作者：M.C.Constantinou A.S.Whittaker等
出版社：中国铁道出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
桥梁地震保护系统试读：
版权信息书名：桥梁地震保护系统
作者： M.C.Constantinou,A.S.Whittaker,Y.Kalpakidis,D.M.FenzandG.P.Warn
排版：中国铁道出版社
出版社：中国铁道出版社
出版时间：2012.06
ISBN：978-7-113-14871-3
本书由中国铁道出版社授权北京当当科文电子商务有限公司制作与发行。
— · 版权所有 侵权必究 · —内容简介
美国从二十多年前开始，“结构保护系统”从构思到研究、试验，再到工程试用，给我们传统的地震工程领域带来了强大的活力。20世纪80年代末，从“被动”到“主动”再到“半主动”的地震保护系统都有了很大的发展。经过了两次产品的原型测试后，被工程师们认可的被动结构保护系统开始得到了广泛的工程应用。地震后破坏和有地震风险地区的桥梁、建筑，纷纷按计算的需要安置上了结构保护系统——橡胶支座、摩擦摆、各种阻尼器和防屈曲支撑。
在经历二十多年的工程应用后，大家认为，需要有个总结归纳，以工程和理论的眼光评价这些经过百花齐放出来的各种结构保护系统的优缺点和可用性。美国联邦高速公路管理局基金会、加州交通管理局和交通部联合投资委托美国国家地震研究中心（MCEER）开展了这项工作，由Constantinou教授及多位专家把这二十多年的经验教训从理论到工程实用总结成这篇报告。
为了更好地介绍这些新成果，我们把该报告翻译成中文，供大家学习、阅读。编译者前言
在中国和美国地震工程领域几十年的学习和工作中，译者体会到从工程抗震的角度出发，目前，最有实用前景的是结构保护系统，同时也就希望从工程可靠性的角度去介绍和讨论结构保护系统的理论、试验、地震中的性能表现和工程应用中的一些问题。美国康斯坦丁诺（MICHAEL.C.Constantinou）教授是这个领域里的先驱，做过大量结构保护系统卓有成效的试验，参加或领导过美国规范和指导文件的撰写工作：
ATC-63（Applied Technology Council）（2005年～现在）；
NEHRP（National Earthquake Hazards Reduction Program）（1993年～现在）；
FEMA（Federal Emergency Management Agency）（1993年～1997年）；
ASCE（Seismic Isolation Committee，American Society of Civil Engineers）（1995年～现在）；
ASCE-7规范（Earthquake Loods Task Committee，American Society of Civil Engineers）（1995年～现在）；
AASHTO LRFD Bridge Construction Specifications（1995年～2000年）。
更为可贵的是他参加过大量世界上重要的结构保护系统的工程咨询和指导工作，在美国重要期刊上发表过多达60篇学术论文和专著。学习和了解他的文章和想法无疑对我国地震工程的发展会有很大帮助。
这个在美国从20多年前开始构思到研究试验再到工程试用的“结构保护系统”给我们传统的地震工程领域带来了强大的活力。20世纪80年代末，无论“被动保护系统”和“主动保护系统”以及后来诞生的“半主动保护系统”都有了很大的发展。在我们土木工程界，这一理论从引入开始经历了一个“百花齐放”的发展阶段。在这个阶段的最初几年内，诞生了很多新的想法，并有很多新的“装置”被试用。专业工程师喜欢用下表来说明这一阶段的发展。
经过20多年的发展，目前在美国应用领域，公认的成功技术和产品有：
基础隔震技术，用一个允许一定程度运动并能耗散地震能量的隔震垫将下部结构和上部结构分隔开来，从而有效地隔离并减弱了地面运动。最早发展起来的铅芯橡胶垫技术得到了成功应用，且后来提出的金属摆动摩擦支座技术显示出更快的发展。
液体黏滞阻尼器的耗能技术，一种看上去很像车辆减振器的活塞筒状装置，但其内设硅油，通过活塞在黏滞液体内的往复运动起到耗散地震能量的作用，从而起到保护结构的作用。
防屈曲耗能支撑，由日本Nippon公司研制出的金属屈曲约束耗能支撑（UBB）是在结构工程师们早已熟悉的某一构件的基础上改进而来的产品。
对于广大工程师而言，脱离我们早已熟悉的传统钢结构、钢筋混凝土结构，甚至木结构，采用我们并不了解的机械、航空等其他领域已成功应用的产品，并将其用在我们赖依生存的、百年大计的建筑和桥梁上难免会产生各种问题，例如：
•在我们几乎不用很多维护的传统结构上，加上的这些保护装置是否要我们像维护建筑中空调或电梯一样去常年维护它？要不要定期检查和更换？
•这些装置是否能像我们结构的其他构件一样，安全可靠地使用几十年，甚至上百年？
•这些保护装置，是否能和我们传统的结构相匹配、适用？
这些问题对我们要使用结构保护系统的工程师说来，无疑是至关重要的。我想，从康斯坦丁诺的文章和想法中，我们不难看出他的出发点。我们在今后出版的书中，也将介绍和讨论这些问题。本书中的研究课题，无疑把结构保护系统的发展进程，又向前推进了一步。
感谢刘锡荟老师对我们翻译工作的部分指导和帮助。本书参加翻译和校对的还有王静、李小芳等人，特此表示感谢。致谢
本报告所涉及的工作得到加州交通管理局65A0174项目和由联邦高速公路管理局设立的基金支持的多学科地震工程研究中心高速公路项目TEA-21、EXT-3A和EXT-3C的资金支持。在此表示衷心的感谢。
笔者对加利福尼亚州交通部的Tim Delis博士和Allaoua Kartoum博士在本报告和桥梁隔震相关资料的准备过程中提供的指导表示感谢。同时也要感谢动力隔震系统公司的Amarnath Kasalanati博士和地震保护系统公司的Anoop Mokha博士在隔震支座方面提供的相关信息和在隔震支座设计步骤上的协助。Notice
This report was originally published in English on August 27,2007 by the Multidisciplinary Center for Earthquake Engineering Research(MCEER)as part of its technical report series.It was prepared by the University at Buffalo,State University of New York as a result of research sponsored by MCEER through a contract from the Federal Highway Administration and the State of California Department of Transportation.Neither MCEER,associates of MCEER,its sponsors,the University at Buffalo,State University of New York,nor any person acting on their behalf:
1.Makes any warranty,express or implied,with respect to the use of any information,apparatus,method,or process disclosed in this report or that such use may not infringe upon privately owned rights;
2.Assumes any liabilities of whatsoever kind with respect to the use of,or the damage resulting from the use of,any information,apparatus,method,or process disclosed in this report.
Any opinions,findings,and conclusions or recommendations expressed in this publication are those of the author(s)and do not necessarily reflect the views of MCEER,the Federal Highway Administration,the California Department of Transportation or any other sponsors.About the Author
康斯坦丁诺（MICHAEL.C.Constantinou）
Appointments
· Chair,Dept.of Civil,Structural and Environmental Eng.,Univ.at Buffalo, 1999-2005.
· Co-Director,Structural Engineering and Earthquake Simulation Laboratory,University at Buffalo ,1997-2004.
· Professor,Dept.of Civil,Structural and Environmental Eng.,Univ.at Buffalo 1994- present.
· Assoc.Prof.,Dept.of Civil,Structural and Environmental Eng.,Univ.at Buffalo, 1989-1994.
· Asst.Prof.,Dept.of Civil,Structural and Environmental Eng.,Univ.at Buffalo, 1987-1989.
· Asst.Prof.,Dept.of Civil and Architectural Eng.,Drexel Univ., 1984-1987.
Awards
· Presidential Young Investigator Award,President R.Reagan, 1988.
· Best Paper Award,4th World Congress on Joints and Bearings,ACI, 1991.
· Design Award for Engineering,Technology and Innovation,General Services Administration(for design of US Court of Appeals Building,San Francisco）, 1994.
· Diamond Award,New York Association of Consulting Engineers(for design of Ataturk International Airport Terminal,Turkey）, 2002.
· Grand Award,American Council of Engineering Companies(for design of Ataturk International Airport Terminal,Turkey）, 2002.
· Chancellor’s Award for Excellence in Scholarship and Creative Activity,SUNY, 2004.
· C.Pankow Award for Innovation,Civil Engineering Research Foundation(for design of Torre Mayor Building,Mexico-on behalf of University at Buffalo）, 2005.
Professional Activities
· Chair,Subcommittee 12 and member of Provisions Update Committee,Development of 2003 NEHRP Recommended Provisions for the Development of Seismic Regulations for New Buildings,Building Seismic Safety Council,National Earthquake Hazard Reduction Program, 2001- present.
· Member,Subcommittee 12 and Provisions Update Committee,Development of 1994,1997 and 2000 NEHRP Recommended Provisions for the Development of Seismic Regulations for New Buildings,Building Seismic Safety Council,National Earthquake Hazard Reduction Program, 1993-2000.
· Member,New Technologies Team,Project ATC -33 for Preparation of National Guidelines for Seismic Rehabilitation of Buildings,Applied Technology Council, 1993-1997. Development of FEMA Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings.
· Member,Seismic Isolation Committee,American Society of Civil Engineers, 1995- present.
· Member,T-3 Seismic Design Task Group,AASHTO Subcommittee on Bridges and Structures,Development of the 1999 AASHTO Guide Specifications for Seismic Isolation Design, 1995-2000.
· Member,ASCE 7-Earthquake Loads Task Committee,Development of ASCE Load Standard ASCE 7-02 for year 2002 and ASCE 7-05 for year 2005,2000- present.
· Member,Project Management Committee,FEMA Project ATC -63,2005- today.
· Member,Subcommittee 2,Development of 2008 NEHRP Recommended Provisions for the Development of Seismic Regulations for New Buildings,Building Seismic Safety Council,National Earthquake Hazard Reduction Program, 2006- today.
· Member(by appointment)of bi-national, 36- member jury for selection of new Peace Bridge design,Buffalo,NY,August to December 2005.
Consultant on performance-based engineering and on analysis and design of seismic isolation systems,seismic energy dissipation systems and vibration control systems,1984-today.Consulted on the following projects:Mesologgi Hospital,Greece;Corinth Canal Bridges,Greece;LNG Tanks,Greece;U.S.Court of Appeals building,San Francisco;San Bernardino County Medical Center Replacement Project;Queensboro Bridge,NY;ISP Chemicals Tanks,Kentucky;University Bridge,Seattle;San Francisco Airport International Terminal;Corinth Canal Railway Bridge,Greece;Rion-Antirion Cable-Stayed Bridges,Greece;Caltrans SRMD Test Facility;JFK Roadways,NY;Beijing Railway Station,China;Hearst Mining Building,Berkeley;Rion-Antirion Approach Viaduct,Greece;Santa Clara Police Facility,CA;Yerba Buena Tower,San Francisco;196th Street Bridge,Seattle;Woodrow-Wilson Bridge,Washington,D.C.;Ataturk International Airport Terminal,Istanbul,Turkey;Pasadena City Hall,CA;Ingram Micro Building,Santa Ana,CA;AboveNet Building,San Francisco,CA;Univ.Avenue Building,Palo Alto,CA;Bolu Viaduct,Turkey;Museum of the Acropolis,Greece;SouthBay Tower,San Jose,CA;Onassis Center,Greece;CYTA Central Building,Cyprus;Shemya Radar Facility,Alaska;Ashley Phosphate and US 52 Bridges,Charleston,SC;Kourion Structures,Cyprus;Centre Administratif Pictet-Acacias,Switzerland;Orlan Oil and Gas Platform（ExxonMobil）,Russia;Piltun Oil and Gas Platform（Shell）,Russia;Lunskoye Oil and Gas Platform（Shell）,Russia;Willamette River Bridge,Oregon;New de Young Museum,San Francisco,CA;Oakland Cathedral,Oakland,CA,Baha’i Temple,Chile;Tarabya Hotel,Turkey;Nordstrom South Coast Plaza,Costa Mesa,CA;LNG Tanks,Long Beach,CA;CYTA Building Retrofit Program,Cyprus;George Washington Bridge,WA;Mills Peninsula Hospital,Burlingame,CA;Statue of Hermes,Greece;CPMC Hospital,San Francisco,CA;Washington Hospital,Fremont,CA;Olympic Committee Building,Cyprus;Dafni Railway Bridge,Greece;Erzurum Hospital,Turkey;11th Avenue Bridge,NYC;Limassol Public Library,Cyprus;Arkuntun-Dagi Oil and Gas Platform（ExxonMobil）,Russia;Riviere des Prairies Bridge,Montreal,Canada;Jin Nam 3rd Bridge,Korea;New Yang Soo Grand Bridge,Korea;Gangdong Grand Bridge,Korea;University Building,Cyprus;Heyder Aliyev Cultural Center,Baku,Azerbaijan;San Francisco General Hospital,San Francisco,CA;Sabiha Gokcen Airport Terminal,Istanbul,Turkey;Throgs Neck Bridge,NY.
·Contributions. Credited with major contributions in the development and implementation of sliding seismic isolation systems,viscous seismic energy dissipation systems and the toggle-brace and scissor-jack damping systems（60 citations in newspapers and magazines）.
· Publications. Author or co-author of 200 books,book chapters,refereed journal papers,conference papers and reports.
· Patents. Highly Effective Seismic Energy Dissipation Apparatus,US Patent 6438905.
· Research Funding. Recipient of ＄3 million and co-recipient of ＄20.2 million research funds.
· Thesis Advisement. Visiting and Post-doctoral Fellows:14,Completed Ph.D.Degrees:15（5 in faculty positions）,Completed M.S.Degrees:21,Current Ph.D.students:1,Current M.S.students:0.康斯坦丁诺（）教授写给中国读者的话
The May 2008 Wenchuan earthquake resulted in thousands of casualties,numerous collapsed and damaged buildings,bridges and industrial structures,and had an enormous impact on the Chinese economy.This disastrous earthquake demonstrated the pressing need for performance-based engineering that would have ensured collapse prevention,life safety and even better performance,such as immediate occupancy and operational performance levels.Such higher performance levels are important and most often necessary for critical structures such as hospitals,schools,essential bridges,power stations,essential storage facilities,hazardous facilities,important government structures,emergency centers,museums and structures of historical or architectural significance.
Seismic protective systems,consisting of seismic isolation and damping systems,represent the only practical structural systems that offer to the Engineer the possibility of achieving performance levels of immediate occupancy and operational levels.To achieve these performance levels requires proper application of the technologies of seismic isolation and/or damping systems,proper interpretation of the seismic hazard and a good measure of conservatism and respect for the power of nature.
This document that is translated herein to the Chinese language collects and documents the state-of-the-art in seismic protective system hardware behavior,and seismic protective system design and assessment of adequacy.The authors hope that its proper use in the analysis and design of structures with seismic protective systems will contribute to the reduction of damage in earthquakes and the preservation of life.The authors are also very pleased with the translation of this document to Chinese as in doing so the document has the potential to affect many people in the most populous country in the world.译者简介
陈永祁 1966年毕业于北京工业大学土木建筑系结构专业，从事建筑结构设计与施工工作。1976年唐山地震后，考入中国建筑科学研究院工程抗震研究所学习，从师龚思礼、刘锡荟。1981年毕业获得硕士学位后在中国建筑科学研究院抗震所工作。1986年在美国纽约州立大学布法罗分校土木建筑系攻读博士学位。1989年获得工程博士学位。毕业后在美国设计核电站公司（Sargent &Lundy）研究和发展部门工作，任高级工程师。
1998年应中国建筑科学研究院抗震所原副所长韦承基邀请参与并完成北京火车站抗震加固改造、阻尼器工程的计算，并首次将美国Taylor公司的液体黏滞阻尼器引到国内结构工程中应用。
2005年回国创办北京奇太振控科技发展有限公司，推广和发展世界最先进的液体黏滞阻尼器和摩擦摆隔震支座等结构保护系统。
马良喆 1973年9月生于吉林长春。1996年毕业于吉林建筑工程学院土木工程系土木工程专业。2001年进入哈尔滨工业大学土木工程学院攻读硕士学位，从事结构耗能减震方面的研究工作；曾先后就职于北京市建筑工程研究院检测所、中国电子工程设计院，分别从事建筑材料检测、结构构件桩基检测以及工业建筑结构设计等工作。2005年进入北京奇太振控科技发展有限公司，负责耗能减振技术的应用开发，陆续参与多项高层建筑和大跨度桥梁结构的抗震抗风计算分析工作，以及现场工作。第1章引言
许多研究表明，隔震系统及附加阻尼装置可以减轻甚至消除强震作用下结构部件、非结构部件以及整个系统的损坏。Naeim和Kelly（1999）指出，正是因为恰当地使用了这些保护装置，结构的性能才更为良好。而对这些保护装置的恰当使用必须包括以下几点：对设计地震强度的适当考虑（为隔震支座提供足够的位移能力）、对这些装置的力学性能以及对这些力学性能随时间的变化情况有一个完全的了解、合理的响应分析方法以及考虑到足够的细节问题，从而保证这些保护装置具有它们设计时所预想的功能。
仅有少数的隔震结构经受过大地震的考验。Stewart等人（1999），Nagarajaiah和Sun（2000）和Kani等人（2006）记录过隔震结构的良好性能表现，同时Stewart认为隔震结构的实际响应与设计计算响应存在或多或少的差异，然而也有两个失效的案例：（1）1999年Ducze大地震中Bolu高架桥，因为结构实际位移显著地超过地震隔震支座的位移极限而失效（Roussis等，2003）；（2）在1993年Kushiro-Oki地震中由于低温条件下隔震支座硬化导致了某桥桥墩的超载而失效（Sato等，1994）。
大多数针对地震保护系统实用性的研究都是基于对隔震支座和耗能装置力学性能的最佳估计，而没有考虑装置使用期内的老化、加载历史和周围环境对其力学性能的影响。而这些不定因素会对结构保护系统的使用效果带来消极的影响甚至使其失去保护效果。
20世纪90年代中期，Constantinou等（1999）通过收集和总结数据资料对温度、加载历史以及老化对所选隔震支座力学性能的影响进行了研究。该研究提出一套考虑力学性能的变化效应的分析方法——这些方法被随后编制的一些关于隔震结构设计的规范条文采纳，包括AASHTO隔震设计指导规范（AASHTO，1999），ASCE-7-05（ASCE，2005）以及EN1998（European，2005）。
本报告在1999年报告的基础上对相关信息进行了更新，包括：温度、加载历史和老化对隔震支座力学性能的影响及对隔震结构响应的影响。同时对现行的保护系统的设备、分析及设计方法进行了总结。另外，本文试图对隔震支座和阻尼器的热效应、加载以及其老化情况进行一个科学的解释，从而可以预测整个使用周期内隔震结构的响应——而这种预测可依靠试验和观察来证实。第2章隔震系统和阻尼系统的基本原理2.1传统的抗震桥梁结构
按传统方法设计建造的抗震桥梁往往依靠特定桥墩和盖梁等部件的非弹性行为来消耗能量。
对于单弯矩构件（图2-1），以及锤头状的桥墩和盖梁的构件（图2-2）来说，非弹性行为应该出现在盖梁下侧的桥柱或者是在桥墩的底部紧靠地基之上的地方。非弹性作用常常引起大规模的破坏并且难以维修，更重要的是，结构上的损坏通常会导致桥梁的关闭，随之带来的是直接和间接的经济损失。
图2-1 钢筋混凝土单弯矩构件
图2-2 钢筋混凝土桥墩和盖梁的构造
传统的桥梁在抗震分析和设计时采用基于弹性力的程序。该弹性力满足弹性反应谱和一个大于1.0的反应修正系数R的规定。其反应修正系数间接考虑到抗侧力系统中的强度、延性以及超静定等因素的影响。通过分析，确定桥墩、横梁和纵梁的尺寸。同时为了使桥梁在达到很大的非弹性变形时不倒塌，在设计中增加了一些规范细则和构造技术（例如：钢筋混凝土柱中箍筋间距）。然而，在传统的桥梁分析中，并没有进行变形能力的详细计算，也没有通过计算得出设计地震中所预计的破坏程度。2.2基于性能的地震工程2.2.1 基于性能的地震工程第一代工具
从20世纪20年代末期发展起来的美国桥梁以及建筑设计规范中，包含一些传统的抗震设计条文细则。由于这些细则是为了获得某种特定的性能表现，即避免倒塌以及保护生命安全等，它们可以视为基于性能表现设计的雏形。制定建筑规范的工程师们希望采用这些条文设计的建造物能够做到（1）大震不倒；（2）保证在大震中人的生命安全；（3）中震可修；（4）小震不坏。对于桥梁构造也有类似的期望。这些规范的缺点在于，对于性能表现和灾害程度的定义比较模糊。实际上，这些规范没有针对实现某一个表现指标而设立明确的性能评估方法。同时，过去70多年所记录的小型地震、中级地震和特大地震对建筑物和桥梁的破坏情况，也表明上述四种性能目标均未真正实现。为了真正实现四性能目标，人们在每场大地震后找出细则中的不足之处，并加以修正。
由于1971年San Fernando地震对一些重要桥梁和建筑造成了巨大破坏，人们从20世纪70年代中期开始，对重要的桥梁和建筑物的抗震性能提出了更高的要求。从那以后，该细则发展缓慢，但还是有所发展：如添加了少数可直接采用的步骤，从而能够预估某个特定桥梁或建筑物的性能表现或是能够用来调整设计方法来改善结构性能，而不是通过调整影响结构强度的任意重要参数来实现。
1989年Loma Prieta地震和1994年Northridge地震造成的巨大经济损失和重要桥梁与建筑物失效促进了基于性能的地震设计规范的发展。在20世纪90年代初期，设计方面的专业人士、学术界成员以及结构工程师和岩土工程师们意识到，那些基于受力的规范是一个错综复杂甚至自相矛盾的规范，与设计者期望的结构性能无直接关系，在实现社会所需的基本保障方面不够可靠，并在有时候实施起来费用昂贵，且在大部分情况下不能实现既定的性能目标，因此需要一个和以前的规范截然不同的新设计方法。
从20世纪90年代早期到中期，来自联邦应急管理署（FEMA）、应用技术委员会（ATC）以及建筑地震安全委员会（BSSC）的资助，促进了NEHRP房屋抗震加固指导指南和注释（FEM A273/274，应用技术委员会ATC，1997）的改进，这也就是基于性能的建筑地震工程第一代工具。这个成就是基于性能的地震设计规范发展过程中一个重要的里程碑，并且其明确表述出一些对于基于性能规范十分重要的与地震相关的概念。其中一关键概念是性能目标，这包括所设计建筑物需要抵御的地震危险程度以及设计地震发生时建筑物损害的许可范围的详细说明。NEHRP指南（FEMA 273/274）另外一个重要特点是引入了标准性能水平。它以标准结构反应参数的数值为基础，以此来量化结构物和非结构物的破坏水平，NEHRP指南也规定总共四种线性和非线性的分析方法，每一种分析方法可以用来估计在所给定级数地震下的预计响应参数值，通过参照性能目标内不同目标性能水平，来评估该建筑的预期性能。图2-3给出FEMA 273/274规程中所定义的定性的性能水平，其与某一简单建筑物的整体力-位移关系相对应。该图还给出相应的破坏示意。
图2-3 FEMA 273/274规程给出的表现水平曲线
其他规程规范包括ATC-40、混凝土建筑物的评估与优化方法以及基于性能的抗震设计工程2000版框架Vision-2000进一步发展了FEMA 273/274所提出的这项成果。美国土木工程协会在FEMA 273/274报告这个版本的基础上将这项成果进一步精炼提高，编入房屋抗震加固暂行标准FEMA-356中（联邦紧急管理局2000）。现在，由FEMA-356、ATC-40和Vision-2000共同构成了基于性能的建筑结构地震工程发展现状。而关于桥梁建造的相关标准到目前还没有这方面的内容。
Hamburger等（2004）指出了目前以FEMA 273/356为代表的性能设计方法在实际应用中的一些主要的缺陷。这包括：（1）目前预测结构响应和需求的方法基于的是结构的整体响应，而结构性能评估则基于个别部件的破坏，这样往往会导致性能最差的构件控制了整个结构最终性能预期。（2）目前规程中被工程师们用来评估结构性能是否满足要求的许多判定准则都建立在主观判断基础上，而不是依靠试验数据或者其他的直接证据，这会导致规范可靠性的问题。（3）许多结构工程师觉得，与采用传统的规范细则的设计方法相比，这个指导条例过于保守。而且，这个指导条例的可靠性以及是否能够获得所期待的性能表现仍就是个未知数。（4）FEMA 273/356中阐述的结构性能表现水准没有与主要的风险承担者本身利益挂钩。风险承担者需要承担由地震损坏带来的潜在维修费用和在建筑物修复过程中的时间损失。2.2.2 基于性能的地震工程第二代工具
联邦紧急管理局（FEMA）已经与通用技术委员会（ATC）协定发展下一代的基于性能的建筑抗震设计指导条例，也就是众所周知的ATC-58项目。这个指导条例将适用于所有新建及改建项目，同时也将涵盖结构及非结构构件。下一代的性能表现指导条例的首要目的在于设计抵御地震作用，同时也推广应用到其他灾害领域，如火灾和爆炸等。当前开发的这个规范框架在原则上也将适用于桥梁建造领域。
对于专业设计人员来说可以利用ATC-58对建筑结构性能表现进行预期，对于决策者来说也将具有重要意义。这些决策者（或股东）是互相独立的群体，代表许多阶层并且思维方式迥异（Hamburger，2004）。决策者的群体包括房地产开发商、公司经理、风险控制经理、公共事业机构的领导、贷款人、保险业者、国家机关工作人员以及管理者。不同的决策人会以不同角度看待建筑物所应具有的性能表现，也就会根据不同的决策过程选择建筑物的性能目标。基于性能的设计方法将包括对设计细节的风险预测的环节，风险既可以是以决定性的（场景或事件），也可以是建立在可能性基础之上的。风险将通过详细的损失程度来表现（例如：当某个设备损坏时重修的花费，以及死亡和停工造成的损失），而不是通过传统的度量标准（例如：在以设计地震基础上的生命安全）。
性能表现预测过程和运用在HAZUS国家损失预测软件的算法相似，尽管在不同环节中的个别步骤有所不同。图2-4（Hamburger等，2004）为ATC-58性能预测方法的流程图。这个方法的大部分内容以美国科学基金会出资并由太平洋地震工程研究中心（PEER）（Moehle，2003）提出的过程为基础。
图2-4 性能预测流程图（Hamburger等，2004）
PEER提出的性能表现以概率论的形式为基础，包括如下四个相关的步骤：危险性评估、结构/非结构的构件分析、损害评估以及损失分析或者风险评估。四个步骤中的每一步都各自以一个广义变量为标志：紧测度（IM）、工程需求参数（EDP），损害量度（DM）以及决策变量（DV）。图2-5描述了这种方法以及它的概率论理论基础。这些变量是通过条件超越概率来表示的[例如：p（EDP|IM）]，而且图2-5的方法认为参数间的条件概率是相互独立的。Moehle（2003）和Hamburger等（2004）描述了ATC-58所采用的基于性能的方法。
接下来的章节介绍了地震保护系统。通过附加隔震支座和/或能量耗散装置构成的系统可以从根本上提高桥梁、建筑物和下部结构的抗震性能。该系统通过损坏大小以及直接和间接的经济损失来衡量。太平洋地震工程研究中心（PEER）和ATC-58项目的大部分工作都直接用于桥梁中，而仅有极特别的是针对非结构部件和系统，实际上这些非结构部件和系统仅仅在建筑物和下部基础结构中才能找到。
图2-5 PEER和ATC-58性能方法论（Moehle，2003）2.3结构抗震保护系统
按常规方法建造的桥梁和建筑物，其抗震是通过结构中某些选定的构件产生非弹性（非线性）响应对地震产生的能量进行耗散来实现的。这样的非弹性响应以结构的破坏为代价，造成直接的维修损失（主要损失）、间接的损失（可能性的建筑物封闭、变更交通路线或住址以及商业贸易的中断）和可能性的事故（受伤、死亡）。更为重要的一点是，传统的抗震分析和设计方法并没有对结构的变形和破坏进行精确地评估，因此更不会对可能造成的直接和间接的损失和伤亡进行预测。
抗震保护系统，在此认为包括地震（基础）隔震支座和阻尼器（能量耗散）装置，其作用在于减轻地震给桥梁和建筑物带来的振动反应。通常隔震支座安装在桥梁的梁和墩之间以及建筑物的基础和第一个承重层之间。图2-6为安装了隔震支座的桥梁工程，其隔震支座安装在桥墩顶部（隔震支座旁边的钢板为抵抗水平向风力装置）。对于桥梁构造来说，一般采用隔震装置的目的是：（a）减小上部结构和基础结构中的受力（加速度）；（b）在桥墩和相邻墩之间实现力的重分配。
图2-6 桥梁中隔震支座的典型安装
第2.4节对目前应用到桥梁中的隔震系统进行了详细陈述。这些系统都具有的特征包括：（a）能够隔离水平向地震的振动效应；（b）利用本身的消能机理来减少位移量。图2-7（a）为桥梁隔震支座对水平向惯性力的影响。在大多数情况下，桥梁的基本振动周期可以延长超过3倍，周期的延长可以显著地减小桥梁上层结构的加速度响应[周期的变化情况如图2-7（a）所示]。结构受力（加速度）的减小显著降低了桥梁的修建成本，并且在设计地震动作用下，这些桥梁仍处于弹性阶段（不会造成损坏）。图2-7（b）为安装有隔震系统的桥梁的位移响应情况。需要指出的是，几乎所有的位移都发生在隔震装置上，而没有发生在上部结构、桥墩或相邻墩上。
图2-7 隔震装置原理
由于采用隔震系统，上部结构位移的增大对桥梁的伸缩缝有着不良的影响。为了控制位移量降低对伸缩缝的要求和隔震支座的花费，如第2.5节所述，通常在隔震装置中加设阻尼（能量耗散）。在美国西部应用较多的两类桥梁隔震支座为：铅芯橡胶支座（LR）和摩擦摆支座（FP），它们是通过滞回的能量耗散来实现其功能的。图2-8为支座的侧向剪力与侧向位移的关系曲线。
图2-8 在LR和FP支座中的滞回阻尼
采用能量耗散装置（阻尼器）减少了桥体变形量并减轻了地震灾害，保护了桥梁的结构部件。通过特定功能构件的滞回作用或黏滞阻尼特性来实现能量的消耗。阻尼器并不是桥梁中抵抗重力荷载装置的一部分。现代桥梁中所运用的阻尼器在第2.5节中有详细的陈述。
阻尼器想要发挥作用，需要获得一定的相对位移或相对速度来耗散能量。在桥梁结构中，仅有几处可以产生这样较大的相对位移，如：（a）作为隔震混合装置的一部分；（b）在斜拉桥和悬索桥的构造中。图2-9显示了斜拉桥中安装在桥面和桥塔间的液体黏滞阻尼器。
图2-9 在斜拉桥中阻尼器的典型安装
在20世纪90年代随着相关规范、资料文献和标准测试办法的出版，地震保护系统在美国桥梁工程中的应用得到了很大的发展。1991年隔震设计指导规程（AASHTO，1991）给出了附加弹性支座隔震装置桥梁的分析和设计步骤。在1999年对这个规范进行了修编并重新颁布，使其与AASHTO高速公路标准规范一致。规范中给出了摩擦隔震支座的设计步骤，介绍了界定隔震桥梁地震反应的方法。在20世纪90年代和21世纪初，促使地震保护系统得到贯彻执行的重要成果包括：HITEC的隔震及消能装置测试指导条文（HITEC，1996）与大型隔震支座和消能装置的测试指导条文（HITEC，2002）。2.4隔震装置和系统2.4.1 隔震装置的简明发展史
尽管关于隔震支座方面的专利可以追溯到19世纪初，但其在美国桥梁和建筑物上的应用却是从近代才开始的。该装置第一次运用在1985年对加利福尼亚州旧金山Sierra Point天桥的改造工程中，运用了铅橡胶支座（第2.4.2节）。
在美国，抗震系统的实际设计与在其他国家有所不同，这是因为在美国抗震系统的设计中要求有一个恢复力来减少或消除地震之后的永久性侧向位移。在本章结尾处给出了少数满足AASHTO隔震设计指导条例的隔震支座的介绍。AASHTO规范中明确要求了这些装置的恢复力特性。2.4.2 现行的隔震系统
目前在美国应用的隔震支座主要有两种：即合成橡胶支座（低阻尼和高阻尼的橡胶、铅芯橡胶支座）以及滑动支座（球面滑动或摩擦摆支座、平面滑动或是EradiQuake支座）。下文对上述各种支座进行介绍。隔震支座的典型滞回曲线（力-位移关系）如图2-8所示。
合成橡胶、无铅橡胶支座既可以用于低阻尼天然橡胶支座[主要由Andre、Bridgestone、Dynamic Isolation System（DIS：www.dis-inc.com）、Scougal Rubber（www.scougalrubber.com）Seismic Energy Products（SEP：www.sepbearings.com）制造]，也可以用于高阻尼的支座（主要由Andre和Bridgestone制造）。图2-10为由20世纪80年代制作的合成橡胶支座的剖面图。最大的剪应变范围随着其复合程度以及制造商的不同而变化，但通常是在200%和350%之间。由于这些支座的弹性刚度较低，对于正常的工作荷载（如刹车和风荷载）几乎不能提供抵抗力，因此没有被运用在美国的桥梁工程中。
高阻尼橡胶支座中的能量耗散是通过弹性体的特殊叠合来实现的。临界阻尼比通常在7%到14%之间。高阻尼合成橡胶的剪切模量通常在0.35MPa（50psi）和1.4MPa（200psi）之间。支座加工技术及内部力学特性控制技术通常具有专利。橡胶支座的有效刚度（模量函数、黏合面积和整个橡胶厚度）和阻尼由以下因素决定：
合成橡胶（包括填充物）和硫化程度；
接触压力（能承受的荷载除以黏合面积）；
加载速度；
加载历史；
应变历史；
温度（尤其是在-7℃以下）。
关于合成橡胶和合成橡胶支座的物理性能方面的内容将在第7章讨论。
在美国，Dynamic Isolation Systems（DIS：www.dis-inc.com）和Seismic Energy Products（SEP：www.sepbearings.com）公司制造合成橡胶支座和含铅橡胶支座。图2-11为铅芯橡胶支座（LR）的切面图，图中所示的为合成橡胶和钢垫片的叠合层以及铅芯部分。
图2-10 人造橡胶支座的剖面图
图2-11 含铅橡胶支座的构造细部
铅芯橡胶支座通常由低阻尼的（无填充物）合成橡胶（100%的剪切应变情况下剪切模量的范围为65～100psi）和直径约为支座黏合直径15%到33%范围内的铅芯部分组成。其中合成橡胶部分起到隔震作用，铅芯部分起到能量耗散或者阻尼的作用。根据制造商的不同，LR支座最大的剪应变范围有所不同，但通常在125%和200%之间变化。
关于LR支座的力学属性的详细内容将在第8章中阐述。
摩擦摆支座（FP）由美国地震保护系统公司（www.earthquakeprotection.com）制造。FP支座的主要构造如图2-12所示，包括：
凹面盘和滑块容腔（可锻铸铁、钢或是铸钢件）；
滑块（通用304奥氏体不锈钢）；
支座材料（高荷载、低摩擦合成体）；
不锈钢覆盖板（通用316奥氏体不锈钢）。
摩擦摆支座通过滑块在凹面盘上的滑动实现隔震的功能，通过滑块与复合支座材料和不锈钢覆盖层之间的摩擦实现能量耗散（阻尼）。在图中没有给出不锈钢覆盖层，其附着在凹面盘上。滑动面是FP支座至关重要的部分，直接关系到支座的性能。接触面上的摩擦阻力是以下几个参数的函数：
滑片直径（影响对合成材料的限制）；
接触面压强；
滑动速度；
温度；
磨损（由于热变形循环导致的桥梁支座的伸缩）。
双凹槽的摩擦摆支座是由FP支座派生而来的，如图2-12所示。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]