结构抗震设计理论的进展

Ｋ ｅ ｗｏ ｄｓ Ｄｉｐａ ｅ ｎ － ｂ ｓｄ ｓ ｉｍｉ ｄ ｓｇ Ｐ ｒｏｍａ ｃ － ｂ ｓｄ ｓ ｉｍｉ ｅｉｎ Ｒａ ｄ ｍ ｉｒ ｔ ｎ ｔ ｅ ｒ ｙ ｒ ： ｓ ｌｃｍｅ ｔ ａｅ ｅｓ ｃ ｅ ｉｎ ｅ ｆｒ ｎ ｅ ａ ｅ ｅｓ ｃｄ ｓｇ ｎ ｏ ｖｂａ ｉ ｈ ｏ ｙ ｏ
直接基 于位 移的抗震设计方 法更 能有效 地实 现基于性 能 的抗
震设计 思想 。 １ １ 单 自由度 （Ｓ ＯＦ 体 系 ． Ｄ ） １ ９ 年 ， ｗａ ｋ ９ ５ Ｋｏ ｌ ｙ第一次 比较 系统 地提 出了钢筋混凝 土 ｓ 桥墩 直接基于位移 的抗震设 计方法 。在这种方法 中， 首先基于
Ｙａ ｇ Ｆａ ｇ ｎ ｎ
（Ｄ ｐ ｒ ｎ ｆ ｉｉＥ ｇｎ ｅｉｇ Ｆ ｊ ｎＵｎｖｒｉ ｆ ｅｈ ｏｏ ｙ Ｆ ｚｏ ３ ０ ０ ） ｅ ａｔ ｔ ｖｌ ｎ ｉｅｒ 。 ｕｉ ｉｅｓ ｙｏ ｃ ｎ ｌｇ ｕｈ ｕ ５ １ ８ ｍｅ ｏ Ｃ ｎ ａ ｔ Ｔ
Ａｂｓｒ ｃ ： ｅｄ ｖ ｌ ｐ ｎ ｒ ｃ ｓ ｆｓｒ ｃｕ ａ ｓ ｉ ｉ ｄ ｓｇ ｈ ｏ ｙ ｉ ｐ ｏ ｉｅ ． Ｔｈ ｒ ｐ ｓｔ ｎｂ ｃ ｇ ｏ ｎ ｆｄｓ ｌｃｍ ｅ ｔ ｔ ａ ｔ Ｔｈ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔｐ ｏ ｅ ｓｏ ｔｕ ｔ ｒｌａ ｅｓ ｃ ｅ ｉｎ ｔ ｅ ｒ ｒｖｄ ｄ ｍ ｓ ｅｐ ｏ ｏ ｉｏ ａ ｋ ｒｕ ｄｏ ｉｐａｅ ｎ ｉ
中图分类号 ： ＴＵ３ ２ ５ 文献标识码 ： Ｂ 文 章 编 号 ：０ ４ ６ ３ （０ １ １ — Ｏ ６ 一Ｏ １ ０ － １５ ２ １ ）Ｏ Ｏ ９ ４
Ｔｈ ｏ ｒ ｓ ｆｓ ｒ ｃ ｕｒ ｌａ ｅ ｓ ｉ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｅ ｐｒ ｇ ｅ ｓｏ ｔ ｕ ｔ ａ ｓ ｉｍ ｃ ｄ ｓｇ ｈ ｏ ｙ
需做进一 步的分析 和验 证 。另外 ， 这种方法需要初始假定 替代
结 构 的等 效 刚 度 和 等 效 阻 尼 比 ， 以此 为基 础来 确定 初 始 的 目 并
标位移形状 ， 对不 同的初始假设 ， 结构 的设计结果也不相 同 ， 这 也需要进行进 一步的 比较分析 ， 而找 出一 种 比较合理的初始 从 目标位移假设 。 在建 筑结 构方面 ， ｒ ｓｌ Ｐ ｉ ｔ ｙ和 Ｋｏ ｌ ｙ（ ０ ０ 通过 对不 ｅ ｅ ｗａ ｋ ２０ ） ｓ 同的层高 ｎ 假定不 同 的变 形形状 ， ， 较好地 考虑 了高阶振 型对 结构 目标 位移的影响 ， 并基 于此提出了建筑结构直接基于位移
２１ 年第 １ 期 ０１ Ｏ 总 第 １０期 ６
福
建
建
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Ｎ ｏ１ ・２０１ ０ １
Ｆｕｉｎ Ａｒｈｔｃｕ ｅ ８ ｏ ｓｒ ｃｉｎ ｉ ｃ ｉｅｔ ｒ ＬＣ ｎ ｔｕ ｔ ａ ｏ
Ｖｏ ・１ Ｏ ｌ ６
结 构 抗 震 设 计 理 论 的 进 展
杨 芳
福 建 福 州 ３ ０ ０ ） ５ １ ８ （ 建 工 程 学 院土 木 工 程 系 福
的抗 震 设 计 方 法 。
替代 结构方法 （ｓｂ ｔｕｅ ｓ ｕｔｒ ｔｏ ） 对 Ｓ Ｏ ｕ ｓｉ ｔ－ ｔ ｃｕｅｍｅｈ ｄ ， Ｄ Ｆ体 系 ｔ ｒ 而言 ， 将非 弹性单 自由度体系等效成 刚度 为 ｋ 粘滞阻尼 比为 ∈ 的线 弹性体系 ， 然后 根据 相应 的弹性 设计 位移 反应 谱 （ ∈
ｃ ｎ ｅ ｔｏ ｈ ｓ ｗｏ ｓ ｒ ｃ ｕ ａ ｓ ｉｍｉ ｄ ｓｇ ｈ ｏ ｉ ｓａ ｄ ｔ ｅ ａ ｐ ｉａ ｉ ｎ ｐ ｏ ｒ ｓ ｆ ａ ｄ ｍ ｉ ｒ ｔ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ｓ ｒ ｃ ｕ ａ ｓ ｉ— ｏ ｔ ｎ ｆｔ ｅ ｅ ｔ ｔ ｕ ｔ ｒ ｌａ ｅｓ ｃ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒｅ ｎ ｈ ｐ ｌ ｔ ｒ ｇ ｅ ｓｏ ｎ ｏ ｖ ｂ ａ ｉ ｈ ｏ ｙ ｉ ｔ ｕ ｔ ｒ ｌ ｅ ｓ ｃ ｏ ｒ ｏ ａ ｍｉ ｅ ｉ ｎ ａ ｅ ｄ ｓ ｒｂ ｄ ｉ ｅ ａ ｌ ｃ ｄ ｓｇ ｒ ｅ ｃ ｉ ｅ ｎ ｄ ｔ ｉ ．
在结构构件 的试验 中采用周期性反复静力加载 ， 由此 得到结构 或构件 的滞 回延性 。就 目前状 况而 言 ， 验加载 方式多 样 ， 试 给
“ 性 ” 量化 带来 困 难 。 在 工 程 设 计 中 ， 筑 结 构 的 “ 问位 延 的 建 层
移延 性” 概念在世 界范 围内被 广泛 采用 。实现 用量 化 的位移 设计 指标来 控 制 建 筑 物 的抗 震 性 能 ， 作 基 于 位 移 （ 称 称 简 Ｄ Ｓ 的抗震 设计 ， 比现行 抗震 设计 方法 中强 调 的概 念设 Ｂ Ｄ） 它 计前 进了一步 。
同损伤 的变形假设 ， 将整个 桥梁结 构等 效为单 自由度体 系 ， 然
后进行抗震设计 。
为了保证 结构 的目标位移 同其位移需求相 一致 ， 设计过程
必 须 迭代 进 行 。分 析 表 明 ， 这种 方 法 对 受 基 本 振 型 控 制 的 对 称
结构 比较 有效 ， 而对 于受多阶振型影响的非规则结构却存在较
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抗震 功能评价为基础 的结构设计 理论 得以应运而生的基础 。
ｌ 基 于 位移 的抗 震设 计理 论
长期以来 ， 工程界 习惯于用“ 延性 ” 来预测和判断结构超过
屈 服 后 的 损 伤 和 破 坏 。“ 性 ” 延 的原 始 定 义 只 是 反 应 结 构 及 构
件屈 服后 的变形能力 。考虑到地震是一种往 复作用 ， 人们经常
引 言
当前各 国（ 如中 国、 国、 美 日本 ） 采用二级或三级设计思想 ， 即： 小震不坏 、 中震 可修 、 大震不倒 的设 防水准 ， 据此制定 了各 种设计规 范和条例。依 此设计 思想设 计 的各 种建筑 物在 地震 中虽然基本保证 了生命 安全 ， 却不 能在 大地震 、 至在 中等大 甚
■ ：从震， 收芳 生职 作０事与究 稿－９师研 者，构隔士 简女月震 日主抗研 期７ 减。 介要 出在 ２６ 究７ 讲 杨０ ，博 生年 １结 ０ ， — １ ９ ２
ｓｉ ｃｄｓ ｎ 是直接 以位 移为设 计参数 ， 对不 同地震 设 防 ｅ ｍｉ ｅｉ ） ｓ ｇ 针
水 准 ， 定 相应 的 目标 位 移 ， 且 通 过 设 计 ， 得 结 构 在 给 定 水 制 并 使 准 地 震 作 用 下 达 到 预 先 指 定 的 目标 位 移 ， 而 实 现 对 结 构 地 震 从
一
，
Ｔ） 目标位移 △ 来 确定 结构 的等 效周期 Ｔｅｆ进而 和 ｆ，
确定结构 的设计强度 。 由于该 方法需 要进行 刚度 和阻尼 比的 等效 ， 因而设 计过程需要迭代进行 。 针对等效线性 化方法在计 算非 弹性单 自由度 体系位 移方 面 的一些局 限性 ， 比如等 效阻 尼 比高 时计算 精度较 差等 ， 国内 外学者又 提出 了基于非弹性 位移反 应谱 的直接 基于位 移抗震
小 的地震 中有效 的控制地震 损失 ， 其损失往 往超 过了社会和业
主所能承受 的范围。随着经 济的发展和人 口密度 的增加 ， 震害 会越来越严重 ， 它也使地震工程学者认识到过去 的规 范只是以
９ 年代 ， Ｏ 美国地震 工程 和结构 工程 专家 经过深 刻 的总结
后， 主张改 进当前基 于承载力 的设 计方 法 。加州 大学 Ｂ ｒ ｅ ｅｋ ｌ ｙ 分校 的 Ｊ Ｐ Ｍｏｈｅ 出了基于位 移的抗震 设计 理论 ， ． ． ｅ ｌｌ 提 １ 其实 这种全新概念 的结 构抗 震设 计方法最早应用于桥梁设计 中， 并 取得 了一定 的成果 。Ｍｏ ｅ 是最早将 Ｄ Ｓ ｈｌ ｅ Ｂ Ｄ用 于建 筑物结构 设计 的学者 ， 提出 ： 于位移 的抗震设计 要求进行定量分析 ， 他 基 使结构的塑性变形 能力满足 在预期的地震 作用下的变形要求 ， 即控制结构在大震作用下 的层 问位移角 限值 。Ｍｏｈｅ的设计 ｅｌ 方法的核心思想 是从 总体 上控 制结 构 的位移 （ ｏ ｆ ｓ ｌ ｅ Ｒ ｏ ｐａ — Ｄｉ ｃ ｍｅｔ和层 间位 移 （ ｔｒ ｒ ｔ 水准 ， ｎ） ＳｏｙＤ ｉ ） ｆ 与后来 的美 国联 邦 紧急 救援 署的 Ｆ ＭＡ一２ ３规范 中位移影 响系数法相似 。 Ｅ ７ 直接基 于 位 移 的抗 震 设 计 （ ｉ ｃ ｉ ｌｃｍｅ ｔ ｂｓｄ ｄｒ ｔｄｓ ａｅ ｎ — ａｅ ｅ ｐ
保证人的生命安全 为原 则 的一 级设计 理论 ， 在抗 震设计 概念 、
适应社会需求等方 面都 存在一 定 问题 。社会 和公众对 结构抗 震性能存在多种需求 ， 如何 完善 已有抗震 设计 的理念 ， 使结 构 在未来地震 中的抗震性 能达到人们事先预计 的目标 ， 这是摆在
地震 工 程 学 者 面 前 的面 向 ２ １世 纪 的 重 要 课 题 ， 也 是 以结 构 这
摘
要 ： 绍 了结构抗震设计理论 的发展过程 ， 出了基于位移 的抗震设 计理论和 基于性 能的抗震设 计理论 的提 出背景 ， 介 指 详细介
绍 了这 两种抗震设计理论 的发展情况及研究 内容 ， 以及随机振动理论在结构抗震设 计 中的应用进展。
关键词 ：基于位移 的抗震设计理论 基 于性能的抗 震设计理论 随机振 动理论
— —
ｂ ｓ ｄ ｓ ｉｍｉ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｂ ｓ ｄ ｓ ｉｍｉ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｒ ｓ ｎ ｅ ． Ｔｈ ｅ ｅ ｏ ｍ ｅ ｔｃ ｎ ｉ ｏ ｎ ｅ ｅ ｒ ｈ ａ ｅ ｅｓ ｃ ｄ ｓｇ ｈ ｏ ｙ ａ ｄ ｐ ｒｏ ｍａ ｃ － ａ ｅ ｅ ｓ ｃｄ ｓｇ ｈ ｏ ｙ ｉ ｐ ｅ ｅ ｔ ｄ ｓ ｅｄ ｖ ｌ ｐ ｎ ｏ ｄ ｔ ｎ ａ ｄ ｒ ｓ ａ ｃ ｉ
行为 的控制 。从实现 的角度讲 ， 直接基于位移 的抗震设计理论
２１ ０ １年 １ ０期 总第 １ ０期 ６
杨
芳 ・ 结构抗震设计理论的进展
・７ ０・
主要包 括三方面 的内容 ， 即直接基 于位 移的抗震 设计 方法 、 位 移 需求估计方法和 目标位移 的确定 。 早在 １ ８ ，ｏｅ Ｅ 便提 出在结构抗震 设计 中进 行位移 ９ １年 Ｓ ｚｎ。 控制 的概 念 ， 此 以 后 各 种 以 位 移 为 参 数 的抗 震 设 计 方 从 法Ｅ。 逐渐 发展 起来 ， 这些方 法仅仅 限于对 已建 结构 进行 ］ 但 基于位移 的抗震 验算 ， 还不 能真正实现基于性能 的抗震设计思 想 。近十年来 ， 随着基 于性能抗 震设计 思想 的提 出 ， 接基 于 直 位移 的抗震设计 方法越来 越受 到地震工 程界 的重视 。同基 于 位移抗震验算 方法不同 的是 ， 直接基于位移 的抗震设计方法更 侧重于 目标位 移的实现过程 ， 即如何 通过设 计 ， 给定 的 目标 使 位移在设计水 准地震作用下能够得 到实现 。从 这个意义上讲 ，
大 的 局 限 性 。 为 考 虑 高 阶 振 型 的 影 响 ， ｗａｓｙ ２ ０ ） 出 Ｋｏ ｌ （ ０ １ 提 ｋ
采用 替代 结构法 ， 将整 个桥梁 结构等 效成 弹性多 自由度体 系 ，
通过反应谱的振型组合方法来确定结构 的 目标 位移 ， 然后根据
目标 位移将整个结构体 系等效成单 自由度体 系 ， 再进行结构 的 抗震 设计 。由于这种方法将 目标 位移 的选 取 同结 构 的位移需 求联系在一起 ， 以设 计过程必须通过迭代 的方式来进行 。从 所 考虑高阶振型 的角度讲 ， 这种 方法 提供 了一 种较好 的思路 ， 但 对于采用替代结构法来 表征 复杂结 构非弹性行 为的合理性 ， 尚