抗震设计的发展与展望

关于结构抗震设计的发展与展望

摘要：系统地总结了国内外结构抗震设计研究的内容、特点和现状，介绍了抗震设计理论各个发

展阶段的方法,包括静力发展阶段的底部剪力法、反应谱理论阶段、动力理论阶段、基于结构性能的抗震设计理论阶段。

关键词：抗震设计；基于结构性能；展望

1 引言

古往今来，地震给全人类造成了巨大的灾害。人类在适应自然和改造自然的过程中，不断地探索抵御地震的方法，但限于古时候的科技发展水平和实践能力，一直没有形成系统科学的抗震设防方法。现代的抗震设计理论是从20世纪初才开始建立起来的。经历了一个世纪的发展，随着人们对地震动特性和结构动力特性理解的不断加深，结构抗震设计理论从最初的静力阶段和反应谱阶段，发展到动力阶段及目前的基于性态的抗震设计理论阶段。三个阶段的发展并没有严格的分界点，而是相互联系、相互渗透。

当前各国（如中国、美国、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、甚至在中等大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。

2 结构抗震设计的四个阶段

2.1 静力理论阶段

上世纪20年代以前，佐野利器在其“家屋耐震构造论”中引入了震度法的概念，从而创立了水平静力抗震理论，成为该时期抗震理论的标志。此理论认为：结构物所受地震作用可以简化为作用于结构上的水平等效静力，其大小为F= KG，其中K= a/g，a 为地震动最大水平加速度，g 为重力加速度，G 为结构重量。K 即为重度，约为1/10，与结构特性无关。

静力法的基本假设前提是,结构物为理想刚体,其最大加速度就等于地震动的最大地面加速度,这种假设对于低矮的单层和多层砖混结构房屋而言是合理的。但是,近几十年来大量的高层建筑、大跨度桥梁、高耸构筑物等的兴建,这些结构物并不能视为完全刚性体,仍然采用静力法理论进行抗震计算将导致不可容许的计算误差。

静力理论假定在地震作用下的结构是刚性的，没有考虑结构的动力效应和场地差别对建筑结构的影响，设计方法比较粗略。

2.2 反应谱方法

20 世纪50 年代初，Housner首次实现并同时在加州的抗震规范中采用反应谱作为抗震设计理论，取代了过去的静力震度法，作为一个单自由度弹性体系结构的地震作用为：F=

Kβ(T)G，其中β(T)= Sa(T)/a 表示地震动时结构震动加速度的放大，Sa(T)为地震动加速度反应谱，a 为地震动最大水平加速度，G 为结构重量。

反应谱是指地震波作用在单质点体系上，求得的位移、速度或加速度等反应的最大值与单质点体系自振周期间的关系。反应谱理论假设:结构是弹性的,地震反应可以采用叠加原理来进行振型组合;结构所有支座处的地震动完全相同,基础与土层之间无相互作用;结构的最不利地震反应等于它的最大地震反应,而与其它动力反应参数无关。反应谱理论考虑了结构物的动力特性（自振周期、振型和阻尼）所产生的共振效应。

该理论引进了延性的概念,在抗震设计中,把提高延性与具备足够的强度和刚度提到了同等重要的地位;引进了随机振动理论,考虑了场地条件对反应谱形状的影响。然而,由于其实质上的局限性,反应谱分析法仍然存在如下不足之处:

(1)反应谱虽然考虑了结构动力特性所产生的共振效应,但在设计中仍把地震惯性力按照静力来对待,所以反应谱理论只是一种准动力理论;

(2)反应谱只考虑了强地震动的三要素(振幅、频谱和持时)中的前两项,未能反映地震动持时对结构破坏程度的重要影响;

(3)反应谱是根据弹性结构地震反应绘制的,只能笼统地给出结构最大地震反应,不能给出结构地震反应的全过程,更不能给出地震过程中各构件进入弹塑性变形阶段的顺序以及内力和变形状态。

2.3 动力理论阶段

随着电子计算机技术和试验技术的发展,人们对各类结构在地震作用下的线性与非线性反应过程有了较多的了解,同时随着强震观测台站的不断增多,各种受损结构的地震反应记录也不断增多,这促进了结构抗震动力理论的形成。其本质是建立构件的恢复力模型、结构的简化计算模型，并得到与设计反应谱相匹配的地面运动加速度时程后，直接求解动力方程。采用数值积分法，进行连续分段处理，最终求得在低周反复地震波下，结构在每一时刻的加速度、速度和位移的动力时程。

动力理论设计原则要考虑到多种使用状态和安全的概率保证。在弹性范围内考虑强度极限，在非线性范围内考虑变形极限和能量损耗，以具体体现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的要求。

2.4 基于结构性能的抗震设计理论

20世纪90年代初，美国学者率先提出了基于性能的结构抗震设计概念（Performance-Based Seismic De-sign 简称PBSD），PBSD理论提出多目标的设计理念，它所确定的抗震功能目标既要保证生命安全又要考虑到经济财产损失。因此，在设计中应当进行全面费用分析，选择经济效果最佳的抗震设计方案。该理论更强调个性设计，结构功能目标可按实际需要、用户要求、投资能力选择不同等级的设防目标，并有利于减隔震技术和高强高性能砼等新材料的推广应用。同时，结构的抗震能力是按选定的抗震功能目标进行设计，

具有可预见性。

3 减少地震破坏的处理方法

3.1 选择有利的抗震场地

选择对建筑抗震有利的地段, 应避开对抗震不利地段;当无法避开时, 应采取适当的抗震加强措施,应根据抗震设防类别、地基液化等级,分别采取加强地基和上部结构整体性和刚度、部分消除或全部消除地基液化沉陷的措施; 当地基主要受力层范围内存在软弱粘性土层、新近填土和严重不均匀土层时,应估计地震时地基不均匀沉降或其他不利影响, 采用桩基、地基加固和加强基础和上部结构的处理措施; 对于地震时可能导致滑移或地裂的场地,应采取相应的地基稳定措施。基础设计时, 同一结构单元不宜设计在性质截然不同的地基土上, 也不宜部分采用天然地基部分采用桩基,不宜部分采用端承桩部分采用摩擦桩;高层建筑宜设置地下室, 应避免采用局部地下室。

3.2 优化的平面和立面布置

选择简单的结构设计、合适的结构的刚度和抗震能力，顾及结构的整体性，设置多道设防的抗震结构体系，保证结构的延性抗震能力。选择合理的建筑结构参数设计计算分析，建立正确的计算模型, 根据概念设计做必要的简化计算与处理。计算软件技术条件的输入应符合规范及有关标准的规定,并应根据具体工程注意需要特殊处理的内容。

4 结论与展望

结构的抗震设计经历了从早期的单一抗震设防到现行的多级抗震设防，再到当前所倡导的基于性能的抗震设计思想的发展过程，我国抗震设计规范中的三水准两阶段设计方法已经体现了性能设计的思想，但是尚不完善，今后应该着重发展在基本烈度地震作用下的变形控制和罕遇地震作用下的抗倒塌设计计算方法。

抗震设计理论研究依然任重而道远,应该用辨证发展的观点来看待建筑抗震设计的得和失.成功与挫折都给予了人们重要的启示,促进了抗震科学研究的深入,并使人们从中明确了努力的方向和重点,为抗震科技发展提供了重要经验.

地震是一种目前难以准确预测的自然灾害,为避免它给人类带来大的灾难。作为工程技术设计人员在建筑结构的研究和工程设计中,应从整体宏观的观点出发,综合处理好建筑功能、技术、艺术、安全可靠性和经济合理等几方面内容,从而创造出更加安全、适用、经济美观的高层建筑。

参考文献：

[1] 谢礼立，马玉宏现代抗震设计理论的发展过程[J] 国际地震动态2003（10）

[2] 谢能刚，宋培玉结构抗震设计的研究现状与展望[J] 安徽工业大学学报2002(02)

[3] 周锡元建筑结构抗震设计方法的新进展[A] 首届全国建筑结构技术交流会议论文集[C]2006

[4] 杨芳结构抗震设计理论的进展[J] 福建建筑2011(10)

[5] 王亚勇.我国2000年抗震设计模式规范展望刀中国建筑学会抗震防灾研究会与中国地震学会地震工程

专业委员会编.第五届全国地震工程会议论文集(I).南京:东南大学出版社,1998