建筑结构抗震理论的发展历程

1、建筑结构抗震理论的发展历程引言古往今来， 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。1. 静力法在 20 世纪初期，人们就已经开始在结构抗震设计当中采用 一些经验的法则。 1920 年，日本大森房吉教授提出了所谓的静 力理论。假设

2、建筑物为绝对刚体，地震时，它和地面一起运动而 无相对于地面的位移。 建筑物各部分都有一个与地面加速度大小 相同的加速度，取其最大值用于抗震设计。因此，作用在建筑物 每一楼层上的水平向地震作用就等于该层质量与地面运动最大 加速度的乘积， 这就是通常所说的“静力理论”。由于这种方 法比较简单， 而且， 用这种方法设计的建筑物大都也经受住了一 般地震的考验， 所以， 稍作修正后至今仍然被某些国家的设计规 范所沿用。但这种方法完全忽略了结构本身的动力特性的影响， 对多、高层建筑， 烟囱等具有一定柔性的结构物就会产生较大的 误差，显得既不经济又不合理。2、反应谱法1943 年美国皮奥特( M.A.Bio

3、t )发表了以实际地震记录求 得的加速度反应谱， 提出的“弹性反应谱理论”。 由于反应谱理 论正确而简单地反映了地震特性以及结构的动力特性， 从而得到 了国际上广泛的承认。 随着计算机技术的发展， 到上个世纪五十 年代，反应谱计算得以实现，并运用到抗震设计上，反应谱理论 基本取代了静力法，为世界上普遍采用此方法。地震作用力的计算常常用底部剪力法和振型分解反应谱法， 振型分解反应谱法的基本概念是： 假定建筑结构是线弹性的多自 由度体系， 利用振型分解和振型正交性的原理， 将求解 n 个自由 度弹性体系的地震反应分解为求解 n 个独立的等效单自由度弹 性体系的最大地震反应，进而求得对应于每一个振型

4、的作用效 应。此时，就可以根据考虑地震作用的方式不同，采用不同的组 合方式，对于平面振动的多质点弹性体系，可以用SRSS法，它是基于假定输入地震为平稳随机过程， 各振型反应之间相互独立 而推导得到的；对于考虑平一扭耦连的多质点弹性体系，采用 CQC法，它与SRSS法的主要区别在于：平面振动时假定各振型 相互独立， 并且各振型的贡献随着频率的增高而降低； 而平扭 耦连时各振型频率间距很小， 相邻较高振型的频率可能非常接近 这就要考虑不同振型间的相关性， 还有扭转分量的影响并不一定 随着频率增高而降低， 有时较高振型的影响可能大于较低振型的 影响，相比SRSS寸就要考虑更多振型的影响。底部剪力法考

5、虑 到结构体系的特殊性对振型分解反应谱法的简化， 当建筑物高度 不大，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结 构，结构振动位移反应往往以第一振型为主， 而且第一振型接近 于直线寸， 就可以把振型分解法简化为基本的底部剪力法计算公 式。这个基本公式计算得到的各质点的水平地震作用可以较好的 反映刚度较大的结构， 但当结构基本周期较长， 场地特征周期较 小寸，计算所得顶部地震作用偏小，为此，抗震规范规定， 当结构基本周期大于 1.4 倍的场地特征周期寸， 在顶部附加水平 地震作用。3、寸程分析法大量的地震灾害研究表明， 反应谱理论虽考虑了振幅和频谱 两个要素， 但在设计理论中没有考虑地震动

6、寸间因素， 这是反应 谱理论的局限。 寸程分析法将实际地震加速度寸程记录作为动荷 载输入，进行结构的地震响应分析，既考虑了地震强度、频谱特 性、地震持续寸间，又考虑了反应谱所不具备的其它特性参数。 寸程分析法主要用于大震分析计算， 是对反应谱方法设计的重要 补充和完善4、基于性态的抗震设计方法在1994年美国Northridge 地震和1995年日本Kobe地震后， 美日学者又提出了基于性态的抗震设计方法， 基于性态的基本思想，就是使建筑结构在使用期间满足各种使用功能的要求。 它与传统基于力的设计方法不同， 对结构性能的评判主要是基于位移 准则，用不同的位移指标来对结构性能进行不同的控制。 但

7、是由 于大震下结构的非弹性变形难以准确的估计， 使得基于性态的设 计方法只能停留在理论上。 但提出它的积极意义至少有两点： 1. 强调地震工程的系统性和社会性； 2. 认识到原有抗震设计规范 的部分不合理性。作为基于性能抗震设计的基础， 应该对某一具统计意义的特 定水平地震作用下的结构位移，速度和加速度进行准确的评估， 还应该有一个合理的评估方法和可用的评估工具。 正是因为这个 目的，提出和发展了 Pushover 方法和能力谱方法。 Pushover 方 法的基本思路是采用静力加载， 假定某一分布形式的侧向荷载作 用在结构上，逐渐加载直到达到结构控制点目标位移或结构破 坏，从而得到控制点的水平侧移与基底剪力关系曲线， 用以评估 结构的抗震性能。 Pushover 方法依赖于侧向力的分布形式和弹 塑性反应谱目标位移的确定。结语构抗震设计方法的研究与进展， 尤其是各国历次大地震对人 类造成的严重灾害的经验教训， 使世界各国地震工程学者及抗震 设计人员逐步取得了较为