地震结构设计谱理论

抗震结构设计谱理论
一、绪论
1.1 抗震结构设计谱的背景
反应谱理论是描述地震工程和抗震设计中结构体系激励和响应关系的重要工具。

由于反应谱可以直接给出地震动作用下单自由度体系的最大反应，因而成为结构动力分析和抗震设计中关注的焦点。

抗震设计谱是以地震动记录资料为依据，经统计分析和平滑化处理，结合当前经济发展水平和要求的基础上确定的。

然而，由于地震动的复杂性以及对反应谱规律认识的不足，使得抗震规范设计谱往往不能全面准确地反映地震动的客观特征，这也就不可避免地影响到其使用范围和结构的抗震安全。

另外，设计谱的传统建立方法对已获取大量地震动记录的国家和地区是来说是可行的，但对缺少地震动记录的地区来说如何确定设计谱也是值得探讨的。

因此，揭示地震动的普遍规律和新特征，解决这一领域面临的诸多问题依然是地震工程界的重要课题。

1.2 反应谱概念与研究意义
抗震设计中采用的地震动参数习惯上称为设计地震，尽管工程界早已习惯于选择地震动的幅值、频谱和持时三要素作为工程地震动参数，但由于反应谱不能有效地反映持时的影响，因此，世界上绝大多数国家的抗震设计规范选择幅值和频谱作为设计参数。

通常使用的地震动参数包括峰值加速度(或有效峰值加速度)和规准设计谱。

因此，设计地震主要归结为设计谱的研究。

在输入的地震动加速度时程给定后，以阻尼常数作为参数时，单自由度体系的最大相对位移反应、最大相对速度反应和最大绝对加速度反应，针对无阻尼固有周期画成的图形，分别称为相对位移反应谱、相对速度反应谱和绝对加速度反应谱，总称为地震反应谱。

或者简称为位移反应谱、速度反应谱和加速度反应谱，总称为反应谱。

设计反应谱的演变是一个随着震害经验和强震记录的积累以及对地震动反应谱特性的不断认识而逐渐深入的过程，无论是考虑场地条件，还是考虑近远震的影响，从实质上讲，设计反应谱的演变都是朝着场地地震环境相关性设计反应谱的方向发展，而场地地震环境的区别主要表现在场地特征周期和反应谱谱值上，我国《地震动参数区划图》也将反应谱的特征周期和地震动加速度作为反应
谱的两个独立的参数，因此，设计反应谱的演变主要体现在对反应谱的特征周期以及反应谱谱值的不断修正上。

抗震设计反应谱是工程结构抗震设计中的重要依据，也是世界地震工程界研究的重点课题之一。

然而，按照传统方法对设计反应谱的研究中存在许多问题，现行的设计谱不仅不存在统一性，而且存在巨大的不确定性和不完善性，这样一方面阻碍了反应谱理论的发展，另一方面也影响到国家经济建设和社会进步。

有鉴于此，本文提出了一种基于双规准化的统一反应谱理论，根据这一理论，不仅可以得到确定的和比较完善的抗震设计反应谱，还可以使现有抗震设计规范以及反应谱理论得到进一步的发展和应用。

反应谱概念的提出使得结构抗震理论从静力阶段发展到动力阶段，是地震工程学发展史上一次重要的里程碑。

由于地震反应谱很好地反应了地震动的有效峰值和频谱特性，使它与结构的振型分解法相结合，可将复杂的多自由度体系在地震作用下的反应问题得到大大简化，为工程结构抗震设计中考虑地震对工程结构可能产生的作用提供了定量的依据，因而地震动反应谱理论的发展为抗震设计提供了有效的手段。

抗震设计谱是以地震动加速度反应谱特性为依据，经统计和平滑化处理确定的。

然而，由于影响地震动反应谱的因素既多且又十分复杂，要针对每一种具体的情况给出适用的设计谱就变的十分困难，以至世界各国采用的抗震设计谱之间不仅存在明显的差异，而且普遍存在大量的不确定性。

目前各国科学家都指望能在一个较长的时期内，取得尽量多的强震观测记录，同时将能够影响设计谱的各种因素分类的更细，以期能在这样的基础上得到较为稳定的各种设计谱。

但是也有的学者认为目前所出现在设计谱中的这些问题决不是能够靠增加观测记录的数量所能解决的，必须另辟蹊径。

研究不同地震动反应谱的统一性才能有望取得较好的结果。

因此，研究地震动的普遍规律和反应谱的新特性，是探索解决设计谱存在问题的有些途径。

地震动区划图是制订抗震设计规范的依据，在具体建立规范中采用的设计谱的过程中，还考虑到其它设计谱的确定方法和研究结果，因此，规范设计谱与地震动区划的设计谱谱形参数取值并非完全一致。

加上不同国家或地区，不同类别的抗震规范考虑问题的方式和因素不同，不同的规范设计谱之间可能会存在明显的差别。

二、抗震设计谱理论的发展与存在问题分析
2.1抗震设计谱的确定
设计反应谱及其形状参数的确定是以大量的强地震动观测记录为数据基础，取相同或相近的条件(例如相近的场地条件)下的许多加速度记录，在给定阻尼比的情况下，得到相应于该阻尼下的加速度反应谱，除以对应的加速度记录的最大加速度，进行统计分析取综合平均并结合经验判断给予平滑化得到“规准反应谱”(或标准谱或β谱)，将规准反应谱乘以相应的地震系数，即为规范通常采用的地震影响系数曲线，也就是传统意义上所说的抗震设计反应谱。

设计谱的建立程序一般要经过四个过程，这四个过程可以简单地归结为规准化、平均化、平滑化和经验化。

规准化是指将地震动记录的绝对反应谱简单处理为规准化反应谱或放大系数谱的过程；平均化是设计谱建立过程中的主要工作，需要在地震动记录的选取分类基础上进行，地震动记录的数量，其选取是否具有代表性，记录分类指标和分类方法的选择，分类程度的粗细等都会对平均结果产生较大的影响，也是不同研究结果之间存在差异的最主要原因；平滑化指按照一定的表达形式将平均结果简单处理为光滑线条或简单形状的过程，经验化则是根据专家的经验考虑最终确定设计谱的过程，一般需要结合经济状况、安全度以及数据的离散情况而定。

设计反应谱的确定方法在不同的时期和不同的国家都存在一定程度的差别，但设计谱的标定又是以地震动区划图为依据的。

我国现行规范《建筑抗震设计规范(GB50011-2001)》中的设计反应谱主要是参照《中国地震动参数区划图(GB18306-2001)》中双参数标定方法确定的。

双参数标定设计谱涉及到地震动反应谱、规准化反应谱、规准化设计反应谱、地震动峰值加速度PGA、有效峰值加速度EPA、反应谱特征周期Tg等几个概念。

2.2对我国建筑抗震设计谱的讨论
我国建筑抗震设计规范大致经过了1959、1964、1974、1989 和新规范《建筑抗震设计规范(GB50011-2001)》五次大的演变过程。

然而，在经过几次演变之后，仍然不能说我国的设计谱已经足够准确到令人满意的程度。

除了上一节讨论的设计谱存在的共性问题之外，我国的设计谱至少还存在两大问题，一是在考虑阻尼影响的时候造成了不同阻尼比的设计谱在长周期段出现交叉且不收敛；二是缺少对近场地震动设计谱的具体规定，根据现行规范的规定，近场设计谱的特征周期小于中、远场设计谱对应的特征周期，这一规定与考虑方向性效应影响的
近断层地震动的频谱特征显然相矛盾。

目前, 我国采用的抗震设计规范只是对近场设计地震动的最大幅值进行了简单的规定，尚缺乏对近场结构抗震设计的具体规定, 更没有考虑近场地震动的频谱特性，如上下盘效应，方向性效应以及地震动三分量频谱之间的关系等等。

这就不可避免地给受近场地震动威胁地区的地面运动预测，地震危险性评价，震害预测等工作带来较大的误差。

因此，研究近场地震动的特性，为抗震设计规范的形成提供参考依据显得尤为重要
我国与美国规范不同。

与研究方法以及所选用的地震记录有关，由于场地条件十分复杂，千变万化，不同的研究分类方法会导致不同的研究结果。

地震记录的选取影响到规准反应谱中长周期段的谱值，因此也影响到反应谱下降段的衰减速度。

一般来说，当地震记录来自于大震级且远距离的场地使，地震动中会包含较多的长周期分量，不但使规准反应谱的峰值周期向长周期段推移，而且使规准反应谱的谱值沿周期的衰减速度减慢。

对规准反应谱平台高度的影响从本质上讲是由于对地震动规准反应谱的简单平均方法引起的，在将地震动规准化反应谱分类之后进行平均时，一方面削平了规准反应谱的峰值，使平均谱变的光滑；另一方面，这种平均结果得到的谱高度并不是实际场地的最大放大系数，因此，也就忽略了具体场地的动力特性。

场地划分越细，每类场地的范围就越窄，如果所用的记录数量较少，且主要来自于少数几次地震的相同场地上时，就会导致统计结果较大，相反，若场地范围较宽，记录选取的范围也广，则统计结果偏小。

如果用这种方法简单的将地震动规准谱进行平均，并根据统计结果确定规准设计谱必然会增大设计谱的不确定性。

由此可见，设计谱的传统研究尚方法存在许多不足，也是制约地震动反应谱理论进一步发展的主要原因。

2.3抗震设计谱存在问题及其解决前景
一般认为，对反应谱形状产生重要影响的因素主要有场地条件、震级和距离，我国规范设计谱已经考虑到场地条件、震级和距离的影响。

理论研究指出，大地震的震源谱包含较多长周期分量，随距离的增加，高频分量逐渐衰减掉，谱的长周期分量变得相对丰富。

实测强震记录也已证实上述理论结果。

震害经验表明，大地震在远距离处会对长周期结构造成较大程度的破坏，软土场地上的震害更为常见。

软弱土场地对地震动长周期成分有明显的放大作用，硬土场地对地震动短
周期成分有放大作用这一结论已为普遍接受。

综上所述，抗震设计谱存在问题可大致归结为：
1) 设计谱短周期上升段与第一拐角周期的取值问题；
2) 设计谱第二拐角周期(特征周期T的取值问题；
3) 设计谱中长周期段下降速度与取值问题；
4) 设计谱平台高度的确定问题；
5) 竖向地震作用与地下地震作用设计谱问题；
6) 阻尼比影响的设计谱问题；
7) 近断层地区设计谱的预测问题等等。

实际地震动是十分复杂的，每次大地震及其反应谱都表现出新的特征，分析新的地震反应谱特征，比较不同地震反应谱之间的异同，从而作为更新现行规范设计谱的依据是各国抗震设计谱不断修改变革的一贯做法。

按照这一做法，设计谱的发展完善只能依靠地震的发生和地震动记录的数量的积累才有望取得比较理想的结果。

因此，目前各国科学家都指望能在一个较长的时期内，取得尽量多的强震观测记录，同时将能够影响设计谱的各种因素分类的更细，以期能在这样的基础上得到较为稳定的各种设计谱。

但是也有学者认为目前所出现在设计谱中的这些问一方面是因为设计谱的形状和大小受到了场地条件、震源参数以及场地相对震源的距离和方位的强烈影响，而另一方面这些影响因素又十分的复杂，虽然理论上可以但是实际上很难用简单的参数来代表和分类这些影响，因此上面所述的问题决不是能够靠增加观测记录的数量就能解决的，必须另辟蹊径，特别是要研究不同地震动反应谱的统一性才能有望取得较好的结果。

强地震动观测是人们认识地震动特征和结构地震反应特性的主要手段，自美国1932 年建设世界上第一个强震观测台站并于1933 年获得第一条地震加速度记录以来迄今已历时70 余年，位于地震区的各国家和地区不惜重金建成或正在建设自己规模宏大的强震观测台网以不断获取新的强震数据。

如此以来引发了三个迫待解决的问题：
1) 什么样的抗震设计谱是我们所需要的，为了得到这样的设计谱到底还需要多少和哪些强震记录？为了得到所想要的观测资料还要作怎样的努力？
2) 对于没有强震记录或仅有少量强震记录的国家和地区来说应采用怎样的抗震设计谱？
3) 我国虽然已获取一定数量的强震记录，但现行设计谱的建立主要使用的是国外强震记录这是否合适？
对以上问题的回答只能靠研究地震动反应谱的统一性入手，决不是靠时间和等待地震的发生就能解决的。

事实上，自1933 年到1994 年世界各国获取的可用地震记录已达五千余条。

近几年内发生的日本Kobe 地震、中国台湾集集地震和土耳其地震中又获取了一批资料相对完备的地震记录，这些记录为反应谱的研究和各国抗震规范的制定提供了非常宝贵的数据资料。

但即第2 章抗震设计谱理论的发展与存在问题分析使如此也不能够建立一个既可以考虑许多影响因素，又能做到强震记录在各影响因素和世界各地区之间分配均匀，还可以做到分类细致的地震动数据库。

鉴于以上种种原因，本文认为，有必要从新的认识角度出发，加强所有地震动统一特性的研究，也即首先不是去寻求不同类别地震动反应谱之间的差异，而是分析在众多影响因素作用下反应谱的一致性和普遍规律。

如果不论什么样的地震地质环境、什么场地、多大震级，多远距离得到的强震记录反应谱的某种特征都十分的相似和接近，那么就可以忽略这些因素的影响，发展一种统一的设计谱模型。

既然地震动反应谱存在统一性，这就无须再等待地震的发生，任何地区都可以将其它地区获得的地震动应用于本地区，只需根据本国的需要有选择的进行强震观测计划的实施即可，这就较好地解决了上文涉及到的三个问题。

根据这一理论就可以发展一种统一的场地设计谱，而且根据已有的强震观测记录，就可以得到比较完备的设计谱，换言之，即使再取得更多的记录也不会引起设计谱的明显变化，那么就可以比较精确地确定抗震设计谱了，进而可以使现有抗震设计规范以及设计反应谱得到进一步的发展和应用。

至于地震环境之间的差别，比如场地的区别，则可以通过其它方法，如地脉动方法进行测量，再将结果应用于统一设计谱。

从抗震的发展历史看，设计反应谱的演变是一个随着震害经验和强震记录的积累以及对地震动反应谱特性的不断认识而逐渐深入的过程，无论是考虑场地条件，还是考虑近远震的影响，从实质上讲，设计反应谱的演变都是朝着场地地震环境相关性设计反应谱的方向发展，而场地地震环境的区别主要表现在场地特征周期和反应谱谱值上，我国《地震动参数区划图》也将反应谱的特征周期和地震动加速度作为反应谱的两个独立的参数，因此，设计反应谱的演变主要体现在对
反应谱的特征周期以及反应谱谱值的不断修正上。

抗震设计反应谱是工程结构抗震设计中的重要依据，也是世界地震工程界研究的重点课题之一。

然而，按照传统方法对设计反应谱的研究中存在许多问题，现行的设计谱不仅不存在统一性，而且存在巨大的不确定性和不完善性，这样一方面阻碍了反应谱理论的发展，另一方面也影响到国家经济建设和社会进步。

有鉴于此，本文提出了一种基于双规准化的统一反应谱理论，根据这一理论，不仅可以得到确定的和比较完善的抗震设计反应谱，还可以使现有抗震设计规范以及反应谱理论得到进一步的发展和应用。

三、结论
对设计谱的表达形式和确定方法进行了简要的介绍，以世界范围内的近期抗震规范设计谱为研究对象，对好多国家或地区的设计谱形进行了比较和分析，就我国现行的规范设计谱存在的一些问题进行了讨论，并指出解决问题的可能途径。

主要结论如下：
1) 受对地震动认识规律的影响，不同时期设计谱的表达形式不同，设计谱的表达朝着考虑因素增多，表达简单和应用方便的方向发展。

2) 不同规范设计谱之间的差异主要表现在场地分类考虑因素、拐角周期和平台高度取值、下降段控制速度上。

3) 我国现行设计谱仍存在不少问题，如在数学表达上还不够完善，缺少对近场作用的考虑等等。

4) 传统研究方法是影响反应谱理论进一步发展的主要原因，设计谱存在问题的解决还需从新的角度出发和反应谱的统一特性入手，探索问题可能的解决途径并有望得到较好的解决。

参考文献
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