Evolution and Comparison of Different Structural Seismic Design Theories and Methods
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摘要: 结构抗震设计理论与方法是地震工程学的核心内容，随着破坏性地震的不断发生和人们对震害认识的不断深化，结构抗震设计理论与方法逐步发展和完善。本文较全面地总结了结构抗震设计理论的形成与发展演化过程，并对不同结构抗震设计理论与方法进行比较研究，详细介绍基于强度的结构抗震设计方法、基于性态的结构抗震设计方法和基于韧性的结构抗震设计理念。在此基础上，提出了进一步开展建筑抗震韧性研究的建议。Abstract: Theory of structural seismic design, which is developed and modified along with the occurrence of destructive earthquakes and the knowledge accumulation of earthquake damages, is the core content of earthquake engineering. It summarizes the formation and development of structural seismic design theories, and conducts a comparative research of different structural seismic design methods.A detailed introduction of structural seismic design method based on strength, structural seismic design method based on performance and structural seismic design idea based on resilience is also listed in this paper. What’s more, suggestions for further study on seismic resilience of building are put forward.
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表 1 结构抗震设计理论比较
Table 1. Comparison of structural seismic design theories
名称 形成时间 核心内容 优点 缺点 主要贡献者 静力
理论20世纪初期至20世纪40年代 假定结构为刚性，结构上任意点的加速度等于场地岩土运动的加速度，结构所受地震作用可简化为作用于结构的水平等效静力，其值等于结构质量乘以地震系数，地震系数由烈度确定。 简单易行，无须建立结构动力模型，抗震设计时仅需考虑采用静力的允许应力，对于缺失强震记录的20世纪初期，在抗震设计中发挥了重要作用 未考虑地震的动力特性和结构的动力性质（变形和阻尼），理论上仅适用于完全刚性的结构。 大森房吉、真岛健三郎、佐野利器、末广恭二、武藤清、河野清夫等 反应谱
理论20世纪40年代至60年代 结构可简化为多自由度体系，多自由度体系的地震反应可按振型分解为多个单自由度体系反应的组合，单自由度的最大反应利用反应谱求得。该理论经过不断改进与完善，被广泛应用与各国抗震设计中。 考虑了地震动、结构的动力特性及结构和地震动之间的共振效应，将反应谱和结构振型分解法结合，使复杂的多自由度体系地震反应求解成为可能。 无法确定结构的弹塑性反应，并在具体设计中仍将地震惯性力视为静力，需利用场地加速度反应谱。 比奥(Biot M. A.)、豪斯纳
(Housner G. W.)动力
理论20世纪70年代至80年代 将结构简化为多自由度体系，将有代表性的地震动加速度时程作为地震动输入，选择合理的结构动力模型和动力反应分析方法，最终得到每一时刻结构的地震反应。 可求解大震作用下结构的弹塑性地震反应，较反应谱法的精度高，更符合地震对结构作用的物理过程。 计算方法复杂，工作量大，对地震波选择要求高，对结构和构件模型要求高。 武藤清、豪斯纳(Housner G. W.)、纽马克 性态
理论20世纪90年代至21世纪初 在每种抗震设防水准下，对建筑进行全面的抗震性能分析，依据建筑的使用功能和业主的需求确定抗震性能目标并进行抗震设计，以实现预期的抗震性能，使震害损失控制在预期范围内。 以结构的使用功能为控制目标，克服了以保障生命为控制目标带来的问题，弥补了基于承载力的抗震设计存在的无法预估结构屈服后工作状态的缺陷。 理论和方法均需进一步完善，结构性能水平的划分尚不统一，需进一步经受大震的检验。 博特罗
(Bertero V. V.)韧性
理念21世纪初 在满足性态设计要求的同时，不仅考虑地震时结构的性态，还考虑了震后结构的修复及功能的恢复。基于抗震韧性的抗震设计理念被认为是当前抗震设计领域最先进的理念，代表着结构抗震设计理论最新的发展方向。 弥补了基于性态的抗震设计方法的不足，在抗震设计中既考虑了地震时结构的性态，又考虑了结构在震后的恢复能力。 目前基本停留在概念、指标和评价方法的讨论上，尚未形成用于设计的理论框架，仍需研究探索。 美国联邦紧急事务委员会（FEMA） 
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[1] [日]柴田明德, 2020. 结构抗震分析(第3版). 曲哲, 译. 北京: 中国建筑工业出版社. [2] 龚思礼, 王广军, 1994. 建筑抗震设计. 北京: 中国建筑工业出版社. [3] 国家市场监督管理总局, 国家标准化管理委员会, 2020. GB/T 38591—2020 《建筑抗震韧性评价标准》. 北京: 中国标准出版社. State Administration of Market Supervision, State Standardization Administration, 2020. GB/T 38591—2020 Standard for seismic resilience assessment of buildings. Beijing: Standards Press of China. (in Chinese) [4] 郭迅, 王波, 2019. 建设韧性城乡的技术途径. 震害防御技术, 14(1): 52—59Guo X. , Wang B. , 2019. The way to build resilient urban and rural areas. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 14(1): 52—59. (in Chinese) [5] 胡聿贤, 2006. 地震工程学（第二版）. 北京: 地震出版社Hu Y. X. , 2006. Earthquake engineering. 2nd ed. Beijing: Seismological Press. (in Chinese) [6] 李雪, 余红霞, 刘鹏, 2018. 建筑抗震韧性的概念和评价方法及工程应用. 北京: 建筑结构, 48(18): 1—7Li X. , Yu H. X. , Liu P. , 2018. Resilience-based seismic performance concept, assessment methodology and engineering application. Building Structure, 48(18): 1—7. (in Chinese) [7] 吕西林, 周颖, 陈聪, 2014. 可恢复功能抗震结构新体系研究进展. 地震工程与工程震动, 34(4): 130—139Lv X. L. , Zhou Y. , Chen C. , 2014. Research progress on innovative earthquake-resilient structural systems. Earthquake Engineering and Engineering Dynamics, 34(4): 130—139. (in Chinese) [8] 王光远, 吕大刚, 1999. 基于最优设防烈度和损伤性能的抗震结构优化设计. 哈尔滨建筑大学学报, 32(5): 1—5Wang G. Y. , Lv D. G. , 1999. Optimum design of aseismic structures based on optimal fortification intensity and damage performance. Journal of Harbin University of Civil Engineering and Architecture, 32(5): 1—5. (in Chinese) [9] 汪梦甫, 周锡元, 2003. 基于性能的建筑结构抗震设计. 北京: 建筑结构, 33(3): 59—61Wang M. F. , Zhou X. Y. , 2003. Performance-based earthquake resistive design for building structures. Building Structure, 33(3): 59—61. (in Chinese) [10] 谢礼立, 马玉宏, 2002. 基于抗震性态的设防标准研究. 地震学报, 24(2): 200—209 doi: 10.3321/j.issn:0253-3782.2002.02.011Xie L. L. , Ma Y. H. , 2002. Studies on performance-based seismic design criterion. Acta Seismologica Sinica, 24(2): 200—209. (in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:0253-3782.2002.02.011 [11] 谢礼立, 马玉宏, 2003. 现代抗震设计理论的发展过程. 国际地震动态, (10): 1—8 doi: 10.3969/j.issn.0253-4975.2003.10.001Xie L. L. , Ma Y. H. , 2003. The development process of the modern earthquake resistant design theory. Recent Developments in World Seismology, (10): 1—8. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.0253-4975.2003.10.001 [12] 张建新, 李辉, 李青宁, 2014. 建筑结构抗震设计理论发展. 四川建筑科学研究, 40(4): 238—241. doi: 10.3969/j.issn.1008-1933.2014.04.058 [13] 张敏政, 2015. 地震工程的概念和应用. 北京: 地震出版社. [14] 张桦, 2016. 基于性能的抗震设计发展及研究现状. 四川建材, 42(4): 53—54, 56. doi: 10.3969/j.issn.1672-4011.2016.04.026 [15] 中国工程建设标准化协会, 2004. CECS160: 2004 建筑工程抗震性态设计通则（试用）（附条文说明）. 北京: 中国计划出版社. China Association for Engineering Construction Standardization, 2004. CECS160: 2004 General rule for performance-based seismic design of buildings. Beijing: China Planning Publishing House. (in Chinese) [16] 中华人民共和国住房和城乡建设部, 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 2010. GB 50011—2010 建筑抗震设计规范 （附条文说明） （2016年版）. 北京: 中国建筑工业出版社.Ministry of Housing and Urban Rural Development of the People's Republic of China, General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People's Republic of China, 2010. GB50011—2010 Code for seismic design of buildings. Beijing: China Building Industry Press. (in Chinese) [17] 周颖, 吕西林, 2011. 摇摆结构及自复位结构研究综述. 北京: 建筑结构学报, 32(9): 1—10Zhou Y. , Lv X. L. , 2011. State-of-the-art on rocking and self-centering structures. Journal of Building Structure, 32(9): 1—10. (in Chinese) [18] Almutfti I, Wilford. M. R, 2013. Resilience-based earthquake design(REDi) rating system. Arup, version 1.0[J]. Arup Group, London, United Kingdom. [19] Bertero R. D. , Betero V. V. , 2002. Performance-based seismic engineering: The need for a reliable conceptual comprehensive approach. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 31(3): 627—652. [20] Bertero V. V. , 1996. Overview of seismic risk reduction in urban areas: role importance, and reliability of current U. S. seismic codes: Performance-based seismic engineering. Proceedings of China-United State Bilateral Workshop on Seismic Codes. Guangzhou, China. [21] FEMA, 2012. Next-generation methodology for seismic performance assessment of buildings. Washington DC: Applied Technology Council for the Federal Emergency Management Agency. [22] Holling C. S. , 1973. Resilience and stability of ecological systems. Annual Review of Ecology and Systematics, 4: 1—23. doi: 10.1146/annurev.es.04.110173.000245 [23] IAEE, 1996. Earthquake resistant regulation a word list. Tokyo: International Association for Earthquake Engineering. [24] Krawinkler H. , 1996. A few basic concepts for performance based seismic design. In: Proceedings of the 11th World Conference on Earthquake Engineering, Acapulco Mexico. Oxford: Pergamon. [25] Krawinkler H. , 2002. A general approach to seismic performance assessment. In: Proceedings of the International Conference on Advances and New Challenges in Earthquake Engineering Research. Hong Kong. [26] Mayes R. L. , Reis E. , 2015. US Resiliency Council (USRC): Rating Buiding performance in Earthquakes and other Natural Hazards. Proceeding of 2015 SEAOC Convention. -
