杨博士专刊 | 建筑抗震设计假定之三（技术进步的机遇与挑战）

上期文章《建筑抗震设计假定之二》（他山之石，亦非玉）得到了如下结论：

1) 中、美、欧、日等国建筑抗震设计理论、方法和标准规范既存在一定差异性，也存在较多的共同点；

2) 认为国外抗震设计，尤其美国抗震设计是“先进的中震弹塑性设计”是不正确的，基于美国建筑抗震规范的设计既非“中震”、也非“弹塑性”，更谈不上本质性的“先进”；

3) 在适应计算能力和计算方法迅速发展方面，中、美、欧、日等国建筑抗震标准规范均明显不足，可进步空间巨大。

本期文章我们回顾一下抗震设计理论的发展史，再审视一下抗震设计方法面临的进步机遇与挑战。

建筑抗震设计方法进步的机遇是什么？

算力，算力的显著提高是技术进步的最重要契机之一！

中国抗震设计方法的发展历程

(一)

《工业与民用建筑抗震设计规范》 TJ 11-74、78直接进行基本烈度地震（中震）单一水准设计；水平地震作用计算采用底部剪力法简化方法，结构强度验算通过手工计算即可完成；规范主要内容为抗震构造措施的规定；无结构变形验算要求，无罕遇地震规定和弹塑性分析内容。

《建筑抗震设计规范》 GBJ 11-89首次提出了“小震不坏、中震可修、大震不倒”三水准设防要求，给出了小震内力、变形与大震变形两阶段设计方法；水平地震作用计算除保留底部剪力法简化方法外，提出了可采用振型分解反应谱法和时程分析法；罕遇地震变形验算采用等效弹性简化计算方法。

《建筑抗震设计规范》 GB 50011-2001提出了复杂结构多遇地震内力与变形分析应采用不少于两个不同的力学模型；罕遇地震变形验算除保留等效弹性简化计算方法外，增加了静力弹塑性分析与弹塑性时程分析方法；增加了隔震和消能减震设计相关内容。

《建筑抗震设计规范》 GB 50011-2010新增了抗震性能化设计方法。

《建筑抗震设计规范》 GB 50011-2010（2016年版）主要适应了《中国地震动参数区划图》 GB 18306-2015所做的调整。

可以看出：

1）74、78抗震规范采用“一水准设防、一阶段设计”基本原则，给出的抗震设计方法适用于手算；

2）89抗震规范首次提出了“三水准设防、两阶段设计”基本原则，弹性分析反应谱方法成为抗震设计的主流方法；

3）01抗震规范增加了罕遇地震静力弹塑性分析与弹塑性时程分析方法；

4）10规范给出了抗震性能化设计方法。

建筑抗震设计方法与计算能力进步是紧密联系在一起的。

抗震设计方法需进步之处

(二)

目前阶段由于计算能力的显著提高，建筑抗震设计方法又到了再一次进步的时间窗口。这种进步可能性不仅限于中国抗震标准规范，也是其他国家抗震标准规范共同面对的机遇与挑战。如果能够抓住机遇，中国抗震分析与设计方法、抗震理论与标准规范是有可能走到世界前列的。

各国抗震设计方法面对的共同问题：

1）一阶段设计能满足多性能抗震目标吗？

前面文章中详细介绍了中美两国抗震规范中对抗震性能目标的规定。中国抗震规范规定的抗震性能目标为“小震不坏、中震可修、大震不倒”，多数结构只需进行基于小震线弹性分析结果的构件极限承载力设计，这种“一阶段设计”方法显然难以充分实现“三水准目标”。美国抗震规范（NEHRP）规定的抗震性能目标同样包含“不坏、可修、不倒”等内容，美国抗震规范给出的设计方法并非“先进的中震弹塑性设计”方法，其“一阶段设计”方法与中国规范给出的设计结果并无本质差别，其抗震设计理论同样包含大量前提假定和待进步之处。

一阶段设计难以满足多性能抗震目标，目前各国抗震规范规定的“一阶段设计”方法是在计算能力有限条件下的无奈之举，均随计算能力的提高有很大发展进步空间。

2）线弹性分析结果能体现结构真实受力状态吗？

中国抗震规范给出的“罕遇地震”、“设防地震”和“多遇地震”的地震作用比例关系大致为6:3:1；美国规范给出的“最大考虑地震”、“设防地震”和“设计地震”的地震作用比例关系大致（为简化说明问题，未考虑结构重要性系数和刚度折减系数等因素）为1.5:1:1/(3~8)。

从历次震害经验可以知道，在“大震”、“中震”和“小震”时，建筑结构普遍处于“强非线性”、“部分非线性”和“基本线弹性”受力状态。通过一阶段线弹性分析体现各地震水准结构真实受力状态是不现实的。另外需要再次强调，通过上篇文章的讨论可以看出，美国抗震规范中给出的不同类型结构“延性系数”和构件“刚度折减系数”只是起到了客观上降低地震作用（或构件内力）的效果，并非主观上希望做到的“弹塑性设计”，同样难以体现“设防地震”和“最大考虑地震”时结构真实的受力状态。

3）抗震措施与构造措施可充分补充现有抗震设计方法不足吗？

抗震措施和构造措施确实可一定程度上补充现有一阶段线弹性设计方法的不足，但难以做到令人满意的合理和充分。我们曾研究和讨论过如下问题：进行“强柱弱梁”调整后，结构仍普遍为“弱柱强楼盖”；各国规范给出的框架—剪力墙结构“0.2V0调整”方法不同，且沿高度得到的调整系数与非线性仿真分析结果差异较大；全楼统一连梁刚度折减系数误差很大（美国规范给出的连梁、梁、柱和剪力墙的刚度折减系数误差会更大）；基于线弹性分析的减震结构附加阻尼比和隔震结构水平向减震系数计算方法存在较大误差等等。

抗震措施和构造措施难以充分补充现有抗震设计方法不足，原因如下：

a）抗震措施与构造措施源于经验，过往经验难以覆盖新结构体系和最新科学认知；

b）抗震措施与构造措施一般以“放大”的方式使得结构更加安全，难以在“安全性”与“经济性”之间达到更恰当的平衡；

c）一旦规定了某种抗震措施和构造措施，往往因为“首次话语权”的威力，可能几十年无法取消或改变，即使我们已充分证明这种做法已不再科学合理。

4）抗震设计方法与计算能力的发展同步吗？

《建筑抗震设计规范》 GBJ 11-89给出了“三水准设防、两阶段设计”抗震设计的基本思路（多数结构只需一阶段设计）。这种规定在当时的计算能力历史条件下是先进的，即使是现在，“三水准设防”仍然是世界先进的，值得继续坚持和更大范围推广。但是三十多年过去了，计算能力已发生了天翻地覆的变化，多数结构仍然继续基于线弹性分析做一阶段设计就值得商榷了，这会明确阻碍结构工程专业的发展和结构工程师的价值体现。

《建筑抗震设计规范》 GB 50011-2001提出了复杂结构罕遇地震弹塑性分析方法，但从二十多年的实践看，非线性分析方法并未发挥应有的作用：

a）按规范规定，多数结构不需要进行非线性分析，只有少数“复杂超限”结构才需要进行非线性分析；

b）即使是“复杂超限”结构，非线性分析也基本上会流于形式，换换波、换换软件就能通过“大震变形验算”，怎么能被结构工程师认真对待？

c）所有结构都应面对的“大震不倒”，变成了少数结构的层间位移角能否满足规范限值问题，这不让人担心和需要进步吗？

结论

(三)

通过回顾中国建筑抗震理论的发展史，审视抗震设计方法面临的进步机遇与挑战，可以得出如下结论：

1) 一阶段设计难以满足多水准抗震性能目标，线弹性分析结果难以体现结构真实受力状态，抗震措施与构造措施不能充分补充抗震设计方法不足；

2) 伴随计算能力的显著提高，建筑抗震设计方法将迎来新进步机遇；

3) 若能积极应对，中国建筑抗震分析与设计方法、抗震理论与标准规范有走到世界前列的可能。

下期文章我们讨论“三水准设防、三阶段设计”的可行性。