结构抗震设计理论发展历史与展望

摘 要 ：本文介绍了抗震设计理论与技术的发展历史与展望，指出传统的依赖结构延性的抗震措施是以一定的损伤为代价减小地震反应，而现代的抗震技术是通过在不同阶段采取震动方法控制措施，采用不同的积极抗震方法，对地面运动和结构本身不确定性的地适应能力更强，可以提高结构在地震作用下的安全性。此外尚应在不同学科和专业之间开展合作和交叉研究，开发使用的装置、机构和配套技术，尽快形成新的产业，以支持新技术的推广应用。

关键词：抗震；发展；减振；振动控制；交叉研究

一、传统的抗震方法

（一）概念设计的一些原则

1.总体屈服机制。例如强柱弱梁。

2.刚度与延性均衡。砌体结构中为提高延性设构造柱与圈梁，形成一个较弱的框架。

3.强度均匀。结构在平面和立面上的承载力均匀。

4.多道抗震防线。

5.强节点设计。

6.避开场地卓越周期区。

（二）在此基础上作结构地震反应分析方法主要有：1.地震荷载法；2.振型分解法；3.动力时程分析法。现在还发展了push-over法、能力谱等方法。

（三）传统抗震方法的缺点与不足传统抗震结构主要利用主体结构构件屈服后的塑性变形能和滞回耗能来耗散地震能量，这使得这些区域的耗能性能变得特别重要，而一旦由于某些因素导致这些区域产生问题，将严重影响到结构的抗震性能，产生严重破坏，由于破坏部位位于主要结构构件，其修复是很难进行的。由于传统抗震结构是以防止结构倒塌为目标，其抗震性能在很大程度上依赖于结构（构件）的延性，以往的许多研究也注重于提高结构（构件）的延性方面，却忽略了对结构损伤程度的控制。

（四）传统的抗震方法在提高结构性能方面有较多困难。

传统抗震结构的耗能能力主要依赖于主体结构的延性。既要求主体结构强度高，又要求延性好，很难实现。

1.框架结构

许多研究者推荐强柱弱梁体系作为最合适的抗震框架体系。该体系可将地震输入能量分散在结构的许多部位耗散掉，甚至可以控制塑性铰出现的顺序与部位，延性对于使建筑物在罕遇地震中保存下来固然很重要，但这些预期的塑性铰区在中等程度的地震中也会产生，延性也同时应被看作是一种“破坏”。后期修复费用也很高。

2.剪力墙结构

剪力墙结构体系具有抗侧刚度大，在水平地震作用下的侧移小，其总的水平地震作用也大等特点，常见的震害一般来说为墙面的斜向裂缝或是底部楼层的水平施工缝发生水平错动，当底部屈服后，剪力墙的抗侧作用就很小，且剪力墙的耗能也基本集中与底部塑性铰区域，上部墙体对抵御强震无显著作用。而且剪力墙要承担一定的竖向荷载，因此底部的破坏也十分难修复。

3.框架-剪力墙结构

从抗震概念设计来说，框架-剪力墙结构具有了多道抗震防线。有框架和墙体组成的抗震结构中，框架的刚度小，承担的地震作用力小，而弹性极限变形值和延性却较小。整个结构在地震作用下，墙体很快超过自身的较小弹性极限变形，出现裂缝，水平承载力下降，此时框架尚未充分发挥自身的水平抗力；墙体开裂后，框架承担的地震力增大，同时由于结构刚度的变化，地震作用效应也发生了变化。但无论是剪力墙还是框架，都是主体结构的一部分，损伤坏后的修复工作都是比较困难的，而且花费也不小。

二、减振、隔震和振动控制的现状

鉴于上述传统抗震方法的缺点与不足，并在全部了解地震引起结构震动的全过程。由震源产生地震动，通过传播途径传递到结构上，从而引起结构的震动反应。通过在不同阶段采取震动方法控制措施，就成为不同的积极抗震方法。大致包括以下四点：

震源消震；

传播途径隔震；

结构被动减震；

反应主动减震

主动减震是根据结构的地震反应，通过地震系统地执行机，主动给结构施加控制力，达到减小结构震动的目的。有以下优点：

1.能大大减小结构所收得的地震作用，从而可减低结构造价，提高结构抗争的可靠度。

2.能大大减小结构在地震作用下的变形，保证非结构构件不受地震破坏，从而减少震后维修费用。

3.隔震、减震装置即使震后产生较大的永久变形或损坏，其复位、更换、维修结构构件方便、经济。

4.用于高技术精密加工设备、核工业设备等的结构物，只能用隔震、减震的方法满足严格的抗震要求。

三、结论与结构抗震的未来

传统的依赖结构延性的抗震措施是以一定的损伤为代价减小地震反应，应用见证效能技术则可以减小结构本身的损伤，对各类结构基本上能使用，其减震效果对地面运动特性依赖性较小，耗资也不是很大，因此是可以广泛使用的方法。值得注意的是增大阻尼在减小结构相对位移反应和变形的过程中有时会使结构的绝对速度和加速度增大，从而对内部设备和人员带来某些不利影响。

基础隔震对在短周期内地面运动影响下的中短周期结构而言，其减震效果比消能技术更好，但对地面运动输入特性比较敏感，不能完全消除共振的危险性。半主动控制和混合控制方法可以满足不同的设防要求，对地面运动和结构本身不确定性的地适应能力更强，可以提高结构在地震作用下的安全性，引入智能元件以后，效果会更好，因此是值得重视的新领域。

此外，应在不同学科和专业之间开展合作和交叉研究，开发使用的装置、机构和配套技术，尽快形成新的产业，以支持新技术的推广应用。结构振动控制的研究和应用需要讲传统的建造技术与高新技术相结合，使结构的安全保障系统成为智能结构的重要组成部分，为人类营造一个更加安全舒适的工作和生活环境。

参考文献：

[1]周福霖，高层建筑结构减震控制优化设计新体系

[2]周锡元，阎维明，杨润林，建筑结构的隔震、减振和振动控制，建筑结构学报，2002.4

[3]谢礼立，马玉宏，现代抗震设计理论的发展过程，国际地震动态，2003.10

作者简介：汤 欢（1989-），男，四川德阳人，研究方向：结构工程。

乔雨蒙（1989-），男，河南驻马店人，研究方向：桥梁工程。