基于性能桥梁抗震设计理论发展

取屈服力 Fy=Fd，进行截面设计
较大的模糊性，这主要表现在以下几方面： 1) 基于强度设计理论需首先确定结构的自振 周期，结构的自振周期与结构的初始刚度直接相 关，但现行抗震规范中，对于截面弹性刚度的取值 没有进行明确的规定，一般在进行桥梁的抗震设计
(a)
水平力 F
弹性地震力 Fe Fe 设计地震力 Fd=Fe /R
[1]
震设计规范的重要研究课题[2
―3]
。 我国于 2004 年颁
布了《建筑工程抗震性态设计通则(试用)》(CECS 160: 2004)[4]，这是一本自愿采用的试用标准，主要 适用于工业与民用建筑和部分构筑物基于性能的 抗震设计。我国正在编制的《城市桥梁抗震设计规 范》也引进了基于性能的抗震设计思想[5]。基于性 能的抗震设计理论针对不同的结构特点和性能要 求，综合考虑和应用设计参数、结构体系、构造措 施和减震装置来保障桥梁结构在各级地震水平作 用下的抗震性能。 本文主要针对桥梁结构的特点，在对基于强度 抗震设计理论进行回顾的基础上，阐述了近年来国 内外基于性能抗震设计理论研究的进展，探讨了梁 桥抗震性能指标的合理取值，对于基于位移抗震设 计方法进行了研究。
摘
要：首先对基于强度抗震设计理论进行了回顾、分析；阐述了近年来国内外基于性能抗震设计理论研究的进
展，在此基础上，结合我国梁式桥的实际特点，提出了梁桥基于性能设计的目标位移和目标延性的计算公式，研 究、讨论了单自由度和多自由度体系基于位移抗震设计方法。 关键词：桥梁；抗震理论；性能设计；位移设计；单自由度；多自由度 中图分类号：U448 文献标志码：A
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收稿日期：2011-06-11 基金项目：国家科技支撑计划项目(2009BAG15B01)；交通部西部科技项目(200731882233)；国家自然科学基金项目(51008222) 作者简介：*李建中(1963―)，男，湖北人，教授，博士，博导，副院长，主要从事桥梁抗震研究(E-mail: lijianzh@tongji.edu.cn)； 管仲国(1976―)，男，辽宁人，副研究员，博士，主要从事桥梁抗震研究(E-mail: guanzhongguo@tongji.edu.cn).
弯矩 M 弯矩 M EIeff1 EIeff2 My1 My2 My3 EIeff3 O My1 My2 My3
20 世纪 90 年代， 美国应用技术协会(ATC)、 美 国土木工程师协会 (ASCE) 和建筑安全协会 (BSSC) 开始着手编制第一部针对既有建筑物抗震加固的 基于性能抗震规范：FEMA-273[10]。与此同时，美 国应用技术协会受加州抗震安全委员会 (CSSC) 委 托，也开始编制专门针对混凝土结构抗震评估与加 固的 ATC-40[11]规范。在这两部规范中，对性能目 标进行了明确的划分(正常使用状态、 生命安全状态 和避免倒塌状态)，并采用了非线性静力分析方法 (推倒分析方法)来对结构的性能进行评价。 1989 年 Loma Prieta 地震后，美国开展了加州 桥梁抗震设计准则和设计程序评估的研究项目。在 该项目的研究报告 (ATC-18)[12] 中提出了两个地震 设计水平：一个是安全评估地震，为用概率方法衡 量的具有 1000 年~2000 年重现期的地震； 另一个是 功能评估地震，相应的重现期为 72 年~250 年。根 据(ATC-18)的定义，重要桥梁在功能评估地震作用 下只允许发生极小的损伤，而在安全评估地震作用 下允许发生可修复的破坏。对于重要桥梁，通过二 级地震动水平进行直接设计实现其性能目标。建议 的两水平设计准则概括在表 1 中。结合 ATC-18 两 水平设计准则，通过大量研究，美国 ATC-18 还给 出了桥梁结构损伤水平的定量描述，如表 2 所示。
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1 基于强度的抗震设计方法及其 局限性
1.1 基于强度抗震设计方法 我国《公路工程抗震设计规范》 (1989)[6]和美 国 AASHTO(2005)[7]等规范对于规则桥梁的抗震设 计和验算均采用基于强度的抗震设计方法。其主要 的设计过程为：首先，计算结构的自振周期 T0 ，并 根 据 弹 性 加速 度 反 应 谱计 算 结 构 的弹 性 地 震 力 Fe0 ；然后，考虑结构进入塑性状态后与弹性工作 状态的差别， 采用一个强度折减系数 R (我国采用综 合影响系数 Cz ， Cz 1 / R ) 对弹性地震力进行折 减，得到结构的设计地震力 Fd0 ；最后，取结构的 屈服力与设计地震力相等，并据此来进行结构的配 筋设计。基本的设计流程如图 1 所示。
第 28 卷增刊 II 2011 年 12 月
Vol.28 Sup.II Dec. 2011
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ENGINEERING MECHANICS
文章编号：1000-4750(2011)Sup.II-0024-07
基于性能桥梁抗震设计理论发展
*
李建中，管仲国
(同济大学桥梁工程系，上海 200092)
修正系数 R 或综合影响系数 Cz 与结构的延性 能力有直接的关系。在进行墩柱的抗震设计时，修 正系数 R 或综合影响系数 Cz 的取值是根据结构的
性系数为 ，则结构可能最大修正系数 R 的理论 值为：
位移延性系数 得到的。 理论上， 如结构的位移延
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当墩高为 8m 时，其位移延性能力约为墩高为 3m 时的一半。但在基于强度抗震设计中，强度折减系 数取值相同，将会导致结构在设计地震作用下的安 全程度(或者损伤程度)存在较大的差异。 3) 在基于强度抗震设计方法中， 没有明确提出 结构的设计目标，在设计过程中又仅体现了结构对 强度的要求，从而容易造成工程技术人员偏重于保 证结构的强度而忽略了对变形的要求。基于强度抗 震设计方法存在的这些局限性，使得工程技术人员 很难对结构的抗震性能进行有效地把握和控制，不 利于实现基于性能的抗震设计思想。
性能水平 普通桥梁 服务水平－即时 可修复的损伤 服务水平－有限的 重大损伤 重要桥梁 服务水平－即时 最小损伤 服务水平－即时 可修复的损伤
地震动水平
(a) μ∆ =5.1 Fig.3
(b) μ∆ =9.4
图 3 墩高对位移延性能力的影响 The Effect of columns height on displacement ductility
：对相同的截面形式和尺寸，等效屈服
曲率基本保持不变，钢筋混凝土结构截面的初始刚 度与截面强度是成正比例关系的(如图 2(a))。 2) 影响结构的位移延性能力的因素很多， 但由 结构位移延性能力所确定的强度折减系数非常模 糊。对桥墩，结构的位移延性能力不仅与墩底截面 的轴压比、配箍率有关，而且还要受到墩柱本身的 形状比 L/D、基础变形和橡胶支座柔性等因素的影 响。如图 3 所示的两个单墩结构，其中截面尺寸、 墩底轴压比和配筋均相同，仅墩高不同。经计算，
EIg
y
曲率
O
y3 y2 y1
曲率
(a)
(b)
图 2 截面弹性刚度的取值 Fig.2 Section elastic stiffness value
1.25m
8m 1.25m 3m
表1 Table 1
ACT-18 建议的结构性能水平与设防地震水平 ACT-18 proposed structure performancຫໍສະໝຸດ Baidu level and earthquake fortification level
时，取墩柱的毛截面刚度作为截面的弹性刚度或者 通过采用一个常系数对毛截面刚度进行折减来考 虑混凝土开裂的影响。这种方法，实际上隐含假定 截面的刚度是与强度互不相关的(如图 2(b))。实际
Fd O Te 周期 T
上，对于钢筋混凝土结构，通过大量的实验理论研 究表明[8
―9]
(b) 图 1 基于强度的抗震设计流程 Fig.1 Strength-based seismic design process
Abstract:
This paper reviews the traditional force-based seismic design method and the newly proposed
performance-based design philosophy. A practical method based on performance-based design for target displacement and displacement ductility is presented, and a displacement-based design procedure for SDOF and MDOF bridges is proposed, which can be incorporated into a performance-based design philosophy. Key words: bridges; seismic methodology; performance-based seismic design; displacement-based seismic design; SDOF; MDOF 近些年来，现代化大城市地震震害的最显著特 点是地震灾害经济损失异常之大。如 1989 年美国 加州 Loma Prieta 地震、 1994 年美国加州 Northridge 地震、1995 年日本兵库县南部地震、1999 年的土 耳其地震和 2008 年中国汶川地震。由于桥梁工程 遭受严重破坏，切断了震区交通生命线，造成救灾 工作的巨大困难，是造成惨重经济损失的主要原因 之一。各国学者对过去长期视为正确的抗震设计思 想进行了反思，认识到过去的抗震设计只以生命安 全和防止结构破坏为目标是远远不够的。基于对上 述问题的深刻反思，美国学者于 20 世纪 90 年代初 提 出 了 基 于 性 能 的 抗 震 设 计 思 想 (Performancebased Seismic Design) ，并在政府的资助下启动了 许多相关的研究项目，随后受到各国学者的广泛关 注。目前，美国、日本、新西兰等国家都把基于性 能的抗震设计理论作为改进抗震设计方法、完善抗
(1b)

(1c)
结构的位移延性能力不仅与墩底截面的轴压 比、配箍率有关，而且还要受到墩柱本身的形状比 L/D、基础变形和橡胶支座柔性等因素的影响。为 了简化计算，各国桥梁抗震设计规范在保证桥墩具 有一定延性能力(通过规定塑性铰区域最小配箍率 及箍筋构造来保证)的情况下， 对同类型构件的强度 折减系数 R 进行了统一的取值。 1.2 基于强度的抗震设计方法的局限性 从以上可以看出，在基于强度抗震设计方法 中，仅体现了结构对强度的要求，没有明确提出结 构的设计目标。近年来，世界上几次大的地震灾害 表明，基于强度的抗震设计方法在保证生命安全方 面虽具有一定的可靠性，但对结构的损伤和由此导 致的经济损失却不能进行有效的控制。另外，基于 强度的抗震设计过程和强度折减系数的取值具有
计算弹性周期 Te 弹性加速度 反应谱 Sa (T) 计算弹性地震力 Fe 强度折减系数 R 计算设计地震力 Fd =Fe / R
1) 短周期，根据加速度等效原则有： Cz 1 2) 中等周期，根据能量等效原则有： 1 Cz 2 1 3) 长周期，根据位移等效原则有： 1 Cz
(1a)
功能评估地震 安全地震
2 基于性能抗震设计
发展概况 在抗震设防的早期阶段，抗震设防是以单一设 防水准，采用基于强度设计方法来保证结构安全为 标准的。但 20 世纪 80 年代以来世界上发生的几次 大的地震； 1989 年美国的洛马·普里埃塔 (Loma Prieta)地震(M7.0)，1994 年美国的北岭(NorthRidge) 地震(M6.7)及 1995 年的日本阪神(Kobe)地震(M7.2) 虽然都是中等震级的地震，但却造成了极为惨重的 经济损失。基于对上述问题的深刻反思，引发了地 震工程界对设防水准、结构安全和经济性之间合理 关系的重新认识，美国学者于 20 世纪 90 年代初提 出了基于性能的抗震设计思想。 2.1
PERFORMANCE-BASED SEISMIC DESIGN FOR BRIDGES
*
LI Jian-zhong , GUAN Zhong-guo
(Department of Bridge Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)