第1章 基于性能的桥梁抗震设计

1.1 性能设计

1.1.1 性能设计的由来

性能设计的由来与国际标准化组织（ISO）制定统一标准席卷世界各国有密切的关系。早在1981年国际标准化组织（ISO）在制定政府采购协议、GATT（General Agreement on Tariffs and Trade，关贸总协定）东京多边贸易谈判中，提出适用《政府采购协议》的商品在1981年开始生效。之后，从商品扩展到服务业，1996年该协议被WTO（世界贸易组织）协议所收录。《政府采购协议》第6条“技术规格”第1款项规定：“采购单位拟定、采用或通用的技术规格，是为了说明货物或服务的特性，如质量、性能、安全、大小、符号、术语、包装、标志、标签或生产工艺与方法，以及规定评估程序的有关要求，不得对国际贸易造成不必要的障碍。”并且在第2款项中规定：“采购单位在制定技术规格时，通常情况：（a）应依照性能，而不是按设计或描述特征制定标准；（b）应根据现有国际标准，没有国际标准的按国家技术规定（本协议所称技术规定，是指说明产品或服务特点或其相关工艺与生产方法的文件，包括适用的强制性行政规定。这些文件也可以包括或单独说明适用产品、服务、工艺或生产方法的专门术语、符号、包装、标志或标签等要求）、公认的国家标准（本协议所称标准，是指经过主管部门核准的文件中，对共同及经常性使用的产品、服务或相关工艺、生产方法规定的规则、准则或特征，但没有强制性。标准还可以包括或单独说明适用产品、服务、工艺或生产方法的专门术语、符号、包装、标志或标签等要求）或建筑规定。”[1]

由此看出，关于国际交流合作的技术标准，在整合国际规格的同时，力求采用性能评价指标对技术标准进行规范统一，这使得性能设计成为国际间经济技术交流的主潮流，并逐步得到了各国的认可和重视。

1.1.2 结构上性能设计的理念及含义

结构设计原意是“如何实现结构所要求功能”的一种行为。按此理解，从实现结构性能/功能的角度出发，无论哪种结构设计都属于性能设计。但是，哪种设计方法才算是基于性能设计的方法呢？例如建筑、桥梁结构抗震设计，如果明确了一个抗震目标，如“在罕遇地震（如汶川地震）作用下，保证结构不倒塌且安全”，就可以说是基于性能的抗震设计吗？或是把“在某假定的地震动作用下，保持结构的功能（例如，保证生命安全或者保持交通通行功能）”作为功能目标而被规定下来，就是基于性能的抗震设计吗？从这一点看，每位设计人员对基于性能抗震设计方法的理解是不同的。

那么什么是性能设计，其含义如何？在建筑桥梁结构上所谓基于性能设计是指在明确设计性能目标的基础上，为了实现这个性能目标的所有设计总称。换句话说，就是把以前显示的、隐式的结构性能要求及其评价方法进行明确化和系统化的设计，即为性能设计[2]。但这时要求的结构性能和评价方法必须是科学的、合理的。

与性能设计相关的词汇有“规定性能”、“性能评价”、“明确性能标准”、“规定性能标准”等。规定性能是指在规范条文中明确规定结构性能的设计方法。在制定设计方法时，只规定性能目标，而结构是否能够达到性能目标的验算评价方法则委托给设计人员（该种设计方法称为广义性能设计）。这样，设计人员在设计时有可选择的空间，设计更加灵活。但是在目前状况下，这种广义的性能设计方法还得不到应用（例如在结构抗震设计方面），这主要是因为目前还没有达到只规定性能目标就能进行抗震设计的水平。为此，在规范中规定性能目标的同时，也需要规定验证其性能目标的方法。

1.1.3 结构上性能设计的优点

结构上，从当前设计方法（即规格规定型设计）的缺点角度来分析，更容易说明基于性能设计方法的优点。当前设计方法所依据的“〇〇应用△△强度以上的材料”或“间距设置须小于××cm以下”的规范条文，只规定应当使用的材料、形状及尺寸，而性能设计方法不仅规定“〇〇应用△△强度以上的材料”或“间距设置须小于××cm以下”的目的，而且明确基于这一目的所期待的性能。

虽然当前设计方法的原则也是为了达成某种功能，但是目前的规定只适用于某种结构和某种材料，同时为了完善不确切、不明了的性能目标，从安全角度出发，按照偏于保守的规定进行设计。这种设计方法显然不适用于新型结构和新型材料应用。并且，在以计算数值为设计依据的时代，设计人员有时并不清楚为什么需要这些规定，只能机械地套用规范条文。

当前结构设计方法（即规格规定型设计）由于规定的是结构使用的材料、形状和尺寸等，在具体设计时容易理解和把握，在设计时不需要高水平的设计人员，在进行评审时只要按照规范标准很容易进行审查。但缺点是：①根据这种设计方法进行设计，当新材料和新结构出现时，新材料和新结构很难得到推广和应用。这主要是因为当前的设计方法没有明确规定应该实现的性能目标；②缺乏替代性，阻碍技术的更新和进步；③由于各个国家结构设计规范规定的内容存在很大的差异，国际间的技术交流和沟通存在较大困难。

与之相比，性能设计自由、灵活，明确应该实现的性能目标，较容易适应新技术、新材料在工程实际中的推广应用，同时性能设计也提供了国际间技术交流合作的基础和平台。但性能设计方法也有其不足的一面，即在结构审查和适用性判断时需要较高的技术，并且在设计时需要高水平的设计人员[2]。

1.1.4 结构上性能设计与当前设计方法的关系

性能设计与当前设计方法（规格规定型设计）的关系以图1.1所示的阶层图来加以说明。

图1.1中“目的”指的是设计标准中社会要求的目标（如在地震作用下，结构要保证人民的生命安全、尽量减少经济财产损失等即为社会要求结构设计达到的目标）。“功能要求”是指为了实现上述目的而要求的结构功能（如抗震设计中说的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准设计原则）。“性能要求”是指为了实现结构的功能要求，规定性能标准和验证方法（如在抗震设计中，要求结构在小震作用下，结构构件不容许进入塑性区域；在中震作用下，容许结构某些耗能构件进入塑性区域、容许一定的损伤，但不容许破坏；在大震作用下，不容许主要受力构件达到极限状态，保证结构不出现倒塌）。上述规定是强制性的。“验证方法”是指验证能实现结构功能的方法。“适用规格规定型设计条文”是指满足结构功能要求而给出的具体“解”、验证方法和适用规格规定型设计条文，在法律上不具有强制性，需要随着技术的进步、科学研究不断探明和发展，进行修订和增减。

上述这个阶层图在当前很多结构设计规范中，性能的规定和构造的规定混在一起。而基于性能设计在规范中，明确性能目标和要求的同时，也明确和规范性能设计的层次，如图1.1所示。从这个意义上讲，性能设计并不是全新的设计方法，而是目前抗震设计的延伸，它进一步明确和细化了结构设计评价内容及方法，形成更详细、更完整的结构抗震设计体系。

但在采用基于性能的抗震设计时，也有种担心，即缺乏能够运用这种设计方法进行抗震设计的技术人员、没有建立具体的评价方法和体系，容易导致由于设计人员的不同设计结果存在较大差异，很难验证其适用性。为了解决这种忧虑，需要完善基于性能抗震设计体系中的评价方法及相应的设计条文。

1.1.5 性能设计在各国建筑行业的发展状况

为了技术革新和扩大经济贸易，北欧建筑标准委员会（NKB）在1963年开始研究协调北欧各国的建筑标准。1972年，为了保证北欧各国劳动力流动和扩大建筑业及相关产品的贸易，NKB制定了实行计划。在各过程中，为了理解和修订各国的建筑标准，把建筑标准分成5个层次，NKB称之为水准系统（见表1.1）[3]。这是性能设计按层次划分的最初方案，对欧美建筑标准层次化思想影响深远。

其后大致发展如下：1978年，欧洲经济委员会（ECE）根据北欧的水准系统进行了多方面研究，对水准1～3进行了强制性的规定，对水准4～5没有进行强制性的规定，以这个方针为基础制定了建筑标准模型。

在英国，多数采用规格规定型的建筑标准。但从20世纪70年代后期，规格规定形式的建筑标准在建筑界中的活力开始降低。1984年，英国制定了新的建筑法，放弃了规格规定型建筑设计标准，改为简洁的建筑设计标准，确立了基于性能的设计体系，旧的建筑设计标准已经失去了原有的地位。

在新西兰，从1986年开始研发基于性能设计，统一建筑规范，1990年提出了NZBC建筑设计方法草案，如图1.2所示，分为5个阶段，与表1.1所示的NKB建筑标准水准系统大体一致[4]。

在美国，以前各州和自治体都各自制定了独立的建筑标准，注重地方形式的建筑规格体系。目前正尝试研发统一的建筑设计标准，制定性能设计方法和体系。

关于抗震设计，美国加利福尼亚州结构技术协会（SEADC）根据Vision2000提议的以性能矩阵为基础建立了基于性能的抗震设计方法。在该设计方法中，详细介绍了根据不同的地震力大小制定相应的性能目标，并建立了与之相适应的设计分析方法。这种抗震设计方法，是在地震作用下探明建筑物的动力行为而制定的抗震技术框架，也未偏离性能设计的宗旨和方针。换句话说，作为设计目标，明确抗震性能要求，抗震设计方法采用基于规格规定型进行抗震设计，我们把这种抗震设计方法称为基于性能规定型抗震设计（狭义上的性能设计，本书下文所讲的基于性能的抗震设计属于这种狭义的性能设计）。

1.1.6 基于性能的桥梁结构抗震设计背景

基于性能抗震设计近年来备受关注的主要原因是1989年美国旧金山地震、1994年美国北岭地震、1995年日本神户地震及2008年中国汶川地震等，给人类带来了巨大震害。在世界各国，建筑桥梁抗震设计的基本原则首先考虑在罕遇地震作用下，保证人们的生命安全，防止结构倒塌，容许结构发生或多或少的损伤。其实，在地震中，保证人们生命的安全是必须的（即满足单一的抗震性能），但如果结构发生了过大损伤的话，修复时需要花费庞大的费用，这也使得有些业主质疑为什么还采取单一抗震性能目标的抗震设计。

同时，对于医院等建筑物，即使建筑物避免了倒塌，但如果医院里的医疗设施发生了巨大破坏，将会扩大地震对人类以及物品的灾害。再比如对于桥梁的抗震设计，即使避免桥梁发生落梁等的破坏，但在地震后丧失了桥梁所具有的交通功能，其带来的间接损失可能会远远大于桥梁本身的直接损失。因此，在抗震设计中应该考虑灾后重建期间丧失交通功能及其带来的影响，以及灾后桥梁加固或新建所需的费用等。即桥梁抗震设计不单单要保证人们的生命安全，同时也需要考虑结构的损伤及其带来的各种可能发生的费用和社会影响。在此基础上，需要具有更高层次认识的设计，这也是基于性能设计备受关注的一个原因。

基于性能的抗震设计体系已经建立完成，但在当前状况下该方法还没有应用到桥梁工程实践。因此，为了使该设计方法应用于工程实践，在世界范围内研究开发基于性能抗震设计的范例显得十分重要。

基于性能的抗震设计方法最初是美国的V.V.Bertero博士和R.Sharpe博士提出的，2000年汇总到加州抗震设计Vision2000中[5]。基于性能的抗震设计其宗旨是结构设计要确实满足假定地震动作用下所制定的结构性能要求。为此，重要的是，当结构遇到某种地震时，需要高精度地分析结构晃动程度、结构损伤情况（需求性能分析）以及确实满足限制结构摇晃和损伤为目的设计要求（即结构所持有的功能）。

结构的需求性能用D（demand），结构持有的功能用C（capacity）表示，结构设计的基本公式为

但是，受目前对地震发生机理认识所限，当发生超过设计地震动的地震，该结构是否还能继续按照原来的设计目标进行抗震是防震减灾中的重要课题。如果采用如式（1.1）不等式的方式进行抗震评价或设计，就不能表达结构在受力过程中所持有的性能，也就不能分析超过假定地震动作用时，结构能否保护人们的生命安全，也就失去基于性能设计的宗旨。

因此，为了更清晰地实现基于性能的抗震设计，可以采用如下公式，即采用明确的系数法来进行设计。

以式（1.2）为基础，为了能够清晰地描述设计结构的性能状态，进行抗震评价，需要在不同地震动作用下高精度分析结构如何摇晃及结构损伤程度，直至结构倒塌。也就是说，基于性能的抗震设计需要清晰地确定结构性能要求目标及与之相适应的高精度、合理的结构分析方法和手段。