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根据加拿大公路桥梁设计规范基于抗震评估的桥梁设计
摘要：最近的研究工作侧重于开发基于性能的抗震结构的设计方法。然而，目前加拿大公路大桥设计规范（CHBDC）规定的抗震设计规则主要是基于力量的设计原则。虽然对不同回归周期地震事件的一套性能要求（性能目标）已经规定，但CHBDC没有明确要求检查设计桥梁是否达到这样的表现目标。另外，还没有指定工程参数分配到指定绩效目标。本文将抗震性能目标（定性和定量）与工程参数相关联，根据已经公布的实验调查和对最近地震现场调查报告收集到的数据。根据CHBDC，已经开发并用实验结果验证了一个简单的方法用于评估桥梁设计的性能。但已经发现CHBDC规定的设计规则不能保证可以达到规定的多个抗震性能目标。一个隐含的以性能的形式响应修正因子的地震设计规则已经针对基于性能的桥梁抗震设计进行了概述。
关键词：地震，桥梁，性能目标，设计，评估，规范。
- 介绍
交通运输网络的完整性对发展现代社会持续发展至关重要。桥梁是全球运输系统重要的部分。关闭由于地震造成的破坏或崩溃的重要桥梁可能扰乱整体交通网络。对1971年圣费尔南多大地震后的混凝土桥梁强化的抗震性能进行了广泛的研究。还有，过去地震显示设计和细节方面的几个缺陷的桥梁（Saiidi 2011）。实践和分析方法两方面的显著改善已经实现。近期地震现场调查报告（川岛，Unjoh，1997;Basouml;z et al.1999; 许和傅2004）认为现代工程桥梁表现相当好，而损坏主要是在基于对抗震要求不足或没有设计的较旧的桥梁结构中观察到的。对现代桥梁的损害主要是混凝土开裂和混凝土覆层剥落的形式。但是，这种损害（或表现不佳）对重要的桥梁可能造成相当大的经济损失。
目前加拿大公路大桥的抗震设计规则设计规范，CHBDC（CSA 2006）是在很大程度上开发的基于力的设计原则。地震力水平对应弹性对土地类设计加速响应谱的响应是基于弹性刚度的结构来计算的。然后通过响应来修改该弹性力假设桥梁延性能力的修正因子（R）和一个重要因素（I）达到桥梁在三种强度（小到中等，设计，和大地震事件）的地震事件中的预期表现（所有交通即时使用，紧急车辆立即使用，可修复损坏和重建）。CHBDC的设计规则并不一定确保桥梁的未来表现。规范中推荐的单个R因子通常可以适用于单个级别的设计;多个性能水平的抗震设计可能需要一组R因子，每个都与单个绩效水平相关联。规范中包含的I因子被任意选择，以调整重要桥梁的地震力水平。但是，任意选择性因素依赖于活动性桥梁的属性。
最近的研究工作集中在发展基于性能的抗震设计和评估程序。主要目标是结构性能的耦合与地震地面动议。正确执行基于性能的抗震设计规则将能够减少人员伤亡，减少地震经济损失，并减少在地震期间和之后需要紧急服务（Floren和Mohammadi 2001）。结构工程界提出了几种关于新桥梁抗震设计、抗震改造与升级现有桥梁的抗震能力的方法（Sheikh et al，2010; Lehman et al，2004）。地震设计规范正在向全面实施基于性能的抗震设计程序转变。考虑到桥梁抗震性能的重要性（逃生路线，紧急路线等），已经在CHBDC的评论中说明（表1）。像其他桥梁设计规范（AASHTO 2007; AS 2004; EC8 1994），CHBDC不要求设计工程师明确地检查抗震设计桥梁的性能。虽然在未来的地震中可以预见到损害（表1），但没有考虑
在设计过程中的损害程度。此外，CHBDC规定的绩效水平非常具有描述性。CHBDC没有提供明确的指导来检查是否这样实现业绩目标，虽然关于这个问题的只发表了少量文章。因此，假定CHBDC中提供的一组设计规则是足以确保达到指定的地震性能目标。值得注意的是，公开评论版的加拿大公路大桥设计规范CAN / CSA-S6-14（CSA 2013）包括基于力量和基于性能的设计方法。在推荐的基于性能的设计方法中，有些概述了不同性能类别的要求。
本文揭示了目前的设计规则CHBDC（CSA 2006）不自动满足指定抗震性能目标。在本文中，定性和定量性能水平与工程相关参数（第2节），使工程师能够检查设计的桥梁的抗震性能。而且，修复技术也已被指定为所有性能级别。一个简单的基于非线性动态推理分析的建模方法在第3节概述。该模型已被实验结果完全验证。使用开发的建模方法，根据CHBDC的桥梁的抗震性能设计对CHBDC的设计规则进行了调查和限制，推荐满足指定的抗震性能要求（第4节）。最后，概述了一个隐含的可以达到抗震性能要的抗震设计规则（第5节）。
- 抗震性能和地震后桥梁的可维修性
目前的CHBDC（CSA 2006）的抗震设计规则并没有明确地考虑桥梁处于不同的损伤状态下的抗震需求与抗震能力。因此，对于根据CHBDC设计的桥梁，在桥梁的设计阶段，实际的非弹性能力（或性能）是未知的。然而，基于性能的桥梁地抗震工程要求桥梁在给定的危险中实现特定的性能水平。为了正确实施基于性能的抗震设计，每个性能目标应与之相关一个工程参数（例如，混凝土开裂，钢筋混凝土盖板剥落，钢筋弯曲断裂，混凝土破碎和强度损失）。这样损伤参数可以在组件级别更好地测量(Hose et al. 2000; Lehman et al. 2004),特别是桥梁。一般来说，桥梁中的弹性动作预计会发生在桥墩，不在梁或地基。因此，桥梁的抗震性能在很大程度上取决于非弹性能力桥墩。作者提出四个可以直接的并入下一代CHBDC的不同的表现水平或限制桥梁的状态（1A，1B，2和3）（表2）。表2基于近期地震中观察到的损失（川岛和未来1997; Basouml;z et al.1999; 许和傅2004）和报道的数据对大量桥墩的实验研究（Berry et al。2004）。已提出的极限状态（LS）与Hose等人提出的LS的定义 一致（2000），Kowalsky（2000），Floren和Mohammadi（2001）和Lehman et al。（2004年）。
达到LS-1A，响应弹性小，位移振幅小。预计混凝土不会开裂，没有震后修复是必要的。超越LS-1A和LS-1B，混凝土可能会破裂，但伤害应该是轻微的容易修理的。可能有几个裂缝开口，但是桥墩的容量不应受到明显的影响，桥梁应该保持全面运作。LS-2可能发生中度结构损坏。然而，桥梁应该保留允许进入紧急和安全车辆的功能。向上到LS-3，预计会发生重大的结构性损坏，但是桥不应该崩溃。地震和广泛维修后的桥可能被要求。这样的修理
可能并不总是在经济上可行，重建有时可能是必要的。对桥梁LS的上述描述在图1中进行了总结。可以观察到LS-2和LS-3之间的区域已分为两个区域：可修复损坏和重建。目前尚不可明确区分可修复损伤和重建工程参数的实验结果。这可能对桥的类型很依赖。因此，选择LS-2和LS-3之间的位移能力作为可修复损伤与重建之间的限制位移（图1）。
- 桥梁的抗震性能评估建模的
复杂的数值分析，包括非弹性响应桥墩，关节和梁可能需要充分表征桥梁的循环响应。但是，桥梁的安全抗震在很大程度上取决于非弹性响应（或损坏）的桥墩（Hose et al。2000; Lehman et al。2004）。因此，可以采用非线性静力分析程序对在不同震级下的震动桥墩的响应和局部损伤的参数进行识别（表2）。这样的分析可以合理地模拟行为桥只由桥墩支持的情况。
一种用于抗震性能的基于位移原理的桥墩评估的简化地震评估的方法，采用非线性单调静态分析方法，在Sheikh和Legeron（2012）开发。这种方法采用本地方式直接比较桥墩的性能的方法具有前面部分描述的LS性能。这种方法考虑到材料的非线性行为，包括横向加固的限制作用。有助于总顶端位移的位移分量包括由于纵向钢筋的滑动导致结点变形一起沿着桥墩的弯曲和剪切变形。在这里已经简要描述该方法。
3.1. 钢筋混凝土非线性材料模型
高度非线性强化混凝土的现实本构模型是复杂的，因为构成混凝土产生的非线性应该被适当的结合。钢筋混凝土非线性模型由混凝土和钢筋混凝土法组成。
3.1.1. 具体的组织法
具体的现实本构规律需要考虑到约束对混凝土总体应力 - 应变行为的影响。在本文开发的方法中，单轴Legeron和Paultre（2003）提出的有限混凝土模型被采纳为具体的本构定律。Sharma et al.（2005年）观察到与大量实验结果比较Legeron和Paultre（2003）模型是最适合的。该模型同样适用于无约束混凝土。基于Mander等人提出的能量平衡原理 （1984）考虑限制加固的破裂，其中应力 - 混凝土的应变关系在数值上是综合的。混凝土的极限应变对应于能量的应变受限制钢筋吸收等于受限混凝土和无约束混凝土吸收的能量差异。值得注意的是，在限制钢筋破裂的时候，纵向钢筋不再受到限制，钢筋的弯曲发生较快，导致桥墩倒塌。
3.1.2. 钢筋组织法
Gomes提出的非线性钢筋模型Appleton（1997）由于其简单性和准确性而被选中在预测桥墩的剖面行为。该模型需要考虑到纵向钢筋的非弹性屈曲的影响，以简化的方式基于塑性机理弯曲的钢筋。注意，当钢筋承受循环负载时，其最大强度小于在单调拉伸试验中观察到的最大强度。钢筋极限应变被认为是0.07。
3.2. 剖面行为建模
截面行为（力矩曲率响应）、是在计算机程序MNPhi上建立的（Paultre2001）采用混凝土和如上所述的强化的本构规律。 通过假设应变曲线，哪个符合平面截面保持平面的假设，计算各层和钢筋中的应力。基于计算的轴向力，然后更新应变分布，其与所施加的轴向力收敛。计算那时候的弯矩。
3.3. 力 - 位移行为建模
在桥墩顶部的位移，固定在被认为包括沿柱长度弯曲（弹性和非弹性）的位移，沿柱长度的剪切位移以及由于固定端旋转用于纵向钢筋的滑动。根据灵活的方法，桥墩顶部的位移是这三个组成部分的总和（Priestley et al.2007）：
e 是弹性位移，p 是塑料位移，s是剪切位移，slip是滑位移。对p, s,和 slip计算过程的详细描述可以在Priestley et al.（2007）和Sheikh和Legeron（2012）中找到。
3.4.与实验研究的比较
对桥墩的力 - 位移响应上述建模方法已经与Lehman et al. （2004）.对八个桥墩的实验研究进行比较。实验结果和分析研究之间的比较示于图2。可以观察到的是，这种分析方法预测了具有良好的精度的实验结果。此外，性能点，或LS，得到了很好的预测。LS-1B（收率位移）已预测非常好，平均小于1％的差异。LS-2（混凝土盖的剥落）被预测达到只有10％的平均差值。可以观察到的是对于LS-2实验/分析结果的比例高Colum 828。LS-3（核心破碎/纵向杆断裂/横向箍的断裂/屈曲纵向杆/强度退化）也已预测达到10％的平均差异。值得注意的是，实验调查基于标称延展性，性能点均在负载循环的位移的最高点。因此，即使实际的性能点落在两个排量周期的范围内，它将仅被报告为位移负载应用在后一个周期。虽然分析方法预测了桥墩位移的钢筋屈曲，纵向杆断裂，横向箍断裂和强度退化，但Lehman et al. (2004)的实验研究报道了相同的桥墩位移的钢筋屈曲和强度退化。位移周期类似的限制也适用于这一阶段的负荷。尽管如此，分析方法非常好的模拟了实验结果。因为分析方法预计力 - 位移响应和性能点相当不错，根据CHBDC在下面章节该建模方法已被应用对于桥墩设计的性能评价。
3.5.桥墩的抗震性能
桥墩的抗震性能设计根据CHBDC已经在加速性方面进行了评估（基于桥墩推荐反应谱的地震地面运动的峰值地面加速度） - 位移响应（相应的地震地面运动下的桥墩的位移），根据替代结构的方法（Shibata和Sozen1976年），使用上面计算的力 - 位移响应。在桥墩上的每一个点的力 - 位移响应，割线刚度K（方程（2））和有效期间T（等式（3））的计算：
Fi和 i是力和位移，分别是力 - 位移图中的一个点。
其中Ms 是桥墩的抗震质量，包括支流桥墩的桥梁上部结构的质量加上50％桥墩和
墩帽的质量。基于桥墩在水平位移的延展性，有效阻尼也在考虑理想化弹塑性响应（当量（4）情况下根据Kowalsky et al. (1995)的建议被计算出。
其中是桥墩的屈服前的阻尼，取值0.05。根据EC8（2004）（方程（5））在CHBDC中弹性地震响应系数（CSM）通过一个阻尼校正改性因子（DMF）。
力的等级通过Teff阻尼响应光谱（DMF的应用之后）与PGA=1克（从弹性地震响应系数，计算CSM）已经被计算出来。该水平力计算与桥墩的容量相比，（即，对应于位移量的力水平力 - 位移响应）来计算地震的PGA在桥墩事件将要进行考虑位移等级。用于PGA的计算过程中已经发生地震事件的所有力 - 位移响应和表示为桥墩的PGA-位移响应（图1）。在以下方面性能点工程参数（见表2）已被叠加在桥墩（图1）的PGA-位移响应。图1清楚地识别损伤状态（或性能点）和在PGA方面相应地震动。本文所概述的简化方法具有识别的能力，适用于范围广的地震桥墩的抗震性能场景（基于编纂设计反应谱格式PGA）。值得注意的是，上面描述的建模方法是识别局部损伤参数（桥墩）。然而，这样的破坏参数可以合理地显示性能水平只有桥墩支撑的典型的桥。
- 根据加拿大的公路桥梁设计规范（CHBDC）的桥梁性能设计
在CHBDC中桥墩采用的抗震设计方法是力，如前面所讨论的，其中强度被用作衡量抗震性能。不同的回报期联四级的性能水平（RP）地震活动已在规定CHBDC的评注（表1）。抗震力降低系数（R）为3和5，分别为单钢筋混凝土桥墩和多个柱墩弯曲。多列墩弯曲较高的R因子是由于一个多弯曲高度冗余和完全崩溃预期的低可能
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