建筑結(jié)構(gòu)抗震理論的發(fā)展歷程

1、建筑結(jié)構(gòu)抗震理論的發(fā)展歷程引言古往今來(lái)， 地震給全人類造成了巨大的災(zāi)害。 人類在適應(yīng)自 然和改造自然的過(guò)程中， 不斷地探索抵御地震的方法， 但限于古 時(shí)候的科技發(fā)展水平和實(shí)踐能力， 一直沒(méi)有形成系統(tǒng)科學(xué)的抗震 設(shè)防方法。現(xiàn)代的抗震設(shè)計(jì)理論是從 20 世紀(jì)初才開(kāi)始建立起來(lái) 的。經(jīng)歷了一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展， 隨著人們對(duì)地震動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)動(dòng)力 特性理解的不斷加深， 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論從最初的靜力階段和反 應(yīng)譜階段，發(fā)展到動(dòng)力階段及目前的基于性態(tài)的抗震設(shè)計(jì)理論階 段。1. 靜力法在 20 世紀(jì)初期，人們就已經(jīng)開(kāi)始在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)當(dāng)中采用 一些經(jīng)驗(yàn)的法則。 1920 年，日本大森房吉教授提出了所謂的靜 力理論。假設(shè)

2、建筑物為絕對(duì)剛體，地震時(shí)，它和地面一起運(yùn)動(dòng)而 無(wú)相對(duì)于地面的位移。 建筑物各部分都有一個(gè)與地面加速度大小 相同的加速度，取其最大值用于抗震設(shè)計(jì)。因此，作用在建筑物 每一樓層上的水平向地震作用就等于該層質(zhì)量與地面運(yùn)動(dòng)最大 加速度的乘積， 這就是通常所說(shuō)的“靜力理論”。由于這種方 法比較簡(jiǎn)單， 而且， 用這種方法設(shè)計(jì)的建筑物大都也經(jīng)受住了一 般地震的考驗(yàn)， 所以， 稍作修正后至今仍然被某些國(guó)家的設(shè)計(jì)規(guī) 范所沿用。但這種方法完全忽略了結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)力特性的影響， 對(duì)多、高層建筑， 煙囪等具有一定柔性的結(jié)構(gòu)物就會(huì)產(chǎn)生較大的 誤差，顯得既不經(jīng)濟(jì)又不合理。2、反應(yīng)譜法1943 年美國(guó)皮奧特( M.A.Bio

3、t )發(fā)表了以實(shí)際地震記錄求 得的加速度反應(yīng)譜， 提出的“彈性反應(yīng)譜理論”。 由于反應(yīng)譜理 論正確而簡(jiǎn)單地反映了地震特性以及結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性， 從而得到 了國(guó)際上廣泛的承認(rèn)。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 到上個(gè)世紀(jì)五十 年代，反應(yīng)譜計(jì)算得以實(shí)現(xiàn)，并運(yùn)用到抗震設(shè)計(jì)上，反應(yīng)譜理論 基本取代了靜力法，為世界上普遍采用此方法。地震作用力的計(jì)算常常用底部剪力法和振型分解反應(yīng)譜法， 振型分解反應(yīng)譜法的基本概念是： 假定建筑結(jié)構(gòu)是線彈性的多自 由度體系， 利用振型分解和振型正交性的原理， 將求解 n 個(gè)自由 度彈性體系的地震反應(yīng)分解為求解 n 個(gè)獨(dú)立的等效單自由度彈 性體系的最大地震反應(yīng)，進(jìn)而求得對(duì)應(yīng)于每一個(gè)振型

4、的作用效 應(yīng)。此時(shí)，就可以根據(jù)考慮地震作用的方式不同，采用不同的組 合方式，對(duì)于平面振動(dòng)的多質(zhì)點(diǎn)彈性體系，可以用SRSS法，它是基于假定輸入地震為平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程， 各振型反應(yīng)之間相互獨(dú)立 而推導(dǎo)得到的；對(duì)于考慮平一扭耦連的多質(zhì)點(diǎn)彈性體系，采用 CQC法，它與SRSS法的主要區(qū)別在于：平面振動(dòng)時(shí)假定各振型 相互獨(dú)立， 并且各振型的貢獻(xiàn)隨著頻率的增高而降低； 而平扭 耦連時(shí)各振型頻率間距很小， 相鄰較高振型的頻率可能非常接近 這就要考慮不同振型間的相關(guān)性， 還有扭轉(zhuǎn)分量的影響并不一定 隨著頻率增高而降低， 有時(shí)較高振型的影響可能大于較低振型的 影響，相比SRSS寸就要考慮更多振型的影響。底部剪力法考

5、慮 到結(jié)構(gòu)體系的特殊性對(duì)振型分解反應(yīng)譜法的簡(jiǎn)化， 當(dāng)建筑物高度 不大，以剪切變形為主且質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的結(jié) 構(gòu)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移反應(yīng)往往以第一振型為主， 而且第一振型接近 于直線寸， 就可以把振型分解法簡(jiǎn)化為基本的底部剪力法計(jì)算公 式。這個(gè)基本公式計(jì)算得到的各質(zhì)點(diǎn)的水平地震作用可以較好的 反映剛度較大的結(jié)構(gòu)， 但當(dāng)結(jié)構(gòu)基本周期較長(zhǎng)， 場(chǎng)地特征周期較 小寸，計(jì)算所得頂部地震作用偏小，為此，抗震規(guī)范規(guī)定， 當(dāng)結(jié)構(gòu)基本周期大于 1.4 倍的場(chǎng)地特征周期寸， 在頂部附加水平 地震作用。3、寸程分析法大量的地震災(zāi)害研究表明， 反應(yīng)譜理論雖考慮了振幅和頻譜 兩個(gè)要素， 但在設(shè)計(jì)理論中沒(méi)有考慮地震動(dòng)

6、寸間因素， 這是反應(yīng) 譜理論的局限。 寸程分析法將實(shí)際地震加速度寸程記錄作為動(dòng)荷 載輸入，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析，既考慮了地震強(qiáng)度、頻譜特 性、地震持續(xù)寸間，又考慮了反應(yīng)譜所不具備的其它特性參數(shù)。 寸程分析法主要用于大震分析計(jì)算， 是對(duì)反應(yīng)譜方法設(shè)計(jì)的重要 補(bǔ)充和完善4、基于性態(tài)的抗震設(shè)計(jì)方法在1994年美國(guó)Northridge 地震和1995年日本Kobe地震后， 美日學(xué)者又提出了基于性態(tài)的抗震設(shè)計(jì)方法， 基于性態(tài)的基本思想，就是使建筑結(jié)構(gòu)在使用期間滿足各種使用功能的要求。 它與傳統(tǒng)基于力的設(shè)計(jì)方法不同， 對(duì)結(jié)構(gòu)性能的評(píng)判主要是基于位移 準(zhǔn)則，用不同的位移指標(biāo)來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行不同的控制。 但

7、是由 于大震下結(jié)構(gòu)的非彈性變形難以準(zhǔn)確的估計(jì)， 使得基于性態(tài)的設(shè) 計(jì)方法只能停留在理論上。 但提出它的積極意義至少有兩點(diǎn)： 1. 強(qiáng)調(diào)地震工程的系統(tǒng)性和社會(huì)性； 2. 認(rèn)識(shí)到原有抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 的部分不合理性。作為基于性能抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)， 應(yīng)該對(duì)某一具統(tǒng)計(jì)意義的特 定水平地震作用下的結(jié)構(gòu)位移，速度和加速度進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估， 還應(yīng)該有一個(gè)合理的評(píng)估方法和可用的評(píng)估工具。 正是因?yàn)檫@個(gè) 目的，提出和發(fā)展了 Pushover 方法和能力譜方法。 Pushover 方 法的基本思路是采用靜力加載， 假定某一分布形式的側(cè)向荷載作 用在結(jié)構(gòu)上，逐漸加載直到達(dá)到結(jié)構(gòu)控制點(diǎn)目標(biāo)位移或結(jié)構(gòu)破 壞，從而得到控制點(diǎn)的水平側(cè)移與基底剪力關(guān)系曲線， 用以評(píng)估 結(jié)構(gòu)的抗震性能。 Pushover 方法依賴于側(cè)向力的分布形式和彈 塑性反應(yīng)譜目標(biāo)位移的確定。結(jié)語(yǔ)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的研究與進(jìn)展， 尤其是各國(guó)歷次大地震對(duì)人 類造成的嚴(yán)重災(zāi)害的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)， 使世界各國(guó)地震工程學(xué)者及抗震 設(shè)計(jì)人員逐步取得了較為