基于性能的桥梁结构抗震设计理论_论文发表__墨水学术,论文发表,

所属栏目：交通运输论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:220

副标题#e#摘要：基于性能的桥梁抗震设计是未来抗震设计的发展方向。本文阐述了基于性能的桥梁抗震设计的一些基本问题，介绍了常见的基于性能的桥梁抗震设计方法，为今后的桥梁抗震设计提供一些参考。
　　关键词：基于性能；桥梁抗震；性能水准；性能目标；设计方法
　　1引言
　　桥梁结构抗震设计的发展是建立在强烈震害调查基础上的，在人类历史上，每一次强烈地震给人类带来巨大灾害的同时，也暴露出了桥梁设计的一些不足之处，为抗震方法的改进提供了最直接的指导。目前，这些抗震方法和抗震规范就是总结以往的经验教训的基础上发展起来的。在现行的桥梁抗震思想的指导下，桥梁抗震设计取得了很大的进步，而且许多桥梁在实际地震中表现出良好的抗震性能。但是，也有相当一部分桥梁遭受了严重的破坏，使得交通受阻，灾后救援工作无法进行，给社会带来了巨大的经济损失。鉴于此种情况，新的公路桥梁抗震细则里面采用了“两水平设防，两阶段设计”的抗震设计思想。但是并没有具体量化这些准则，有的规定比较模糊，实际设计中很难控制。地震灾害的高度不确定性和现代地震灾害引起的巨大经济损失的特点，使世界工程界对过去长期视为正确的设计思想和方法进行了反思，认为过去的抗震设计只以人身安全为目标是远远不够的，抗震设计不仅应考虑人身安全，而且应考虑结构破坏所造成的巨大的经济损失能得以控制。抗震设计如何能既经济又可靠的保证结构的功能在地震的作用下不致丧失甚至不受影响，进一步探讨更完善的结构抗震设计思想和方法成为了迫切的需要。在此背景下,基于性能的抗震设计被广泛讨论,并且被认为是未来抗震设计的主要发展方向.目的就是在未来抗震设计中,在不同强度水平地震作用下,能够有效地控制桥梁结构的破坏状态,使桥梁结构实现明确的不同性能水平.从而使桥梁结构在整个生命周期内,在遭受可能发生的地震作用下,总体费用达到最小。
　　2基于性能的抗震思想的提出
　　基于性能的抗震设计被广泛提起，它并不是一个全新的概念。目前，普遍认为比较明确提出基于性能的抗震设计思的是1992年由美国学者提出的，它是使设计出的结构在未来的地震灾害下能够维持所要求的性能水平。基于性能的结构抗震设计方法是以结构抗震性能分析为基础的设计方法，根据桥梁结构的重要性以及业主的特殊要求确定其性能指标，并根据不同的性能目标提出不同的抗震设防水准，使设计的桥梁结构在未来的地震中具备预期的性能。但是对于基于性能的抗震设计,现在还没有一个统一的定义。比较有权威性的是美国SEAOC,ATC和FEMA等组织给出的基于性能设计的描述。其中SEAOC对基于性能抗震设计的描述是“性能设计应该是选择一定的设计标准,恰当的结构形式,合理的规划和结构比例，保证建筑物的结构与非结构的细部构造设计，控制建造质量和长期维护水平，使得建筑物在遭受一定水平地震作用下,结构的破坏不超过一个特定的极限状态”。ATC对基于性能抗震设计的描述为“基于性能抗震设计是指结构的设计标准由一系列可以取得的结构性能目标来表示。主要针对混凝土结构并且采用基于能力的设计原理”。FEMA对基于性能抗震设计的描述为“基于不同强度地震作用,得出不同的性能目标。在分析和设计中采用弹性静力和弹塑性时程分析来得到一系列的性能水平,并且采用建筑物顶点位移来定义结构和非结构构件的性能水平,不同的结构形式采用不同的性能水平”。
　　3桥梁结构抗震性能水准的确定
　　实际震害表明,在以生命安全为单一设防水准的规范指导下设计的结构,尽管可以有效防止倒塌,但结构破坏带来的直接与间接财产损失是事先无法预料的。为了能改变这种情况的发生,就要求设计的结构不仅要保证生命的安全,同时也要控制结构的破坏程度,将物质财产的损失控制在可以接受的范围内。这就需#p#副标题#e#要在实际设计中,针对不同地震作用水准,明确工程结构应该具有的性能水准。
　　对桥梁结构进行基于性能的抗震设计，首先应该明确划分其抗震性能水准和性能指标。在性能水准的界定方面，Park等（Y.J.Park和R.S.Ang,1985从9座实际地震下遭受不同程度破坏的结构中，分析得到了损伤指数DI（由Park—Ang双参数模型确定）与破坏等级的关系，将DI=0.4作为可修复破坏的临界值，当DI>1.0时，视作结构倒塌。Hindi和Sexsmith根据钢筋混凝土桥墩在地震动循环加载下的损伤性能分布特征，给出如表1所示的损伤指数与破坏等级间关系，用于定义结构在不同预期损伤状态下的具体度量值。
　　

表1 Hindi和Sexsmith建议的破坏等级

损伤指数	破坏等级
DI﹤0.1	无损伤
0.1≤DI﹤0.2	微小损伤，轻微开裂，极易修复
0.2≤DI﹤0.4	中等损伤，严重开裂，保护层剥落，可维修
0.4≤DI﹤0.6	严重损伤，大量开裂，钢筋裸露，修复困难
0.6≤DI﹤1.0	严重损伤，混凝土压溃，钢筋屈曲，不可修复
DI≥1.0	完全倒塌

　　为了考虑地震设防水准和结构性能指标间的关系，潘龙在参照对比钢筋混凝土建筑结构不同震害等级的损伤指数范围以及地震设防水准的基础上，给出了如表2所示的钢筋混凝土桥梁结构不同地震水平的损伤性能指标。合理性能目标的确定，有赖于震害观测资料和实验数据的积累，且和地震设防水准和预期性能要求密切相关，还需要大量的研究工作。
　　

表2 钢筋混凝土桥梁结构不同地震水平的损伤性能指标

类别	Ⅰ（多遇地震）	Ⅱ（设计地震）	Ⅲ（罕遇地震）
甲A		0～0.25	0.25～0.50
甲B	0～0.25	0.25～0.50	0.50～0.90
乙	0～0.25	0.25～0.50	0.50～0.90
丙	0～0.25		0.50～0.90

　　4桥梁结构抗震性能目标的确定
　　基于性能抗震设计的目标是在结构的整个寿命期内，在“一定的条件”下，花在抗震上的费用最少，即追求结构在服役期内的“最佳经济效益—成本比”。这里的“费用”是指增加抗震能力的投资和因地震破坏造成的损失，包括人员伤亡、运营中断、重复修建等；“一定的条件”是指结构的性态目标。
　　基于性能的抗震设计实质上是对“多级抗震设防”思想的进一步细化，目的在未来抗震设计中，在不同地震设防水准下，能够有效地控制结构的破坏状态，使结构实现不同性能水平。从而使结构在整个生命周期内，在遭受可能发生的地震作用下，总体费用达到最小。目前国内外在结构性能抗震设计方面的研究主要集中在结构性能目标、性能水准的确定、抗震性能评估方法的研究上。
　　FEMA提出的设防性能目标是按地震作用水准和建筑性能水准来确定建筑抗震性能目标,根据表3可产生3个组合的抗震设防性能目标。
　

表3 地震作用水准和建筑性能水准与建筑抗震性能目标

地震作用水准	建筑性能水准
	正常使用	可以暂时使用	生命安全	防止倒塌
常遇地震	1
偶遇地震	5	2
少遇地震	8	6	3
罕遇地震	9	10	7	4

　　第一组基本目标为表中1,2,3,4项组合,对于只有一般使用要求的建筑应具备的最基本的性能目标；
　　第二组重要性较高或地震破坏后危险性较大的性能目标为表中5,6,7项组合；
　　第三组危险的特殊性能目标为表中8,9,10项组合。
　　5基于性能的抗震设计方法
　　5.1承载能力抗震设计方法
　　这是我国规范现阶段采用的设计方法,对于常遇地震,利用反应谱计算底部剪力，然后按一定规则分配至结构全高并与其它荷载组合，进行结构的强度设计，使结构各部分都具有足够的承载能力,然后再进行变形验算。承载能力设#p#副标题#e#计方法的优点是易于使用,性能概念清楚,细部设计可靠,通过非线性静力分析验算,进一步增强了对结构非线性反应的控制,可以更好地达到预期性能目标；缺点是该方法基于弹性反应,对于非弹性反应仅用与结构类型有关的系数加以折减,表面上它控制整个性能目标,实际上却只是保证了一种性能目标。
　　5.2基于位移的抗震设计方法
　　该方法采用结构位移作为结构性能指标,与传统设计方法相比,基于位移的抗震设计方法从根本上改变了设计过程。主要的不同是,该方法用位移作为整个抗震设计过程的起点,假定位移或层间位移是结构抗震性能的控制因素。设计时用位移控制,通过设计位移谱得出在此位移时的结构有效周期,求出此时结构的基底剪力,进行结构分析,并且进行具体配筋设计。设计后用应力验算,不足的时候用增大刚度而不是强度的方法来改进,以位移目标为基准来配置结构构件。该法考虑了位移在抗震性能中的重要地位,可以在设计初始就明确设计的结构性能水平,并且使设计的结构性能正好达到目标性能水平,是性能设计理论中很有前途的一种方法。但应用于多自由度体系、多种结构类型等时,还需要进一步研究。
　　5.3能量法
　　假设结构破坏的原因是地震输入的总能量,地震对结构物及其内部设施的破坏是由其输入的能量与结构物所消耗的能量共同决定的。能量设计法的优点就在于能够直接估计结构的潜在破坏程度,对结构的滞回特性以及结构的非线性要求概念清楚。另外,耗能元件的设置可以更好地控制损失.缺点在于应用方法不够简化,不确定因素较多。
　　6结语
　　基于性能的抗震设计方法,不但可以改善现行抗震设计方法存在的问题,而且还可以根据投资—效益理论使安全、经济和社会等多方因素达到一个最好的平衡。但是基于性能的抗震设计还处于起步阶段,还有很多工作要做,人们应该具有长远的眼光,看到基于性能的抗震设计方法对未来防震减灾工作的贡献,努力克服推广基于性能抗震设计方法时面临的困难。
　　参考文献
　　[1]小谷俊介.日本基于性能结构抗震设计方法的发展[J].建筑结构.2000,6
　　[2]程耿东,李刚.基于功能的结构抗震设计中的一些问题的探讨[J].建筑结构学报,2000,21
　　[3]李国强.基于概率可靠度进行结构抗震设计的若干理论问题[J].建筑结构学报,2000，21
　　[4]马宏旺,吕西林.建筑结构基于性能抗震设计的几个问题[J].同济大学学报,2002,30，12
　　[5］潘龙.基于推倒分析方法的桥梁结构地震损伤分析和性能设计[D].上海：同济大学，2001