基于性能的抗震设计

土木工程研究进展与施工方法课程报告八

讲座题目：基于性能的抗震设计理论及方法

报告人：李建中教授

基于性能的抗震设计理论及方法

在12月15号的土木工程研究进展课上，来自同济大学桥梁系的李建中教授为我们介绍了基于性能的桥梁抗震设计理论最新发展情况，使我感触很深，于是课后又查阅了相关文献，对基于性能的桥梁抗震设计理论有了更进一步的认识，基于这些，本篇文章将简单总结一下自己对基于性能的桥梁抗震设计理论的一点浅薄认识，以供大家交流学习。

1 基于性能的抗震设计概念提出

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(PerformancebasedSeismic 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、完善抗震设计规范的重要研究课题。

我国于2004 年颁布了《建筑工程抗震性态设计通则(试用)》(CECS160: 2004)，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。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。

下面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。

2 基于强度的抗震设计局限性

2.1 基于强度抗震设计方法

我国《公路工程抗震设计规范》(1989)和美国AASHTO(2005)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F e0；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C z，C z 1/ R )对弹性地震力进行折减，得到结构的设计地震力F d0 ；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。

图1 基于性能的抗震设计流程

修正系数R 或综合影响系数C z 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C z 的取值是根据结构的位移延性系数得到的。理论上，如结构的位移延性系数为μΔ，则结构可能最大修正系数R 的理论值为：

1) 短周期，根据加速度等效原则有：

1=z C

2) 中等周期，根据能量等效原则有：

121-=

∆μz C

3) 长周期，根据位移等效原则有： ∆=μ1

z C

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。

2.2 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))。实际上，对于钢筋混凝土结构，通过大量的实验理论研究表明：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，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。

图2 截面弹性刚度的取值

图3 墩高对位移延性能力的影响