桥梁结构基于性能的抗震设防目标与性能指标研究

第 28 卷第 11 期 Vol.28 No.11 工 程 力 学 2011 年 11 月 Nov. 2011 ENGINEERING MECHANICS 96 ——————————————— 收稿日期：2010-03-22；修改日期：2010-05-19 基金项目：高等学校博士点基金项目(20100205110010)；陕西省自然科学基金项目(2010JM7002) 作者简介：陆本燕(1981―)，男，甘肃兰州人，工程师，工学博士，主要从事结构抗震 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方面的研究(E-mail: luyan726@126.com)； 刘伯权(1956―)，男，甘肃定西人，教授，工学博士，博导，从事钢筋混凝土结构抗震研究(E-mail: bqliu@chd.edu.cn)； 邢国华(1983―)，男，内蒙古呼和浩特人，讲师，工学博士，从事钢筋混凝土结构抗震与加固研究(E-mail: guohuachd@yahoo.com)； 吴 涛(1976―)，男，安徽霍山人，教授，工学博士，从事钢筋混凝土结构抗震研究(E-mail: wutao@chd.edu.cn). 文章编号：1000-4750(2011)11-0096-08 桥梁结构基于性能的 抗震设防目标与性能指标研究 陆本燕 1，刘伯权 2，*邢国华 2，吴 涛 2 (1. 中国十九冶集团成都建设有限公司，四川，成都 611730；2. 长安大学建筑工程学院，陕西，西安 710061) 摘 要：针对我国公路桥梁抗震规范中，地震作用水平相对单一且从 E1 地震到 E2 地震的重现期相差较大的现状， 提出 E1′地震作用水平和 E2′地震作用水平，取其 50 年内的超越概率分别为 40%和 2%~3%；将桥梁结构划分为“五 档”性能水平，结合 4 个地震作用水平，建立 17 个结构抗震性能目标和“四水准”的抗震设防目标；建立桥梁 构件对应其力学性能的“五档”性能水平，结合“四水准”抗震设防目标，形成了 C 类桥梁结构对应于不同抗震 设防目标的构件性能水平，完善了桥梁结构基于性能抗震设计的基本框架。在 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 国内外 127 个以发生弯曲破坏 为主的钢筋混凝土圆形截面桥墩试验研究的基础上，建立了钢筋混凝土桥墩在地震作用下处于 5 个性能水平的量 化指标。通过与新西兰、日本和美国加州等设计规范中相关规定的比较，结果表明：该文建议的钢筋混凝土桥墩 不同性能水平变形位移角限值是合理的，可用于基于性能抗震设计时桥墩墩顶位移的确定。鉴于合理性能目标确 定依赖于大量试验数据积累，建议统一性能目标试验数据记录模板。 关键词：桥梁工程；基于性能抗震设计；抗震设防目标；性能水平；性能指标；钢筋混凝土桥墩；位移角 中图分类号：U442.55 文献标志码：A STUDY ON FORTIFICATION CRITERION AND QUANTIFIED PERFORMANCE INDEX FOR REINFORCED CONCRETE BRIDGE STRUCTURES IN PERFORMANCE-BASED SEISMIC DESIGN LU Ben-yan1 , LIU Bo-quan2 , *XING Guo-hua2 , WU Tao2 (1. Chengdu Construction Ltd China 19th Metallurgical Corporation, Chengdu 611730, China; 2. School of Civil Engineering, Chang’an University, Xi’an, Shaanxi 710061, China) Abstract: Because the consideration is quite simple in an earthquake hazard level and a marked difference in probability of exceedance between earthquake action E1 and earthquake action E2 in guidelines for seismic design of highway bridges, a new definition of earthquake action E1′ with the occurrence probability of 40% in 50 years and earthquake action E2′ with the occurrence probability of 2%-3% in 50 years is proposed, and the bridge structure performance levels categorized into five grades are established. Seventeen structure performance objectives and four seismic fortification criteria are formed. To relate bridge component to its mechanical properties at the five designated performance levels, component performance levels for different seismic fortification criterion in C bridge structures are established. It is expected that performance-based seismic design for bridge structure can be improved. Based on the statistical data of 127 seismic performance tests of RC bridge columns with circular section subjected to flexural failure, five indices for the same five designated performance levels are put forward. Comparing the drift ratio of five designated performance levels with the provisions among New Zealand standard, Japan design code, and American design code, the results show that the drift ratios for five designated performance levels is reasonable and effective. It can be used to determine displacement of pier top in 工 程 力 学 97 the performance based seismic design. In view of performance objectives dependent on a large amount of experimental results, evaluation template for experimental results is proposed. Key words: bridge engineering; performance-based seismic design; seismic fortification criterion; performance level; performance index; reinforced concrete bridge column; drift ratio 近年来地震破坏表明，随着经济的发展和城市 化程度的提高，结构潜在的震害损失呈上升趋势， 甚至中等强度的地震所造成的经济损失就可能超 出社会和业主所能承受的限度。研究者意识到单纯 地强调结构在地震作用下不倒塌或者不发生严重 破坏已不能满足社会经济发展和现代工程抗震的 需要，因此，基于性能抗震设计理论被提出并被广 泛认可。业主、政府主管部门、工程建设者和设计 者更加关注结构在不同地震水平作用下应具有不 同的性能水平和性能目标。国外规范[1―5]对性能目 标和抗震设计量化指标给出了比较详细的规定，与 此同时我国现行建筑抗震设计规范[6]对“小震不坏” 和“大震不倒”给出相应的变形限值，我国《公路 桥梁抗震设计细则》[7]虽在性能设计方面较已废止 的《公路工程抗震设计规范》[8]有了较大改进，即 由单水准设防、一阶段设计变为两水准设防、两阶 段设计，采用第 1 阶段弹性抗震设计和第 2 阶段延 性抗震设计并引入能力保护设计原则确保结构的 抗震性能，然而，缺少能为抗震设计采用的更为详 细的性能目标和性能量化指标。 鉴于桥梁结构在抗震救灾中的重要性，基于性 能抗震设计思想发展过程中对其提出了更高更细 致的设计要求。震害经验表明：钢筋混凝土桥梁的 破坏往往发生在桥墩部位，作为整个桥梁结构重要 的受力构件，桥墩的设计对于桥梁结构抗震能力具 有举足轻重的作用。因此，本文在已有研究成果的 基础上，结合我国《公路桥梁抗震设计细则》的相 关规定，试建立基于性能的抗震设防目标，将桥梁 构件力学性能与“五档”性能水平联系，完善了桥 梁结构基于性能抗震设计的基本框架，并针对钢筋 混凝土桥墩提出了基于性能的抗震设计的量化指 标，最后，鉴于合理性能目标确定依赖于大量试验 数据的积累，建议统一性能目标试验数据记录模 板。 1 桥梁结构基于性能抗震设计框架的 建立 1.1 我国公路桥梁抗震规范的设防目标 结构抗震设防目标[9]是针对某一地震设防水平 而期望达到的抗震性能等级。抗震设防目标的建立 需要综合考虑场地特征、结构功能与重要性、投资 与效益、震后损失与恢复重建、潜在的历史或文化 价值、社会效益及业主的承受能力等诸多因素。 我国《公路桥梁抗震设计细则》颁布实施之前， 公路工程抗震设计规范都采用单一强度设防目标， 即只需进行设计地震力作用下的强度验算。而 20 世纪 80 年代，国际上出现了多水准的抗震设防目 标，我国 89 版的《建筑抗震设计规范》就采用了 “三水准”设防目标。我国 2008 年施行的《公路 桥梁抗震设计细则》[7]采用了“两水准”设防目标： E1 地震作用下不坏，E2 地震作用下可修。其中， E1 地震和 E2地震在 50 年的超越概率分别为 63.2% 和 10%，重现期分别为 50 年和 475 年。两水准设 防目标参照建筑抗震设计规范可以通俗地表达为： “小震不坏”和“中震可修”。通过第 1 阶段弹性 抗震设计和第 2 阶段延性抗震设计，利用能力保护 设计原则和抗震构造措施，原则上应满足“两水准” 抗震设防目标。 从上述论述可知，我国公路桥梁抗震设计规范 采用“两水准”设防目标和两个地震作用水平，相 对于单一水准的抗震设防有了较大改进，为我国桥 梁抗震设计规范向性能设计发展奠定了基础。 1.2 4 个地震作用水平的提出 为了实现多级设防，控制不同水平地震作用下 结构的破坏状态，就需要细化地震设防水平。 SEAOC Vision2000[1]按地震重现期将地震设防水 平分成了 4 个等级，我国建筑抗震规范[6]将地震设 防分为了 3 个水准，研究者[10―12]也建议了多级(都 多于 3 级)地震作用水平。由此可知，从 E1 地震到 E2 地震，重现期相差较大，没有考虑非常罕遇地震 情况，不适应桥梁结构基于性能抗震设计需要。因 此，本文建议增加 E1′和 E2′地震作用水平。结合国 内外相关规范对地震作用水平的定义，E1′地震作用 水平取其 50 年内的超越概率为 40%，E2′地震作用 水平取其 50 年内超越概率为 2%~3%。其相应的重 现期可由下式确定： ( ) (1 ( ))T T RP I i In P I i    (1) 式中：PT为T年内烈度超过某给定烈度的超越概率， 98 工 程 力 学 T 为设计基准期。4 个地震作用水平及其相应的地 震重现期见表 1。 表 1 4 个地震作用水平 Table 1 Four earthquake hazard levels 地震水平 超越概率 重现期 与基本烈度的关系 E1 地震 50 年内 63.2% 50 年 约比基本烈度低 1.55 度 E1′地震 50 年内 40% 100 年 约比基本烈度低 1 度 E2 地震 50 年内 10% 475 年 基本烈度 E2′地震 50 年内 2%~3% 1641 年~2745 年 约比基本烈度高 1 度 1.3 桥梁结构基于性能抗震设计框架的提出 目前大多数抗震设计规范都是基于承载力设 计，采用抗震构造措施，通过位移验算保证结构在 地震作用下不倒塌或者不发生严重破坏，然而，随 着经济的发展和城市化程度的提高，社会或者业主 期望更加细化、定量化的结构性能目标。桥梁结构 作为生命线工程之一，对于抗震救灾具有举足轻重 的作用。因此，建立桥梁结构基于性能抗震设计框 架是必要的。 结构抗震性能水平[9]表示结构在特定的某一地 震设计水平下预期破坏的最大程度，包括结构和非 结构构件的破坏。不同国家对于结构性能水平的划 分不同，我国现行建筑抗震设计规范将其分为三 档，Vision 2000 则将其划分为四档，Hose 等[13]根 据桥梁结构和构件的破坏特点将性能水平划分为 五档。随着社会经济水平的不断提高，工程抗震加 固需求的不断增长，结构震后修复和加固技术的不 断成熟以及人们对可量化的结构抗震性能的需要， 为更加细化的基于性能抗震设计提供可行性依据。 因此，本文将钢筋混凝土桥梁结构的性能水平划分 为五档，依次为正常使用、暂时使用、修复后使用、 生命安全和防止倒塌，表 2 给出了从损伤分类、社 表 2 桥梁结构性能水平 Table 2 Bridge performance levels 类别 总体 描述 社会经 济描述 损伤描述 中断 时间 修复 描述 桥墩损伤定量描述 I 功能 完好 正常 使用 几乎没有 可见裂缝 无中断 不需 修复 几乎没有可见裂缝 II 轻微 破坏 暂时 使用 混凝土 出现裂缝 ＜3 天 可能 修复 裂缝宽度小于 1mm III 较重 破坏 修复后 使用 裂缝宽度增 大，混凝土开 始剥落 ＜3 周 少量 修复 裂缝宽度在 1mm~ 2mm 之间，剥落区高 度大于横截面高度 的 1/10 IV 严重 破坏 生命 安全 裂缝宽度非 常大，混凝土 剥落区扩展 ＜6 周 需要 修复 裂缝宽度大于 2mm， 剥落区高度大于横 截面高度的 1/2，对 角线裂缝延伸长度 超过 2/3 横截面高度 V 接近 倒塌 防止 倒塌 构件出现残 余变形，钢筋 屈曲或断裂 ＜3 月 需要 替换 核心区混凝土的裂 缝宽度大于 2mm，被 测量截面膨胀大于 5%原截面尺寸 会经济角度、损伤描述、需要修复时间、需要修复 程度以及桥墩损伤方面对应于五档性能水平的 量 化。 根据《公路桥梁抗震设计细则》[7]对公路桥梁 抗震设防重要性的分类，划分 4 组结构性能目标， 见表 3。按 4 个地震作用水平和“五档”结构性能 水平，排除不符合实际工程的情况，建立 17 个结 构性能目标，如图 1 所示。 表 3 结构性能目标分组 Table 3 Grouping of structure performance objectives 分组 性能目标 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 第 1 组 为次要目标 D 类桥梁：三级、四级公路上的中桥、小桥 第 2 组 为基本目标 C 类桥梁：二级公路上的中桥、小桥；单跨 跨径不超过 150m 的三级、四级公路上的特 大桥、大桥 第 3 组 为重要目标 B 类桥梁：单跨跨径不超过 150m 的高速公 路、一级公路上的桥梁；单跨跨径不超过 150m 的二级公路上的特大桥、大桥 第 4 组 非常重要目标 A 类桥梁：单跨跨径超过 150m 的特大桥 图 1 桥梁结构基于性能抗震设计框架 Fig.1 Performance-based seismic design framework for bridge structures 因此，形成了“四水准”抗震设防目标，以第 2 组桥梁结构为例： 第 1 水准：E1 地震作用下，桥梁结构在弹性范 围内反应，震后不需修复就能维持结构正常使用 功 能。 第 2 水准：E1′地震作用下，桥梁结构开始进入 弹塑性阶段，次要构件损伤，一般车辆可以正常通 行，震后轻微修复或不需修复就能保证结构正常使 用功能。 第 3 水准：E2 地震作用下，桥梁结构进入塑性 阶段，重要构件损伤，应急车辆才能通行，震后需 要修复或加固才能恢复正常使用功能。 第 4 水准：E2′地震作用下，桥梁结构不会发生 倒塌，震后替换构件或重建才能维持结构正常使用 功能。 设 防 地 震 等 级 结构性能水平 E1 地震 E1＇地震 E2 地震 E2＇地震 正 常 使 用 暂 时 使 用 修 复 后 使 用 防 止 倒 塌生 命 安 全 基本目标 重要目标 非常重要目标 不能接受目标 次要目标 结构性能水平 正常使用 暂时使用 修复后 使用 生命安全 防止倒塌 E2 地震 E2′ 地震 E1′ 地震 E1 地震 工 程 力 学 99 《公路桥梁抗震设计细则》[7]规定 E1 地震作用 时，结构一般不受损伤或不需修复可继续使用；E2 地震作用时，应保证不致倒塌或产生严重结构损 伤，经临时加固后可供维持应急交通使用。也就是 说，E1 地震作用下，结构能够正常使用或者暂时使 用；E2 地震作用下，结构能够保证生命安全或者防 止倒塌。可见，设防目标笼统、相对单一，不能满 足业主多性能目标的要求。 将地震设防水准细化为 E1 地震、E1′ 地震、E2 地震和 E2′ 地震作用水平，减少了 E1 地震与 E2 地 震作用水平之间相差较大的重现期，考虑了非常罕 遇地震情况，使桥梁结构从地震设防水准上有了更 多的选择。由“四水准”抗震设防目标和图 1 可以 看出，对于 E1′ 地震和 E2′ 地震作用水平，分别对应 两个结构性能水平，解决了桥梁结构在《公路桥梁 抗震设计细则》中只有“两水准”和性能目标单一 的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，使桥梁结构可以根据不同的重要性和抗震 救灾中的作用选择不同的性能目标。4 个地震作用 水平、“五档”结构性能水平和“四水准”抗震设 防目标的抗震设计框架提出为实现桥梁结构基于 性能的抗震设计理论奠定了基础。 1.4 桥梁构件性能水平的定义 结构的抗震性能水平是其组成构件性能水平 的综合表现。构件性能水平合理组合对于结构预期 性能目标实现具有决定性作用。因此，本文对基本 性能目标的钢筋混凝土桥梁结构组成构件进行性 能水平定义，建立桥梁结构“四水准”抗震设防目 标所对应的构件性能水平。 结合前面对结构抗震性能水平的定义，将钢筋 混凝土桥梁结构组成构件的性能水平也定义为“五 档”，如表 4 所示。 表 4 构件性能水平 Table 4 Member performance levels 构件性能 水平分类 MP-I MP-II MP-III MP-IV MP-V 力学性能 混凝土开裂 纵筋屈服 开始形成 局部机构 完全形成 局部机构 强度退化 修复描述 不需修复 可能修复 少量修复 必须修复 需要替换 对于表 4 中“五档”构件性能水平，MP-I 性能 水平对应于图 2 中 A 点，表明保护层混凝土开裂； MP-II 性能水平对应于图中 B 点，说明纵向钢筋开 始屈服；MP-III、MP-IV 性能水平位于图中力-位移 曲线 B 点与 D 点之间，意味着构件从混凝土剥落到 塑性角的形成；MP-V 性能水平对应于图中的 D 点， 即构件的纵筋屈曲、箍筋断裂或者构件承载力降低 到极限承载力 85%以下。 图 2 构件力-位移曲线 Fig.2 Member load versus displacement curve 结合《公路桥梁抗震设计细则》[7]对于桥梁结 构抗震设防的规定，建立 C 类(基本目标)桥梁结构 在“四水准”抗震设防目标所对应的构件性能水平， 如表 5 所示。 表 5 桥梁结构中构件性能水平 Table 5 Member performance levels in bridge structures 抗震设防目标 性能水准 1 性能水准 2 性能水准 3 性能水准 4 上部结构 MP-I MP-I 或 MP-II MP-II MP-III 支座 MP-I MP-I MP-I MP-V 下部结构 MP-I MP-II MP-III 或 MP-IV MP-V 桥梁 构件 位置 基础 MP-I MP-I MP-II MP-III 从以上论述可以看出，“四水准”抗震设防目 标的建立对于结构预期性能目标实现具有重要作 用，然而，从抗震设计角度来说，“四水准”抗震 设防目标相对抽象，不利于工程设计人员实践。表 5 建立了对应于桥梁结构抗震设防目标的构件性能 水平，将构件性能水平与构件的力学性能联系起 来，因此，可以为工程设计人员实现基于性能抗震 设计提供方便。C 类(基本目标)桥梁结构在性能水 准 3 时，各构件性能水平如图 3 所示。 桥墩桥台 上部结构 防落梁装置 支座 基础 承台 伸缩装置 MP-I MP-II MP-IV MP-III 图 3 桥梁各构件性能水平 Fig.3 Members performance levels in bridge structures 考虑到构件性能水平对预期性能目标实现的 重要性，结合 4 个地震作用水平、“五档”结构性 能水平和“四水准”抗震设防目标，建立了 C 类(基 Fcr Fu Fmax Δcr Δy Δmax Δu A B C D 计算 实测 Fy 桥台 防落梁装置 基础 桥墩 承台 支座 上部结构 伸缩装置 MP-I MP-II MP-III MP-IV 100 工 程 力 学 本目标)钢筋混凝土桥梁结构对应于不同性能水准 的构件性能水平，为桥梁结构由基于力的抗震设计 向基于性能的抗震设计提供了前提。 2 钢筋混凝土桥墩性能参数量化 桥墩作为桥梁结构重要的受力构件，是保证桥 梁结构抗震能力的关键因素。不同结构地震破坏模 式不同，结构破坏模式所对应的性能曲线对于确定 相应的性能参数至关重要，如图 4 所示。大量震害 调查和试验研究表明，位移角与结构破坏程度有很 好的相关性且能够反映结构各构件变形的综合结 果。因此，本文以位移角为性能参数，确定以弯曲 破坏(延性破坏)为主圆形钢筋混凝土桥墩在“五档” 结构性能水平的容许位移角限值。 侧 向 力 位移 性能水平 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 延性破坏 脆性破坏 强度退化 图 4 结构性能曲线 Fig.4 Structure performance curve 本文搜集国内外钢筋混凝土桥墩试验数据共 598 个，表 6 列出了钢筋混凝土桥墩各种破坏模式 的分布。 表 6 钢筋混凝土桥墩破坏模式统计 Table 6 Statistics of RC bridge columns failure mode 破坏模式 弯曲破坏 弯剪破坏 剪切破坏 圆形截面 172 52 64 矩形截面 230 42 38 对于满足如下条件：1) 构件以弯曲破坏为主； 2) 构件的高宽比≥1.95；3) 构件的纵向钢筋没有搭 接；而且文献中有相应性能水平的位移值，共计 127 个钢筋混凝土圆形截面桥墩[13―44]进行分析，确定桥 墩在正常使用、暂时使用、修复后使用、生命安全 和防止倒塌性能水平的位移角限值。 对于正常使用性能水平的位移角限值在相关 文献中报道较少，不具有统计意义，因此，本文结 合国内外相关文献中的建议，从我国基本国情和工 程实用的角度出发，建议正常使用性能水平的位移 角限值取为 1/500。暂时使用、修复后使用、生命 安全和防止倒塌性能水平的位移角限值的统计结 果如图 5~图 8 所示。 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.0180.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 相 对 频 数 位移角 图 5 性能水平 II 位移角统计 Fig.5 Statistics of performance levels II drift ratio 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.080.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 相 对 频 数 位移角 图 6 性能水平 III 位移角统计 Fig.6 Statistics of performance levels III drift ratio 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10 0.110.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 相 对 频 率 位移角 图 7 性能水平 IV 位移角统计 Fig.7 Statistics of performance levels IV drift ratio 0.00 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.240.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 相 对 频 数 位移角 图 8 性能水平 V 位移角统计 Fig.8 Statistics of performance levels V drift ratio 通过对“五档”结构性能目标的概率统计分析， 最终确定以弯曲破坏为主钢筋混凝土圆形桥墩在 侧 向 力 工 程 力 学 101 不同性能水平的变形位移角限值及相应的保证率 如表 7 所示。 表 7 钢筋混凝土桥墩性能水平位移角限值 Table 7 Drift ratio limit value of RC bridge column performance levels 性能水平 正常使用 暂时使用 修复后使用 生命安全 防止倒塌 保证率/(%) — 92.39 95.48 88.65 80.62 位移角限值 1/500 1/350 1/175 1/50 1/25 表 8 列出了新西兰、日本、美国加州设计规范 的相关规定和本文建议的结构性能水平的变形容 许位移角比较。通过表 2 和表 8 比较可以发现，本 文定义的性能水平与新西兰、日本、美国加州设计 规范的相关规定(以下简称相关规定)的定义是不同 的，本文定义结构性能水平 III 与相关规定的性能 水平 II 相当，性能水平 IV 对应于相关规定性能水 平 III，性能水平 V 对应于相关规定性能水平 IV。 由表 8 中各性能水平容许位移角比较可以发现，本 文建议性能水平 III 位移角限值为 0.57%，介于相关 规定中 0.53%~0.62%之间；性能水平 IV 位移角限 值为 2.00%，介于相关规定中 1.60%~2.30%之间， 性能水平 V 位移角限值为 4.00%，小于相关规定中 4.40%~5.10%之间。 表 8 桥梁结构性能水平位移角限值比较 Table 8 Comparison of drift ratio limit value of bridge performance levels 各性能水平下桥梁结构容许位移角/(%)性能 水平 总体描述 破坏状态 新西兰 日本 美国加州 本文 I 功能完好 钢筋没有屈服 ― ― ― 0.20 II 轻微破坏 混凝土轻微剥落 0.62 0.53 0.53 0.28 III 较重破坏 钢筋屈曲 2.30 1.60 1.90 0.57 IV 严重破坏 钢筋断裂 4.40 4.60 5.10 2.00 V 倒塌 倒塌 5.64 5.66 6.16 4.00 注：性能水平、总体描述和破坏状态对应于新西兰、日本和美国加 州设计规范的相关规定的定义。 本文建议性能水平与相关规定性能水平基本 相当，但是不是完全一致，这里主要有两个原因： 一是新西兰、日本和美国加州是针对整个桥梁结构 定义的性能水平，而本文只是针对弯曲破坏为主的 桥墩性能水平，正如前面所述，不同结构破坏模式 是不同的；二是本文是从我国基本国情和和工程实 用的角度出发，确定不同性能水平量化指标，即考 虑了结构的变形状态，又考虑了工程造价。因此， 本文建议不同性能水平对应的变形位移角限值是 合理的。 3 桥梁结构试验数据记录模板的建议 合理性能目标的确定，有赖于震害观测资料和 试验数据的积累，且和地震设防水准和预期性能要 求密切相关，还需要大量的研究工作。 本文在搜集国内外钢筋混凝土桥墩试验数据 基础上，对以弯曲破坏(延性破坏)为主圆形钢筋混 凝土桥墩进行了性能目标的量化，得到结果具有统 计意义和合理性。但是，由于不同研究者的研究目 的、手段、方法不同以及确定性能目标试验数据缺 失，本文确定钢筋混凝土桥墩性能目标还需要后续 试验验证与修正。因此，建立统一的性能目标试验 数据记录模板对于桥梁结构基于性能抗震设计的 发展和性能目标的量化具有重要意义。在参照了加 州大学圣地牙哥分校(University of California, San Diego, UCSD)、太平洋地震工程研究中心(Pacific Earthquake Engineering Research Center, PEER)和 Hose 等[13]建议的试验数据记录模板基础上，建议如 表 9 和表 10 所示的试验数据记录模板。 表 9 试验数据记录模板 Table 9 Evaluation template for experimental result 项目背景资料 项目负责人 项目实施单位 试验范围 1、试件；2、组合试件；3、结构体系 试验试件 分类 N、新试件；R、加固试件 资助机构 试件基本信息 试件名称 试件描述 备注：试验原因、试件设计基本信息以及试验装置描述 试件配筋 信息 备注：以试件横截 面图形式给出 轴压比 试件材料信息 试件损伤描述 定性描述试验过程中对应于表 2 性能状态的损伤情况 并建立对于每个性能状态的损伤照片 试验装置照片 性能水平 I 损伤照片 性能水平 II 损伤照片 性能水平 III 损伤照片 性能水平 IV 损伤照片 性能水平 V 损伤照片 试件性能估计 试件加载过程中重要加载水平对于力、位移、延性系数的描述 试件滞回 曲线图 备注：滞回曲线中 包含力与位移、位 移角和延性系数 试件骨架 曲线图 备注：骨架曲线中性能水平 I=▲、II=●、III=■、 IV=◆、V=★ 试件性能参数 性能水平 s c   位移角/(%) P 残余位移系数 性能水平 I 性能水平 II 性能水平 III 性能水平 IV 性能水平 V 注：s、c 分别为钢筋、混凝土的应变；为试件的曲率延性系数； 为试件的位移延性系数；P 为试件塑性位移角。 102 工 程 力 学 表 10 试验现象记录表 Table 10 Damge observations during testing 损伤状态 判定 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 加载循环次数 位移/mm 备注 首次明显弯曲 裂缝 裂缝宽度大于 0.5mm 首次明显剪切 裂缝 对角线裂缝超过横截 面 1/4，裂缝宽度大于 0.5mm 卸载后首次明显 残余裂缝 宽度大于 0.25mm 第 1 根纵向钢筋 屈服 应变仪读数达到屈服 应变 混凝土开始剥落 混凝土开始轻微剥落 混凝土明显剥落 混凝土剥落高度大于横截面 1/10 混凝土完全剥落 混凝土剥落高度不随变形而增大 剪切破坏发展 对角线裂缝超过横截 面 2/3，裂缝宽度大于 2mm 首次纵向钢筋 明显屈服 现场观察 核心混凝土区 明显裂缝 核心混凝土裂缝宽度 大于 2mm 箍筋断裂 现场观察 纵筋断裂 现场观察 轴向承载力丧失 试件失稳 4 结论 针对我国公路桥梁抗震规范中，地震作用水平 相对单一且从E1地震到E2地震的重现期相差较大 的现状，提出 E1′ 地震作用水平，取其 50 年内的超 越概率分别为 40%和 E2′ 地震作用水平，取其 50 年 内的超越概率分别为 2%~3%。将桥梁结构划分为 “五档”性能水平，结合 4 个地震作用水平，建立 17 个结构抗震性能目标和“四水准”的抗震设防目 标。建立桥梁构件对应其力学性能的“五档”性能 水平，结合“四水准”抗震设防目标，形成了 C 类 桥梁结构对应于不同抗震设防目标的构件性能水 平，完善了桥梁结构基于性能抗震设计的基本框 架，为基于性能抗震设计思想在桥梁结构中应用奠 定了基础。 在分析国内外 598 个钢筋混凝土桥墩基础上， 对于满足本文限制条件的 127 个以弯曲破坏为主钢 筋混凝土圆形截面桥墩，以位移角为性能参数，建 立钢筋混凝土桥墩在地震作用下处于正常使用、暂 时使用、修复后使用、生命安全和防止倒塌性能水 平的量化指标。通过与新西兰、日本和美国加州等 设计规范相关规定比较，结果表明，本文建议的钢 筋混凝土桥墩不同性能水平变形位移角限值是合 理的，可用于基于位移抗震设计时不同性能水平桥 墩墩顶位移的确定。 合理性能目标的确定，有赖于震害观测资料和 试验数据的积累，因此建议的统一性能目标试验数 据记录模板，可以为确立更加细化、合理性能目标 提供方便。 参考文献： [1] California Office of Emergency Service. 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