第1章 基于性能的橋梁抗震設計

1.1 性能設計

1.1.1 性能設計的由來

性能設計的由來與國際標準化組織（ISO）制定統一標準席卷世界各國有密切的關系。早在1981年國際標準化組織（ISO）在制定政府采購協議、GATT（General Agreement on Tariffs and Trade，關貿總協定）東京多邊貿易談判中，提出適用《政府采購協議》的商品在1981年開始生效。之后，從商品擴展到服務業，1996年該協議被WTO（世界貿易組織）協議所收錄?！墩少弲f議》第6條“技術規格”第1款項規定：“采購單位擬定、采用或通用的技術規格，是為了說明貨物或服務的特性，如質量、性能、安全、大小、符號、術語、包裝、標志、標簽或生產工藝與方法，以及規定評估程序的有關要求，不得對國際貿易造成不必要的障礙。”并且在第2款項中規定：“采購單位在制定技術規格時，通常情況：（a）應依照性能，而不是按設計或描述特征制定標準；（b）應根據現有國際標準，沒有國際標準的按國家技術規定（本協議所稱技術規定，是指說明產品或服務特點或其相關工藝與生產方法的文件，包括適用的強制性行政規定。這些文件也可以包括或單獨說明適用產品、服務、工藝或生產方法的專門術語、符號、包裝、標志或標簽等要求）、公認的國家標準（本協議所稱標準，是指經過主管部門核準的文件中，對共同及經常性使用的產品、服務或相關工藝、生產方法規定的規則、準則或特征，但沒有強制性。標準還可以包括或單獨說明適用產品、服務、工藝或生產方法的專門術語、符號、包裝、標志或標簽等要求）或建筑規定。”[1]

由此看出，關于國際交流合作的技術標準，在整合國際規格的同時，力求采用性能評價指標對技術標準進行規范統一，這使得性能設計成為國際間經濟技術交流的主潮流，并逐步得到了各國的認可和重視。

1.1.2 結構上性能設計的理念及含義

結構設計原意是“如何實現結構所要求功能”的一種行為。按此理解，從實現結構性能/功能的角度出發，無論哪種結構設計都屬于性能設計。但是，哪種設計方法才算是基于性能設計的方法呢？例如建筑、橋梁結構抗震設計，如果明確了一個抗震目標，如“在罕遇地震（如汶川地震）作用下，保證結構不倒塌且安全”，就可以說是基于性能的抗震設計嗎？或是把“在某假定的地震動作用下，保持結構的功能（例如，保證生命安全或者保持交通通行功能）”作為功能目標而被規定下來，就是基于性能的抗震設計嗎？從這一點看，每位設計人員對基于性能抗震設計方法的理解是不同的。

那么什么是性能設計，其含義如何？在建筑橋梁結構上所謂基于性能設計是指在明確設計性能目標的基礎上，為了實現這個性能目標的所有設計總稱。換句話說，就是把以前顯示的、隱式的結構性能要求及其評價方法進行明確化和系統化的設計，即為性能設計[2]。但這時要求的結構性能和評價方法必須是科學的、合理的。

與性能設計相關的詞匯有“規定性能”、“性能評價”、“明確性能標準”、“規定性能標準”等。規定性能是指在規范條文中明確規定結構性能的設計方法。在制定設計方法時，只規定性能目標，而結構是否能夠達到性能目標的驗算評價方法則委托給設計人員（該種設計方法稱為廣義性能設計）。這樣，設計人員在設計時有可選擇的空間，設計更加靈活。但是在目前狀況下，這種廣義的性能設計方法還得不到應用（例如在結構抗震設計方面），這主要是因為目前還沒有達到只規定性能目標就能進行抗震設計的水平。為此，在規范中規定性能目標的同時，也需要規定驗證其性能目標的方法。

1.1.3 結構上性能設計的優點

結構上，從當前設計方法（即規格規定型設計）的缺點角度來分析，更容易說明基于性能設計方法的優點。當前設計方法所依據的“〇〇應用△△強度以上的材料”或“間距設置須小于××cm以下”的規范條文，只規定應當使用的材料、形狀及尺寸，而性能設計方法不僅規定“〇〇應用△△強度以上的材料”或“間距設置須小于××cm以下”的目的，而且明確基于這一目的所期待的性能。

雖然當前設計方法的原則也是為了達成某種功能，但是目前的規定只適用于某種結構和某種材料，同時為了完善不確切、不明了的性能目標，從安全角度出發，按照偏于保守的規定進行設計。這種設計方法顯然不適用于新型結構和新型材料應用。并且，在以計算數值為設計依據的時代，設計人員有時并不清楚為什么需要這些規定，只能機械地套用規范條文。

當前結構設計方法（即規格規定型設計）由于規定的是結構使用的材料、形狀和尺寸等，在具體設計時容易理解和把握，在設計時不需要高水平的設計人員，在進行評審時只要按照規范標準很容易進行審查。但缺點是：①根據這種設計方法進行設計，當新材料和新結構出現時，新材料和新結構很難得到推廣和應用。這主要是因為當前的設計方法沒有明確規定應該實現的性能目標；②缺乏替代性，阻礙技術的更新和進步；③由于各個國家結構設計規范規定的內容存在很大的差異，國際間的技術交流和溝通存在較大困難。

與之相比，性能設計自由、靈活，明確應該實現的性能目標，較容易適應新技術、新材料在工程實際中的推廣應用，同時性能設計也提供了國際間技術交流合作的基礎和平臺。但性能設計方法也有其不足的一面，即在結構審查和適用性判斷時需要較高的技術，并且在設計時需要高水平的設計人員[2]。

1.1.4 結構上性能設計與當前設計方法的關系

性能設計與當前設計方法（規格規定型設計）的關系以圖1.1所示的階層圖來加以說明。

圖1.1中“目的”指的是設計標準中社會要求的目標（如在地震作用下，結構要保證人民的生命安全、盡量減少經濟財產損失等即為社會要求結構設計達到的目標）。“功能要求”是指為了實現上述目的而要求的結構功能（如抗震設計中說的“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三水準設計原則）?！靶阅芤蟆笔侵笧榱藢崿F結構的功能要求，規定性能標準和驗證方法（如在抗震設計中，要求結構在小震作用下，結構構件不容許進入塑性區域；在中震作用下，容許結構某些耗能構件進入塑性區域、容許一定的損傷，但不容許破壞；在大震作用下，不容許主要受力構件達到極限狀態，保證結構不出現倒塌）。上述規定是強制性的。“驗證方法”是指驗證能實現結構功能的方法?！斑m用規格規定型設計條文”是指滿足結構功能要求而給出的具體“解”、驗證方法和適用規格規定型設計條文，在法律上不具有強制性，需要隨著技術的進步、科學研究不斷探明和發展，進行修訂和增減。

上述這個階層圖在當前很多結構設計規范中，性能的規定和構造的規定混在一起。而基于性能設計在規范中，明確性能目標和要求的同時，也明確和規范性能設計的層次，如圖1.1所示。從這個意義上講，性能設計并不是全新的設計方法，而是目前抗震設計的延伸，它進一步明確和細化了結構設計評價內容及方法，形成更詳細、更完整的結構抗震設計體系。

但在采用基于性能的抗震設計時，也有種擔心，即缺乏能夠運用這種設計方法進行抗震設計的技術人員、沒有建立具體的評價方法和體系，容易導致由于設計人員的不同設計結果存在較大差異，很難驗證其適用性。為了解決這種憂慮，需要完善基于性能抗震設計體系中的評價方法及相應的設計條文。

1.1.5 性能設計在各國建筑行業的發展狀況

為了技術革新和擴大經濟貿易，北歐建筑標準委員會（NKB）在1963年開始研究協調北歐各國的建筑標準。1972年，為了保證北歐各國勞動力流動和擴大建筑業及相關產品的貿易，NKB制定了實行計劃。在各過程中，為了理解和修訂各國的建筑標準，把建筑標準分成5個層次，NKB稱之為水準系統（見表1.1）[3]。這是性能設計按層次劃分的最初方案，對歐美建筑標準層次化思想影響深遠。

其后大致發展如下：1978年，歐洲經濟委員會（ECE）根據北歐的水準系統進行了多方面研究，對水準1～3進行了強制性的規定，對水準4～5沒有進行強制性的規定，以這個方針為基礎制定了建筑標準模型。

在英國，多數采用規格規定型的建筑標準。但從20世紀70年代后期，規格規定形式的建筑標準在建筑界中的活力開始降低。1984年，英國制定了新的建筑法，放棄了規格規定型建筑設計標準，改為簡潔的建筑設計標準，確立了基于性能的設計體系，舊的建筑設計標準已經失去了原有的地位。

在新西蘭，從1986年開始研發基于性能設計，統一建筑規范，1990年提出了NZBC建筑設計方法草案，如圖1.2所示，分為5個階段，與表1.1所示的NKB建筑標準水準系統大體一致[4]。

在美國，以前各州和自治體都各自制定了獨立的建筑標準，注重地方形式的建筑規格體系。目前正嘗試研發統一的建筑設計標準，制定性能設計方法和體系。

關于抗震設計，美國加利福尼亞州結構技術協會（SEADC）根據Vision2000提議的以性能矩陣為基礎建立了基于性能的抗震設計方法。在該設計方法中，詳細介紹了根據不同的地震力大小制定相應的性能目標，并建立了與之相適應的設計分析方法。這種抗震設計方法，是在地震作用下探明建筑物的動力行為而制定的抗震技術框架，也未偏離性能設計的宗旨和方針。換句話說，作為設計目標，明確抗震性能要求，抗震設計方法采用基于規格規定型進行抗震設計，我們把這種抗震設計方法稱為基于性能規定型抗震設計（狹義上的性能設計，本書下文所講的基于性能的抗震設計屬于這種狹義的性能設計）。

1.1.6 基于性能的橋梁結構抗震設計背景

基于性能抗震設計近年來備受關注的主要原因是1989年美國舊金山地震、1994年美國北嶺地震、1995年日本神戶地震及2008年中國汶川地震等，給人類帶來了巨大震害。在世界各國，建筑橋梁抗震設計的基本原則首先考慮在罕遇地震作用下，保證人們的生命安全，防止結構倒塌，容許結構發生或多或少的損傷。其實，在地震中，保證人們生命的安全是必須的（即滿足單一的抗震性能），但如果結構發生了過大損傷的話，修復時需要花費龐大的費用，這也使得有些業主質疑為什么還采取單一抗震性能目標的抗震設計。

同時，對于醫院等建筑物，即使建筑物避免了倒塌，但如果醫院里的醫療設施發生了巨大破壞，將會擴大地震對人類以及物品的災害。再比如對于橋梁的抗震設計，即使避免橋梁發生落梁等的破壞，但在地震后喪失了橋梁所具有的交通功能，其帶來的間接損失可能會遠遠大于橋梁本身的直接損失。因此，在抗震設計中應該考慮災后重建期間喪失交通功能及其帶來的影響，以及災后橋梁加固或新建所需的費用等。即橋梁抗震設計不單單要保證人們的生命安全，同時也需要考慮結構的損傷及其帶來的各種可能發生的費用和社會影響。在此基礎上，需要具有更高層次認識的設計，這也是基于性能設計備受關注的一個原因。

基于性能的抗震設計體系已經建立完成，但在當前狀況下該方法還沒有應用到橋梁工程實踐。因此，為了使該設計方法應用于工程實踐，在世界范圍內研究開發基于性能抗震設計的范例顯得十分重要。

基于性能的抗震設計方法最初是美國的V.V.Bertero博士和R.Sharpe博士提出的，2000年匯總到加州抗震設計Vision2000中[5]?；谛阅艿目拐鹪O計其宗旨是結構設計要確實滿足假定地震動作用下所制定的結構性能要求。為此，重要的是，當結構遇到某種地震時，需要高精度地分析結構晃動程度、結構損傷情況（需求性能分析）以及確實滿足限制結構搖晃和損傷為目的設計要求（即結構所持有的功能）。

結構的需求性能用D（demand），結構持有的功能用C（capacity）表示，結構設計的基本公式為

但是，受目前對地震發生機理認識所限，當發生超過設計地震動的地震，該結構是否還能繼續按照原來的設計目標進行抗震是防震減災中的重要課題。如果采用如式（1.1）不等式的方式進行抗震評價或設計，就不能表達結構在受力過程中所持有的性能，也就不能分析超過假定地震動作用時，結構能否保護人們的生命安全，也就失去基于性能設計的宗旨。

因此，為了更清晰地實現基于性能的抗震設計，可以采用如下公式，即采用明確的系數法來進行設計。

以式（1.2）為基礎，為了能夠清晰地描述設計結構的性能狀態，進行抗震評價，需要在不同地震動作用下高精度分析結構如何搖晃及結構損傷程度，直至結構倒塌。也就是說，基于性能的抗震設計需要清晰地確定結構性能要求目標及與之相適應的高精度、合理的結構分析方法和手段。