè)計(jì)，這也對(duì)橋梁抗震設(shè)計(jì)工程師提出了更高的要求。

5 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

概括起來(lái)，基于性能的抗震設(shè)計(jì)具有如下特點(diǎn)［4，5］:

1)基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想繼承了“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)計(jì)理念，但在此基礎(chǔ)上，更加綜合地考慮了人身安全與結(jié)構(gòu)性能的因素。只有在綜合比較了結(jié)構(gòu)性能、經(jīng)濟(jì)損失、社會(huì)影響等眾多因素之后，方可進(jìn)行最佳的抗震設(shè)計(jì)。

2)基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想不再把單一的結(jié)構(gòu)響應(yīng)作為評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)抗震性能的目標(biāo)，而是把業(yè)主對(duì)結(jié)構(gòu)的性能需求與業(yè)主的經(jīng)濟(jì)投入能力的綜合因素作為抗震設(shè)計(jì)的目標(biāo)。因此，結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標(biāo)不再是唯一的，而是可選的，基于此，可以預(yù)先評(píng)估出橋梁的抗震性能。

3)為了更加完善橋梁的結(jié)構(gòu)性能，特別是考慮多重因素下的結(jié)構(gòu)性能，必然對(duì)設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)方法，材料性能等都提出了更高的要求，也給予設(shè)計(jì)者更多的選擇，因此，對(duì)于推動(dòng)橋梁抗震理論的發(fā)展和新材料的開(kāi)發(fā)將起到積極的作用。

6 結(jié)語(yǔ)

基于性能的抗震設(shè)計(jì)思想已經(jīng)在一些橋梁設(shè)計(jì)中得到了初步應(yīng)用，但并不完美，并且在許多細(xì)節(jié)方面，還存在許多困難?？偨Y(jié)起來(lái)，作者認(rèn)為可以在以下幾個(gè)方面作進(jìn)一步的研究:

1)目前的結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估都是基于常規(guī)橋梁，也是基于單一因素的損傷界定，對(duì)于基于性能的設(shè)計(jì)方法已不再適用。因此，建議對(duì)橋梁多重地震損傷性能評(píng)估的指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行深入研究。針對(duì)一個(gè)大型結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)不同構(gòu)件的不同功能提出不同的性能要求，也按照不同的性能指標(biāo)去評(píng)價(jià)其性能。同時(shí)，也可以考慮用多重性能指標(biāo)對(duì)一個(gè)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，使各個(gè)構(gòu)件都能盡其所能。

2)使橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)達(dá)到社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益最大化是未來(lái)的一個(gè)發(fā)展方向。發(fā)展基于壽命周期的橋梁抗震性能—投資—經(jīng)濟(jì)效益的評(píng)估方法，建立橋梁的抗震性能評(píng)估體系。

［1］SEAOC.Vision2000，Conceptual framework for performance-based seismic design［R］.Sacramento，1995.

［2］范立礎(chǔ).橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)劃的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2001，21(2):34-35.

［3］Kowalsky，M.J.，Priestley，et al.Displacement-based design of RC bridge column in seismic regions［J］.Earthquake Engineering and Structural Dynamics，1995(24):1623-1643.

［4］梁智垚.橋梁高墩位移延性能力計(jì)算方法研究［J］.工程抗震與加固改造，2005，27(5):82-83.

［5］翟東武.高墩大跨橋梁結(jié)構(gòu)非線性地震行為及基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法［D］.北京:北方交通大學(xué)，2001.