基于风险的大型桥梁工程抗震设防标准决策

目前几次大的地震一再说明桥梁工程遭到破坏的严重后果, 对大型的桥梁工程抗震设防标准的研究十分必要且具有重要的意义, 作为大型工程, 业界人士普遍认为, 抗震设防的标准必须要提高, 当然, 这只是一个模糊的概念, 任何人都没有给出具体的标准和规范, 因此在实际操作中没有参考数据。一方面这是因为大型桥梁工程在交通中的重要位置, 受损所造成的经济损失难以估计;另一方面是因为抗震设防的标准涉及设防地震的大小以及对桥梁结构的抗震性能。本文基于现状, 拟对大型桥梁工程的抗震设防便准进行科学决策的研究, 提出“设防水准—结构性能—风险度”分析表, 通过对其决策的研究, 将极大促进大型桥梁工程抗震设防标准的科学决策, 指导实际工程抗震设计, 具有十分重要的实际意义。

1 大型桥梁工程抗震设防标准决策的特殊性

桥梁工程区别于建筑结构的一个显著特征是:如果在地震中桥梁工程遭到严重破坏, 切断了震区交通生命线, 将会造成救灾工作的巨大困难, 使次生灾害加重, 导致巨大的经济损失。随着现代化城市入口的大量聚集和经济的高速发展, 对交通线的依赖性越来越强, 而一旦地震使交通线遭到破坏, 可能导致的生命财产以及间接经济损失也将会越来越巨大。几次大地震一再说明了桥梁工程遭到破坏的严重后果, 也一再说明对桥梁工程进行抗震设防的重要性。作为生命线工程, 桥梁工程抗震设防标准的决策和一般的工业与民用建筑有所不同。大型桥梁工程投资浩大, 在交通网络中所处的地位重要, 一旦受损后修复的难度也大, 而造成的经济损失更是难以估计, 因此, 大型桥梁工程所采用的抗震设防标准高于一般规范所规定的最低抗震标准。目前, 大型桥梁工程具体采用的抗震设防标准, 一般由业主参考其它大型桥梁工程已采用的抗震设防标准, 并根据工程的重要性、自身的经济能力以及所能承受的风险水平, 进行决策。

针对大型桥梁工程, 由于其所处区域的地震危险性、社会经济状况和其在交通网络中的重要性具有其个体的特殊性, 其抗震设防标准需要进行单独的量化的研究。因此, 大型桥梁工程的抗震设防标准决策与一般建筑结构的最大不同在于地震损失的计算有本质的区别。

由于桥梁工程的价值是通过其在交通网络中的功能作用来实现的, 因此地震造成的桥梁破坏损失包括两部分:直接经济损失和间接经济损失。直接经济损失即桥梁本身的结构破坏损失, 可通过修复成本进行计算;间接经济损失即因桥梁的破坏而导致的交通网络通行能力下降而造成的经济损失, 其计算非常复杂, 主要涉及到两方面: (1) 桥梁震害对交通网络通行能力的影响研究; (2) 交通网络受桥梁震害影响导致通行能力下降所造成的地震间接损失研究。前者可通过评估桥梁在交通网络中的重要性来实现:后者涉及的因素较复杂, 因为交通网络通行能力下降所造成的经济损失与当地的经济活动密切相关。尽管震后经济活动的活跃性下降, 让位于救灾、消防、医疗、物资供应等震后应急救援活动而这一切仍然依赖于交通网络的通行能力。

2 基于风险的大型桥梁工程抗震设防标准决策

谢礼立院士19J认为:决定工程抗震设防标准的因素有三个, 即社会经济状况、地震危险性和工程结构的重要性。确定工程抗震设防标准时, 需要综合考虑工程的设防原则、设防目标、设防环境、设防参数、设防水准、设防等级。确定最佳设防标准的核心问题是正确解决设防水准和设防原则及目标之间的关系。这种关系可以被抽象为一个多变量、多目标、多约束的动态最优决策问题。对一般结构和工程的设防标准建立决策模型时, 模型中的基本变量应当是抗震设防标准, 目标函数应力求最大限度地反映设防原则和目标的要求, 使为减灾目的而采用的防灾投入与采取措施后的潜在地震损失之和为最小。

首先, 对大型桥梁工程所在地进行地震危险性分析。地震危险性是指某一场地在一定时期内可能遭受到的地震作用的大小和频次, 可用烈度或其它地震动参数来表示。对未来某个地区中将要遭遇地震动强度的大小、或不同地震动强度水平的概率、或超过给定地震动强度水平的概率进行预测估计的工作, 叫做地震危险性分析。

地震危险性分析方法一般有两种:一种是确定性方法 (Deterministicmethod) ;一种是概率法 (Probabilistic method) 。在调查研究场址周围地区的地震地质、地震活动和地球物理场资料的基础上, 判定并划分出潜在震源区, 确定了各项地震活动性参数, 再结合桥址地区的基岩地震动水平向加速度衰减关系, 采用中国地震局推荐的“考虑地震活动时、空不均匀性的地震危险性分析计算程序包”, 对桥址工程场地进行地震危险性分析计算。再经地震危险性不确定性校正, 即可得到桥址场地的地震危险性。曲线图中, 横轴为地震动峰值加速度, 纵轴为加速度峰值年超越概率;曲线为桥址场地基岩地震加速度峰值年超越概率。年超越概率可对应于地震动重现期, 至此, 地震动重现期和基岩地震加速度峰值取得对应。

其次, 明确桥梁工程在交通网络中重要度。可靠度指“系统能够在规定的条件和规定的时间内实现预定功能或目标的概率” (Bell and Iida, 1997) , 是衡量系统性能的重要指标。很多系统 (电力系统、管道系统和通讯网络等) 都把可靠度分析作为网络规划、设计和运营管理的一个重要内容。交通系统作为一个大的动态系统, 道路的实际容量和交通需求由于各种影响因素的存在是不断变化的, 这使得道路网络的运营状态也是不断随机变化的。随着人们对于交通服务的要求越来越高, 路网的可靠度分析引起了日益广泛的关注。

最后, 对桥梁结构的地震易损性进行研究。结构的地震易损性是指结构在地震作用下, 发生某种破坏程度的概率或可能性。易损性可采用从0 (无破坏) 到1 (完全破坏) 的标量形式来表达。地震易损性分析就是对工程结构在地震作用下遭受各种破坏程度的可能性进行估计。地震危险性分析资料和工程结构的抗震能力分析资料是易损性分析所依据的基本资料。目前常用的易损性分析方法可分为两大类:经验分析法和理论分析法经验分析法是根据地震调查资料直接得到地震动参数与各类建筑结构破坏比例的关系。理论分析法是将不同结构理想化为数学模型 (如非线性分析模型) , 以地震“安评报告”提供的地震波作为地震动输入, 通过弹塑性结构动力反应分析来计算结构反应, 利用结构反应与震害程度的关系或结构的失效概率与震害程度的关系来判断结构的震害等级。

摘要：地震作用的随机性及人类资源的有限性要求我们必须从危险概率的角度去定义安全, 在大型桥梁工程施工过程中, 抗震设防的标准应该是在减轻地震所造成损失与抗震的投入之间需求最佳的平衡, 即基于风险的大型桥梁工程抗震设防标准本质上是一个优化问题。之前所有的大型桥梁工程的抗震设防主要是依据已建桥梁的标准, 本文旨在提出一套可量化的大型桥梁工程抗震设防标准决策方法和流程。

关键词：风险,大型桥梁工程,抗震设防标准决策

参考文献

[1] 叶爱君, 范立础.大型桥梁工程的抗震设防标准探讨[J].地震工程与工程振动, 2006, 26, (2) :8～12.

[2] 王宇.变墩高公路桥梁的地震易损性分析[D].上海:同济大学博士论文, 2007.