论结构抗震设计方法

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1、论结构抗震设计方法叶列平，经杰清华大学土木工程系(100084)Email:ylp@tsinghua.edu.cn摘要：本文从结构抗震设计方法的发展历史，总结了结构抗震性能与结构抗震能力的关系，以及抗震性能指标之间的关系，建议以承载力和能综合反映结构滞回耗能和损伤的等效延性系数（位移）作为抗震性能设计指标。随后又进一步讨论了抗震设防水准与结构抗震性能需求之间的关系。根据能力设计方法的概念，研究了具有多道抗震防线结构的性能、抗震设防水准和地震位移反应模式，指出将多道抗震防线概念、能力设计方法与位移模式结合的基于性能／位移抗震设计方

2、法，可更易把握结构的抗震性能和性能目标的确定，从而易于实现基于性能／位移抗震设计方法。关键词：结构抗震，等效延性系数，位移反应模式，多道抗震设防1．结构抗震设计方法的发展结构抗震设计方法的发展历史是人们对地震作用和结构抗震能力认识不断深化的过程。对结构抗震设计方法发展历史的回顾，有助于对结构抗震原理的认识。结构抗震设计方法经历了静力法、反应谱法、延性设计法、能力设计法、基于能量平衡[1]的极限设计法、基于损伤设计法和近年来正在发展的基于性能/位移设计法几个阶段。有些设计法的发展阶段相互交错，并相互渗透。为了更好地从结构抗震原理上

3、认识和理解结构抗震设计方法，本文将结构抗震设计方法分为：(1)基于承载力设计方法(2)基于承载力和构造保证延性设计方法(3)基于损伤和能量设计方法(4)能力设计法(5)基于性能/位移设计方法以下分别简要介绍上述抗震设计方法。1.1基于承载力设计方法基于承载力设计方法又可分为静力法和反应谱法。静力法产生于二十世纪初期，是最早的结构抗震设计方法。上世纪初前后日本浓尾、美国旧金山和意大利Messina的几次大地震中，人们注意到地震产生的水平惯性力对结构的破坏作用，提出把地震作用看成作用在建筑物上的一个总水平力，该水平力取为建筑物总重量

4、乘以一个地震系数。意大利都灵大学应用力学教授M.Panetti建议，1层建筑物取设计地震水平力为上部重量的1/10，2层和3层取上部重量的1/12。这是最早的将水平地震力定量化的建筑抗震设计方法。日本关东大地震后，1924年日本“都市建筑规范”首次增设的抗震设计规定，取地震系数为0.1。1927年美国UBC规范第一版也采用静力法，地震系数也是取0.1。用现在的结构抗震知识来考察，静力法没有考虑结构的动力效应，即认为结构在地震作用下，随地基作整体水平刚体移动，其运动加速度等于地面运动加速度，由此产生的水平惯性力，即建筑物重量与地震

5、系数的乘积，并沿建筑高度均匀分布。考虑到不同地区地震强度的差别，设计中取用的地面运动加速度按不同地震烈度分区给出。根据结构动力学的观点，地震作用下结构的动力效应，即结构上质点的地震反应加速度不同于地面运动加速度，而是与结构自振周期和阻尼比有关。采用动力学的方法可以求得不同周期单自由度弹性体系质点的加速度反应。以地震加速度反应为竖坐标，以体系的自振周期为横坐标，所得到的关系曲线称为地震加速度反应谱，以此来计算地震作用引起的结构上的水平惯性力更为合理，这即是反应谱法。对于多自由度体系，可以采用振型分解组合方法来确定地震作用。反应谱法

6、的发展与地震地面运动的记录直接相关。1923年，美国研制出第一台强震地震地面运动记录仪，并在随后的几十年间成功地记录到许多强震记录，其中包括1940年的ElCentro和1952年的Taft等多条著名的强震地面运动记录。1943年M.A.Biot发表了以实际地震纪录求得的加速度反应谱。二十世纪50到70年代，以美国的G.W.Housner、N.M.Newmark和R.W.Clough为代表的一批学者在此基础上又进行了大量的研究工作。对结构动力学和地震工程学的发展作出了重要贡献，奠定了现代反应谱抗震设计理论的基础。然而，静力法和早

7、期的反应谱法都是以惯性力的形式来反映地震作用，并按弹性方法来计算结构地震作用效应。当遭遇超过设计烈度的地震作用，结构进入弹塑性状态，这种方法显然无法应用。同时，在由静力法向反应谱法过渡的过程中，人们发现短周期结构加速度谱值比静力法中的地震系数大1倍以上。这使得地震工程师无法解释以前按静力法设计的建筑物如何能够经受得住强烈地震作用。1.2基于承载力和构造保证延性设计方法为解决由静力法向反应谱法的过渡问题，以美国UBC规范为代表，通过地震力降低系数R将反应谱法得到的加速度反应值am降低到与静力法水平地震相当的设计地震加速度ad，ad

8、=am/R(1)地震力降低系数R对延性较差的结构取值较小，对延性较好的结构取值较高。尽管最初利用地震力降低系数R将加速度反应降下来只是经验性的，但人们已经意识到应根据结构的延性性质不同来取不同的地震力降低系数。这是考虑结构延性对结构抗震能力贡献的最早形式。然而对