桥梁抗震设计理论发展概述

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摘要：地震的影响，灾区桥梁工程遭到严重破坏，致使灾区的交通生命线被切断，救灾工作面临巨大困难，救灾的迟缓必然导致更多的人员伤亡和财产损失。本文对桥梁抗震设计的发展进行了一定概述。

关键字：桥梁 抗震设计理论设计方法

据统计，地球上平均每年都要发生近千次的破坏性地震，其中破坏力巨大的灾难性大地震达十几次，这些地震在它们波及的范围内，均造成惨重的生命财产损失。路路网作为抗震救灾的生命线，对于运送救灾物资、设备起着至关重要的作用，而公路桥梁作为公路路网中至关重要的环节，往往占据着了整个道路的咽喉位置，桥梁的抗震要求也越来越受到重视，本文对桥梁抗震设计理论发展做了比较简单的阐述。

1.基于承载力设计方法

基于承载力设计方法又可分为静力法和反应谱法。结构抗震设计的静力法理论最初由日本学者大房森吉在1899年提出，是最早的结构抗震设计方法。静力法没有考虑结构的动力效应，即认为在地震荷载作用下，结构各个部分和地震动具有相同的振动，随地基作整体水平刚体移动。因此，结构因地震荷载作用引起的惯性力就等于地面运动加速度地结构质量的乘积；再将惯性力视为静力作用在结构上，进行结构线弹性静力分析。考虑到不同地区地震强度的差别，设计中取用的地面运动加速度按不同地震烈度分区给出。

然而，从结构动力学的角度来看，地震荷载作用下结构的动力效应，即结构上质点的地震反应加速度不同于地面运动加速度，而是与结构自振周期和阻尼比有关。采用动力学的方法可以求得不同周期单自由度弹性体系质点的加速度反应，若以地震加速度反应为竖坐标，以体系的自振周期为横坐标，就可得到相应的地震加速度反应谱，以此来计算地震作用引起的结构上的水平惯性力更为合理，这即是反应谱法。对于多自由度体系，可以采用振型分解组合方法来确定地震作用。

反应谱法的发展与地震地面运动的记录直接相关。1923年，美国研制出第一台强震地震地面运动记录仪，并在随后的几十年间成功地记录到许多强震记录，其中包括1940年的El Centro和1952年的Taft等多条著名的强震地面运动记录。1943年Biot发表了以实际地震纪录求得的加速度反应谱。二十世纪50到70年代，以美国的Housner、Newmark和Clough为代表的一批学者在此基础上又进行了大量的研究工作。对结构动力学和地震工程学的发展作出了重要贡献，奠定了现代反应谱抗震设计理论的基础。然而，静力法和早期的反应谱法都是以惯性力的形式来反映地震作用，并按弹性方法来计算结构地震作用效应。当遭遇超过设计烈度的地震作用，结构进入弹塑性状态，这种方法显然无法应用。同时，在由静力法向反应谱法过渡的过程中，人们发现短周期结构加速度谱值比静力法中的地震系数大1倍以上。这使得结构抗震设计人员无法解释以前按静力法设计的结构如何能够经受得住强烈地震作用。

2. 能力设计方法

能力设计原理（Philosophy of Capacity Design）的概念首先由Hollings[1]（1969）提出，二十世纪70年代后期，新西兰著名学者Paulay和Park[2-3]（1975）对这一原理作了较大的发展，提出了保证钢筋混凝土结构具有足够弹塑性变形能力的能力设计方法（对能力设计方法较为系统的阐述。该方法是基于非弹性性能对结构抗震能力贡献的理解和超静定结构在地震作用下实现具有延性破坏机制的控制思想提出的，可有效保证和达到结构抗震设防目标，同时又使设计做到经济合理。

能力设计原理的基本概念在于：在结构体系中的延性构件和能力保护构件（脆性构件及不希望发生非弹性变形的构件）之间，应确立适当的强度安全等级差异。在应用于结构延性抗震设计的能力设计方法中，结构体系中抵抗地震侧向力的主要构件被精心地设计成延性构件，通过各类构造措施以保证其在出现较大塑性变形的部位确实具有所需要的非弹性变形能力和滞回耗能能力。

能力设计方法最先被新西兰的荷载标准（1976）和混凝土结构设计标准（1982）所采用[4]；其他国家也先后在各自的结构抗震设计规范中不同程度地采纳了能力设计方法的一些基本概念。能力设计方法的关键在于将控制概念引入结构抗震设计，有目的的引导结构破坏机制，避免不合理的破坏形态。该方法不仅使得结构抗震性能和能力更易于掌握，同时也使得抗震设计变得更为简便明确，即后来在抗震概念设计中提出的主动抗震设计思想。

3. 基于性能/位移设计方法

应该说通过多年的研究和实践，人们基本掌握了结构抗震的设计方法，并到达原来所预定的抗震设防目标。然而上世纪九十年生在一些发达国家现代化大城市的地震中，如1994年的美国NorthRidge地震（M6.7）以及1995年的日本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。地震工程研究人员意识到再单纯强调结构在地震下不严重破坏和不倒塌，已不是一种完善的抗震思想，不能适应现代工程结构抗震需求；结构的抗震设计应主动介入，系统考虑地震设防标准、结构的抗震性能和经济性能之间的合理关系。在这样的背景下，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[19]（Performance-Based Seismic Design，PBSD），并在政府的资助下启动了许多相关的研究项目，受到各国学者的广泛关注与重视。

基于性能设计的基本思想就是使所设计的工程结构在使用期间满足各种预定的性能目标要求，而具体性能要求可根据建筑物和结构的重要性确定。应该说，基于性能抗震设计是比传统单一抗震设防目标推广了的新理念，或者说是它给了设计人员一定“自主选择”抗震设防标准的空间。但是对于基于性能的抗震设计方法，目前还没有一个统一的定义，美国的SEAOC、ATC和FEMA等组织都给出了各自的基于性能设计的描述。由于对基于性能设计理论的不同理解，具体采用的有基于位移的抗震设计理论、基于地震损伤性能的抗震设计理论等。

对于结构工程师来说，可明确描述结构性能状态的物理量主要有：力、位移（刚度）、速度、加速度、能量和损伤。基于性能设计要求能够给出结构在不同强度地震作用下，结构性能指标的反应值（需求值），以及结构自身的能力值（尤其当结构进入非弹性阶段时）。 由于用承载力作为单独的指标难以全面描述结构的非弹性性能及破损状态，而用能量和损伤指标又难以实际应用。因此，目前基于性能抗震设计方法的研究主要用位移指标对结构的抗震性能进行控制，称为基于位移抗震设计方法（Displacement Based Design, DBD）。

无论是基于性能还是基于位移，抗震设计的难点仍然是结构进入非弹性阶段后结构性态的分析。这一点与以往抗震设计方法一样，只是基于性能/位移抗震设计理念的提出，使研究人员更加注重对结构非弹性地震反应分析和计算的研究。在基于位移抗震设计方法研究中，值得推荐的是能力谱法。该方法由Freeman于1975年提出。近几年研究人员对能力谱曲线以及需求谱曲线的确定方法做了进一步的改进，使得该方法成为各国推进基于位移设计方法的一种主要方法。值得注意的是，在基于位移抗震设计方法中，Priestley及其团队做了大量的研究工作值得参考、借鉴。

4．小结

在桥梁结构的寿命期内，破坏性地震（强震）发生的概率通常非常小，如要把桥梁结构设计成能抵御这种极端的地震而不发生损伤或破坏，是既不经济，又不必要的。基于何种设计理念设计人员要需客观系统的进行选择。

[1] Hollings, J.P. Reinforced Concrete Seismic Design. Bulletin of New Zealand National Society for Earthquake Engineering, Vol. 2, No. 3, 1969, pp. 217-250

[2] R.Park, T.Paulay.Reinforced Concrete Structures [M]. NewYork:John wiley&Sons,1975

[3] R.帕克,T.波利著.秦文钺等译.钢筋混凝土结构（上,下册）[M].重庆：重庆大学出版社.1986

[4] R.Park. Capacity Design and Assessment of Reinforced Concrete Structures for Earthquake Resistance. Proceedings of the 1st Fib Congress, pp.23-42