基于性能的桥梁抗震设计理论的探讨

邵玉刚 马贤明

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉 430052)

1 概述

近年来，世界范围内发生了几次影响较大的地震，如汶川地震、海地地震、智利地震、日本福岛地震等。这些地震都造成了重大人员伤亡，更重要的是作为生命线工程的桥梁倒塌，直接影响了震后救援的及时展开，造成了更大的经济损失和社会灾难。因此，直到20世纪90年代，美国抗震专家提出了基于性能的抗震设计思想，即Performance-based Seismic Design［1］。这种设计方法是针对不同的结构形式和地震设防水准，制定相应的性能目标，通过合理的抗震设计使结构对不同水准地震的响应满足该目标。基于性能的抗震设计理论已成为21世纪世界各国抗震理论研究的热点问题之一。

2 国内外桥梁抗震设计规范的现状

地震给人类造成的惨痛教训使得人们不停地改进桥梁设计思想，以期使地震造成的桥梁破坏最小化。从最初的静力设计方法，到基于强度与位移的设计方法，经历了一个长期的过程，并形成了规范或指导性的设计文件，如［2］:

美国也在几次大震中汲取教训，对桥梁的抗震规范进行了修编，得到了美国联邦公路局以及加州政府的大力资助。对结构抗震的基本问题重新进行了大量的研究，并十分重视减隔振、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，完成了ATC-32和ATC-40等研究报告或指南等。这次修编更加注重桥梁的抗震设计思想和方法，甚至在设计细节和计算程序上都有了很大程度的改进。日本于1995年阪神大地震之后，针对桥梁结构的抗震安全性能、桥梁减震隔振方法、防震措施等各方面进行大量的研究，并开发出许多桥梁减震耗能构件，如减震橡胶支座、钢阻尼支座等等，在桥梁设计上也得到了大量的应用。

在桥梁结构抗震理论不断发展的今天，结合实际震害对现行规范进行反思，也仍有不足之处，如:与结构性能有关的设计参数选择不适当;规范的性能概念不明确，设计透明度小;规范标准缺少灵活性;结构的性能水平没有用来进行经济评估等。

从各国的设计规范来看，当前主要地震国家桥梁抗震设计规范的基本思想是一致的，即两水准设防、两阶段设计，当然也有三水准设防、两阶段设计的案例。但总的来讲，各国规范遵循的一个总的原则即为“小震不坏、中震可修、大震不倒”。比如，在美国规范中，设防水准归纳为两个等级:功能设计地震与安全设计地震，功能设计地震具有较大的发生概率，安全设计地震具有很小的发生概率。在其他许多国家的抗震规范中，也或多或少地采用了这一设计原则，即便如此，各国规范在具体的设计程序上绝大多数仍坚持以安全设计地震为准的单一水平设计手法，并认为第一设计水准的要求自动满足［3］。

近年来，专家已建议对两个设防水准的地震力都要进行设计，这在一定程度上更加保证了桥梁结构的抗震安全性，也是未来桥梁抗震设计的一个发展方向。

3 理念的提出

基于性能的抗震设计思想是一个比较抽象的概念，它没有明确的力的大小的物理意义，也没有单纯的材料强度或结构位移的具体量化结果。因此，基于性能的抗震设计思想不能比较明确的用一个参数来衡量结构的抗震性能，它是对以往的结构的响应的一个综合考量，结构的性能往往与结构的受力大小、强度或位移，耗能能力以及结构的功能有关，更为直接地反映的是为满足人们的正常使用要求或结构功能性或安全性的性能综合考量。因此，对于不同的需求和功能要求，同样一座桥梁的抗震评估结果将有所不同［1］。

基于性能的抗震设计可以简要的概括为，用总少的投入，建总可靠的桥梁。正如著名的地震工程学家胡聿贤先生所讲，工程抗震不仅与工程技术有关，而且与社会经济密切相关。基于性能的抗震设计思想是桥梁抗震设计思想发展的一种必然趋势，对于人类进步和社会发展都将起到积极的作用。

基于性能的抗震设计思想是一个全新的思想体系，目前已经取得了一些研究成果，但到广泛的应用还有一定的距离，甚至目前都没有形成完全统一的概念。但这并不妨碍基于性能的设计思想的进一步完善。

4 设计方法的体现

传统的桥梁抗震设计思想即对某一性能目标进行比较，如对结构的地震响应力、地震位移、结构耗能等单一性能参数进行考虑。从严格意义来讲，这并不能反映结构的真实安全性能。而基于性能的抗震设计，其目标即为业主的期望目标或结构性能，包括地震动性能目标和结构抗震性能目标。基于性能的抗震性能目标，是一个对传统的结构的性能的一个综合考虑，因此，各单一结构性能之间的相互关系显得十分重要而又相互制约，如连续梁桥梁结构的梁端位移与墩底弯矩即为相互制约的关系，基于性能的设计思想即要从这两者之间找到一个平衡点，以达到各单一性能的充分而平衡的发挥。

同时，基于性能的抗震设计思想也要对结构的经济指标提出要求。人们总是希望结构设计以社会效益和经济指标为目的，基于性能的抗震设计思想即在对结构进行抗震设计时，对桥梁结构遭受地震破坏所造成的损失、维修成本、社会影响等进行综合评估，这也是基于性能的抗震设计思想所必须考虑的一个关键所在。

基于性能的桥梁抗震设计是一个涉及多门学科的综合型研究领域，需要对多个领域，如地震学、桥梁工程、经济等都要有一定程度的认知才能进行基于性能的抗震设计，这也对桥梁抗震设计工程师提出了更高的要求。

5 设计特点

概括起来，基于性能的抗震设计具有如下特点［4，5］:

1)基于性能的抗震设计思想继承了“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计理念，但在此基础上，更加综合地考虑了人身安全与结构性能的因素。只有在综合比较了结构性能、经济损失、社会影响等众多因素之后，方可进行最佳的抗震设计。

2)基于性能的抗震设计思想不再把单一的结构响应作为评价结构抗震性能的目标，而是把业主对结构的性能需求与业主的经济投入能力的综合因素作为抗震设计的目标。因此，结构的抗震设防目标不再是唯一的，而是可选的，基于此，可以预先评估出桥梁的抗震性能。

3)为了更加完善桥梁的结构性能，特别是考虑多重因素下的结构性能，必然对设计理念和设计方法，材料性能等都提出了更高的要求，也给予设计者更多的选择，因此，对于推动桥梁抗震理论的发展和新材料的开发将起到积极的作用。

6 结语

基于性能的抗震设计思想已经在一些桥梁设计中得到了初步应用，但并不完美，并且在许多细节方面，还存在许多困难。总结起来，作者认为可以在以下几个方面作进一步的研究:

1)目前的结构损伤评估都是基于常规桥梁，也是基于单一因素的损伤界定，对于基于性能的设计方法已不再适用。因此，建议对桥梁多重地震损伤性能评估的指标参数进行深入研究。针对一个大型结构，可以根据不同构件的不同功能提出不同的性能要求，也按照不同的性能指标去评价其性能。同时，也可以考虑用多重性能指标对一个构件或结构体系进行性能评价，使各个构件都能尽其所能。

2)使桥梁结构的设计达到社会经济效益最大化是未来的一个发展方向。发展基于寿命周期的桥梁抗震性能—投资—经济效益的评估方法，建立桥梁的抗震性能评估体系。

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

［2］范立础.桥梁抗震设计规划的现状与发展趋势［J］.地震工程与工程振动，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.桥梁高墩位移延性能力计算方法研究［J］.工程抗震与加固改造，2005，27(5):82-83.

［5］翟东武.高墩大跨桥梁结构非线性地震行为及基于位移的抗震设计方法［D］.北京:北方交通大学，2001.