基于性能的橋梁抗震設(shè)計指標(biāo)體系

基于性能的橋梁抗震設(shè)計指標(biāo)體系

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化水平的提高，結(jié)構(gòu)潛在地震損失呈上升趨勢。中等規(guī)模地震造成的經(jīng)濟(jì)損失可能超過了社會和業(yè)主的可法可法限額。研究者意識到單純地強調(diào)結(jié)構(gòu)在地震作用下不倒塌或者不發(fā)生嚴(yán)重破壞已不能滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和現(xiàn)代工程抗震的需要,因此,基于性能抗震設(shè)計理論被提出并被廣泛認(rèn)可。業(yè)主、政府主管部門、工程建設(shè)者和設(shè)計者更加關(guān)注結(jié)構(gòu)在不同地震水平作用下應(yīng)具有不同的性能水平和性能目標(biāo)。國外規(guī)范[1―5]對性能目標(biāo)和抗震設(shè)計量化指標(biāo)給出了比較詳細(xì)的規(guī)定,與此同時我國現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計規(guī)范對“小震不壞”和“大震不倒”給出相應(yīng)的變形限值,我國《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》雖在性能設(shè)計方面較已廢止的《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》有了較大改進(jìn),即由單水準(zhǔn)設(shè)防、一階段設(shè)計變?yōu)閮伤疁?zhǔn)設(shè)防、兩階段設(shè)計,采用第1階段彈性抗震設(shè)計和第2階段延性抗震設(shè)計并引入能力保護(hù)設(shè)計原則確保結(jié)構(gòu)的抗震性能,然而,缺少能為抗震設(shè)計采用的更為詳細(xì)的性能目標(biāo)和性能量化指標(biāo)。鑒于橋梁結(jié)構(gòu)在抗震救災(zāi)中的重要性,基于性能抗震設(shè)計思想發(fā)展過程中對其提出了更高更細(xì)致的設(shè)計要求。震害經(jīng)驗表明:鋼筋混凝土橋梁的破壞往往發(fā)生在橋墩部位,作為整個橋梁結(jié)構(gòu)重要的受力構(gòu)件,橋墩的設(shè)計對于橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力具有舉足輕重的作用。因此,本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》的相關(guān)規(guī)定,試建立基于性能的抗震設(shè)防目標(biāo),將橋梁構(gòu)件力學(xué)性能與“五檔”性能水平聯(lián)系,完善了橋梁結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計的基本框架,并針對鋼筋混凝土橋墩提出了基于性能的抗震設(shè)計的量化指標(biāo),最后,鑒于合理性能目標(biāo)確定依賴于大量試驗數(shù)據(jù)的積累,建議統(tǒng)一性能目標(biāo)試驗數(shù)據(jù)記錄模板。1基于性能和抗疲勞設(shè)計的橋梁結(jié)構(gòu)建設(shè)1.1從多基準(zhǔn)設(shè)計到多充分利用空間技術(shù)來實現(xiàn)從單一強度法角度出發(fā)的抗震設(shè)計結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標(biāo)是針對某一地震設(shè)防水平而期望達(dá)到的抗震性能等級?？拐鹪O(shè)防目標(biāo)的建立需要綜合考慮場地特征、結(jié)構(gòu)功能與重要性、投資與效益、震后損失與恢復(fù)重建、潛在的歷史或文化價值、社會效益及業(yè)主的承受能力等諸多因素。我國《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》頒布實施之前,公路工程抗震設(shè)計規(guī)范都采用單一強度設(shè)防目標(biāo),即只需進(jìn)行設(shè)計地震力作用下的強度驗算。而20世紀(jì)80年代,國際上出現(xiàn)了多水準(zhǔn)的抗震設(shè)防目標(biāo),我國89版的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》就采用了“三水準(zhǔn)”設(shè)防目標(biāo)。我國2008年施行的《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》采用了“兩水準(zhǔn)”設(shè)防目標(biāo):E1地震作用下不壞,E2地震作用下可修。其中,E1地震和E2地震在50年的超越概率分別為63.2%和10%,重現(xiàn)期分別為50年和475年。兩水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)參照建筑抗震設(shè)計規(guī)范可以通俗地表達(dá)為:“小震不壞”和“中震可修”。通過第1階段彈性抗震設(shè)計和第2階段延性抗震設(shè)計,利用能力保護(hù)設(shè)計原則和抗震構(gòu)造措施,原則上應(yīng)滿足“兩水準(zhǔn)”抗震設(shè)防目標(biāo)。從上述論述可知,我國公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范采用“兩水準(zhǔn)”設(shè)防目標(biāo)和兩個地震作用水平,相對于單一水準(zhǔn)的抗震設(shè)防有了較大改進(jìn),為我國橋梁抗震設(shè)計規(guī)范向性能設(shè)計發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1.24地震作用水平為了實現(xiàn)多級設(shè)防,控制不同水平地震作用下結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài),就需要細(xì)化地震設(shè)防水平。SEAOCVision2000按地震重現(xiàn)期將地震設(shè)防水平分成了4個等級,我國建筑抗震規(guī)范將地震設(shè)防分為了3個水準(zhǔn),研究者[10―12]也建議了多級(都多于3級)地震作用水平。由此可知,從E1地震到E2地震,重現(xiàn)期相差較大,沒有考慮非常罕遇地震情況,不適應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計需要。因此,本文建議增加E1′和E2′地震作用水平。結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范對地震作用水平的定義,E1′地震作用水平取其50年內(nèi)的超越概率為40%,E2′地震作用水平取其50年內(nèi)超越概率為2%~3%。其相應(yīng)的重現(xiàn)期可由下式確定:式中:PT為T年內(nèi)烈度超過某給定烈度的超越概率,T為設(shè)計基準(zhǔn)期。4個地震作用水平及其相應(yīng)的地震重現(xiàn)期見表1。1.3結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)目前大多數(shù)抗震設(shè)計規(guī)范都是基于承載力設(shè)計,采用抗震構(gòu)造措施,通過位移驗算保證結(jié)構(gòu)在地震作用下不倒塌或者不發(fā)生嚴(yán)重破壞,然而,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化程度的提高,社會或者業(yè)主期望更加細(xì)化、定量化的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)。橋梁結(jié)構(gòu)作為生命線工程之一,對于抗震救災(zāi)具有舉足輕重的作用。因此,建立橋梁結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計框架是必要的。結(jié)構(gòu)抗震性能水平表示結(jié)構(gòu)在特定的某一地震設(shè)計水平下預(yù)期破壞的最大程度,包括結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。不同國家對于結(jié)構(gòu)性能水平的劃分不同,我國現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計規(guī)范將其分為三檔,Vision2000則將其劃分為四檔,Hose等根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的破壞特點將性能水平劃分為五檔。隨著社會經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高,工程抗震加固需求的不斷增長,結(jié)構(gòu)震后修復(fù)和加固技術(shù)的不斷成熟以及人們對可量化的結(jié)構(gòu)抗震性能的需要,為更加細(xì)化的基于性能抗震設(shè)計提供可行性依據(jù)。因此,本文將鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的性能水平劃分為五檔,依次為正常使用、暫時使用、修復(fù)后使用、生命安全和防止倒塌,表2給出了從損傷分類、社會經(jīng)濟(jì)角度、損傷描述、需要修復(fù)時間、需要修復(fù)程度以及橋墩損傷方面對應(yīng)于五檔性能水平的量化。根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》對公路橋梁抗震設(shè)防重要性的分類,劃分4組結(jié)構(gòu)性能目標(biāo),見表3。按4個地震作用水平和“五檔”結(jié)構(gòu)性能水平,排除不符合實際工程的情況,建立17個結(jié)構(gòu)性能目標(biāo),如圖1所示。因此,形成了“四水準(zhǔn)”抗震設(shè)防目標(biāo),以第2組橋梁結(jié)構(gòu)為例:第1水準(zhǔn):E1地震作用下,橋梁結(jié)構(gòu)在彈性范圍內(nèi)反應(yīng),震后不需修復(fù)就能維持結(jié)構(gòu)正常使用功能。第2水準(zhǔn):E1′地震作用下,橋梁結(jié)構(gòu)開始進(jìn)入彈塑性階段,次要構(gòu)件損傷,一般車輛可以正常通行,震后輕微修復(fù)或不需修復(fù)就能保證結(jié)構(gòu)正常使用功能。第3水準(zhǔn):E2地震作用下,橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段,重要構(gòu)件損傷,應(yīng)急車輛才能通行,震后需要修復(fù)或加固才能恢復(fù)正常使用功能。第4水準(zhǔn):E2′地震作用下,橋梁結(jié)構(gòu)不會發(fā)生倒塌,震后替換構(gòu)件或重建才能維持結(jié)構(gòu)正常使用功能?！豆窐蛄嚎拐鹪O(shè)計細(xì)則》規(guī)定E1地震作用時,結(jié)構(gòu)一般不受損傷或不需修復(fù)可繼續(xù)使用;E2地震作用時,應(yīng)保證不致倒塌或產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)構(gòu)損傷,經(jīng)臨時加固后可供維持應(yīng)急交通使用。也就是說,E1地震作用下,結(jié)構(gòu)能夠正常使用或者暫時使用;E2地震作用下,結(jié)構(gòu)能夠保證生命安全或者防止倒塌?？梢?設(shè)防目標(biāo)籠統(tǒng)、相對單一,不能滿足業(yè)主多性能目標(biāo)的要求。將地震設(shè)防水準(zhǔn)細(xì)化為E1地震、E1′地震、E2地震和E2′地震作用水平,減少了E1地震與E2地震作用水平之間相差較大的重現(xiàn)期,考慮了非常罕遇地震情況,使橋梁結(jié)構(gòu)從地震設(shè)防水準(zhǔn)上有了更多的選擇。由“四水準(zhǔn)”抗震設(shè)防目標(biāo)和圖1可以看出,對于E1′地震和E2′地震作用水平,分別對應(yīng)兩個結(jié)構(gòu)性能水平,解決了橋梁結(jié)構(gòu)在《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》中只有“兩水準(zhǔn)”和性能目標(biāo)單一的問題,使橋梁結(jié)構(gòu)可以根據(jù)不同的重要性和抗震救災(zāi)中的作用選擇不同的性能目標(biāo)。4個地震作用水平、“五檔”結(jié)構(gòu)性能水平和“四水準(zhǔn)”抗震設(shè)防目標(biāo)的抗震設(shè)計框架提出為實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計理論奠定了基礎(chǔ)。1.4構(gòu)件性能水平結(jié)構(gòu)的抗震性能水平是其組成構(gòu)件性能水平的綜合表現(xiàn)。構(gòu)件性能水平合理組合對于結(jié)構(gòu)預(yù)期性能目標(biāo)實現(xiàn)具有決定性作用。因此,本文對基本性能目標(biāo)的鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)組成構(gòu)件進(jìn)行性能水平定義,建立橋梁結(jié)構(gòu)“四水準(zhǔn)”抗震設(shè)防目標(biāo)所對應(yīng)的構(gòu)件性能水平。結(jié)合前面對結(jié)構(gòu)抗震性能水平的定義,將鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)組成構(gòu)件的性能水平也定義為“五檔”,如表4所示。對于表4中“五檔”構(gòu)件性能水平,MP-I性能水平對應(yīng)于圖2中A點,表明保護(hù)層混凝土開裂;MP-II性能水平對應(yīng)于圖中B點,說明縱向鋼筋開始屈服;MP-III、MP-IV性能水平位于圖中力-位移曲線B點與D點之間,意味著構(gòu)件從混凝土剝落到塑性角的形成;MP-V性能水平對應(yīng)于圖中的D點,即構(gòu)件的縱筋屈曲、箍筋斷裂或者構(gòu)件承載力降低到極限承載力85%以下。結(jié)合《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》對于橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的規(guī)定,建立C類(基本目標(biāo))橋梁結(jié)構(gòu)在“四水準(zhǔn)”抗震設(shè)防目標(biāo)所對應(yīng)的構(gòu)件性能水平,如表5所示。從以上論述可以看出,“四水準(zhǔn)”抗震設(shè)防目標(biāo)的建立對于結(jié)構(gòu)預(yù)期性能目標(biāo)實現(xiàn)具有重要作用,然而,從抗震設(shè)計角度來說,“四水準(zhǔn)”抗震設(shè)防目標(biāo)相對抽象,不利于工程設(shè)計人員實踐。表5建立了對應(yīng)于橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標(biāo)的構(gòu)件性能水平,將構(gòu)件性能水平與構(gòu)件的力學(xué)性能聯(lián)系起來,因此,可以為工程設(shè)計人員實現(xiàn)基于性能抗震設(shè)計提供方便。C類(基本目標(biāo))橋梁結(jié)構(gòu)在性能水準(zhǔn)3時,各構(gòu)件性能水平如圖3所示?？紤]到構(gòu)件性能水平對預(yù)期性能目標(biāo)實現(xiàn)的重要性,結(jié)合4個地震作用水平、“五檔”結(jié)構(gòu)性能水平和“四水準(zhǔn)”抗震設(shè)防目標(biāo),建立了C類(基本目標(biāo))鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)對應(yīng)于不同性能水準(zhǔn)的構(gòu)件性能水平,為橋梁結(jié)構(gòu)由基于力的抗震設(shè)計向基于性能的抗震設(shè)計提供了前提。2性能水平的位移橋墩作為橋梁結(jié)構(gòu)重要的受力構(gòu)件,是保證橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力的關(guān)鍵因素。不同結(jié)構(gòu)地震破壞模式不同,結(jié)構(gòu)破壞模式所對應(yīng)的性能曲線對于確定相應(yīng)的性能參數(shù)至關(guān)重要,如圖4所示。大量震害調(diào)查和試驗研究表明,位移角與結(jié)構(gòu)破壞程度有很好的相關(guān)性且能夠反映結(jié)構(gòu)各構(gòu)件變形的綜合結(jié)果。因此,本文以位移角為性能參數(shù),確定以彎曲破壞(延性破壞)為主圓形鋼筋混凝土橋墩在“五檔”結(jié)構(gòu)性能水平的容許位移角限值。本文搜集國內(nèi)外鋼筋混凝土橋墩試驗數(shù)據(jù)共598個,表6列出了鋼筋混凝土橋墩各種破壞模式的分布。對于滿足如下條件:1)構(gòu)件以彎曲破壞為主;2)構(gòu)件的高寬比≥1.95;3)構(gòu)件的縱向鋼筋沒有搭接;而且文獻(xiàn)中有相應(yīng)性能水平的位移值,共計127個鋼筋混凝土圓形截面橋墩[13―44]進(jìn)行分析,確定橋墩在正常使用、暫時使用、修復(fù)后使用、生命安全和防止倒塌性能水平的位移角限值。對于正常使用性能水平的位移角限值在相關(guān)文獻(xiàn)中報道較少,不具有統(tǒng)計意義,因此,本文結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)中的建議,從我國基本國情和工程實用的角度出發(fā),建議正常使用性能水平的位移角限值取為1/500。暫時使用、修復(fù)后使用、生命安全和防止倒塌性能水平的位移角限值的統(tǒng)計結(jié)果如圖5~圖8所示。通過對“五檔”結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的概率統(tǒng)計分析,最終確定以彎曲破壞為主鋼筋混凝土圓形橋墩在不同性能水平的變形位移角限值及相應(yīng)的保證率如表7所示。表8列出了新西蘭、日本、美國加州設(shè)計規(guī)范的相關(guān)規(guī)定和本文建議的結(jié)構(gòu)性能水平的變形容許位移角比較。通過表2和表8比較可以發(fā)現(xiàn),本文定義的性能水平與新西蘭、日本、美國加州設(shè)計規(guī)范的相關(guān)規(guī)定(以下簡稱相關(guān)規(guī)定)的定義是不同的,本文定義結(jié)構(gòu)性能水平III與相關(guān)規(guī)定的性能水平II相當(dāng),性能水平IV對應(yīng)于相關(guān)規(guī)定性能水平III,性能水平V對應(yīng)于相關(guān)規(guī)定性能水平IV。由表8中各性能水平容許位移角比較可以發(fā)現(xiàn),本文建議性能水平III位移角限值為0.57%,介于相關(guān)規(guī)定中0.53%~0.62%之間;性能水平IV位移角限值為2.00%,介于相關(guān)規(guī)定中1.60%~2.30%之間,性能水平V位移角限值為4.00%,小于相關(guān)規(guī)定中4.40%~5.10%之間。本文建議性能水平與相關(guān)規(guī)定性能水平基本相當(dāng),但是不是完全一致,這里主要有兩個原因:一是新西蘭、日本和美國加州是針對整個橋梁結(jié)構(gòu)定義的性能水平,而本文只是針對彎曲破壞為主的橋墩性能水平,正如前面所述,不同結(jié)構(gòu)破壞模式是不同的;二是本文是從我國基本國情和和工程實用的角度出發(fā),確定不同性能水平量化指標(biāo),即考慮了結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài),又考慮了工程造價。因此,本文建議不同性能水平對應(yīng)的變形位移角限值是合理的。3土橋墩性能目標(biāo)量化合理性能目標(biāo)的確定,有賴于震害觀測資料和試驗數(shù)據(jù)的積累,且和地震設(shè)防水準(zhǔn)和預(yù)期性能要求密切相關(guān),還需要大量的研究工作。本文在搜集國內(nèi)外鋼筋混凝土橋墩試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,對以彎曲破壞(延性破壞)為主圓形鋼筋混凝土橋墩進(jìn)行了性能目標(biāo)的量化,得到結(jié)果具有統(tǒng)計意義和合理性。但是,由于不同研究者的研究目的、手段、方法不同以及確定性能目標(biāo)試驗數(shù)據(jù)缺失,本文確定鋼筋混凝土橋墩性能目標(biāo)還需要后續(xù)試驗驗證與修正。因此,建立統(tǒng)一的性能目標(biāo)試驗數(shù)據(jù)記錄模板對于橋梁結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計的發(fā)展和性能目標(biāo)的量化具有重要意義。在參照了加州大學(xué)圣地牙哥分校(UniversityofCalifornia,SanDiego,UCSD)、太平洋地震工程研究中心(PacificEarthquakeEngineeringResearchCenter,PEER)和Hose等建議的試驗數(shù)據(jù)記錄模板基礎(chǔ)上,建議如表9和表10所示的試驗數(shù)據(jù)記錄模板。4不同性能水平的鋼筋混凝土橋墩針對我國公路橋梁抗震規(guī)范中,地震作用水平相對單一且從E1地震到E2地震的重現(xiàn)期相差較大的現(xiàn)狀,提出E1′地震作用水平,取其50年內(nèi)的超越概率分別為40%和E2′地震作用水平,取其50年內(nèi)的超越概率分別為2%~3%。將橋梁結(jié)構(gòu)劃分為“五檔”性能水平,結(jié)合4個地震作用水平,建立17個結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)和“四水準(zhǔn)”的抗震設(shè)防目標(biāo)。建立橋梁構(gòu)件對應(yīng)其力學(xué)性能的“五檔”性能水平,結(jié)合“四水準(zhǔn)”抗震設(shè)防目標(biāo),形成了C類橋梁結(jié)構(gòu)對應(yīng)于不同抗震設(shè)防目標(biāo)的構(gòu)件性能水平,完善了橋梁結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計的基本框架,為基于性能抗震設(shè)計思想在