現代抗震設計理論是如何發展的?

2020-12-04 四川省地震局

破壞性地震引起的人員傷亡和經濟損失

主要是由於地震時產生的巨大能量

使得建築物、工程設施發生的破壞和倒塌

以及伴隨的次生災害造成的

要想最大限度地減輕地震災害

工程建設時必須進行科學合理的抗震設防

古往今來

人類在適應自然和改造自然的過程中

不斷地探索抵禦地震的方法

但限於古時候的科技發展水平和實踐能力

一直沒有形成系統科學的抗震設防方法

經歷了一個世紀的發展

隨著人們對地震特性和結構理解的不斷加深

結構抗震設計理論從

最初的靜力階段和反應譜階段

發展到動力階段

及目前的基於性態的抗震設計理論階段

靜力理論階段 20世紀10~40年代

大森房吉

靜力理論是指估計地震力時,不考慮地震的動力特性和結構的動力性質(變形和阻尼),假定結構為剛性,地震力水平作用在結構或構件的質量中心上,其大小相當於結構的重量乘以一個比例常數。

靜力理論最初起源於日本:1900年大森房吉提出了地震力理論,認為地震對工程設施的破壞是由於地震產生的水平力作用在建築物上的結果。1916年佐野利器提出的「家屋耐震構造論」,引人了震度法的概念,從而創立了求解地震作用的水平靜力抗震理論。在20世紀20-30年代,日本存在剛性和柔性兩種理論。在這期間,還提出了消震隔震減震理論、能量耗散理論和抗震設計的能量理論。

反應譜理論階段 20世紀40~60年代

喬治·豪斯納(George W. Housner)

反應譜理論的發展是伴隨著強地震動加速度觀測記錄的增多,以及對結構動力反應特性的研究而發展起來的。

1932年美國研製出第一臺強地震記錄儀,並於1933年3月長灘地震中取得了第一個強震記錄,這為反應譜理論在抗震設計中的應用創造了基本條件。

40年代,比奧特(Biot)從彈性體系動力學的基本原理出發,基于振型分解的途徑為建立結構抗震分析的系統性方法做了推演,從而明確提出了反應譜的概念。

50年代,豪斯納(Housner)精選若干有代表性的強震加速度記錄進行處理,採用電模擬計算機技術最早完成了一批反應譜曲線的計算,並將這些結果引人加州的抗震設計規範中應用,使得反應譜法的完整架構體系得以形成。

動力理論階段 20世紀70~80年代

隨著60年代電子計算機技術和試驗技術的發展,人們對各類結構在地震作用下的線性與非線性反應過程有了較多的了解,同時隨著強震觀測臺站的不斷增多,各種受損結構的地震反應記錄也不斷增多,這促進了結構抗震動力理論的形成。

動力法把地震作為一個時間過程,選擇有代表性的地震加速度時程作為地震動輸入,建築物簡化為多自由度體系,計算得到每一時刻建築物的地震反應,從而完成抗震設計工作。

基於性態的抗震設計理論階段

在20世紀80年代末、90年代初期,美國科學家和工程師提出了基於結構性態的抗震設計理論的新概念,這是工程抗震發展史上的一個重要裡程碑。

日本在繼美國學者提出基於結構性態的抗震設計理論之後,1996年3月,日本政府宣布建築法標準將按基於性態要求進行修訂,以達到國際一體化要求,《日本建築法規》於2000年正式採用了基於性態的設計概念的能力譜法。

我國在學習借鑑世界其他國家抗震研究成果的基礎上,逐漸形成了自己一套較為先進的抗震設計思路。對建築抗震提出了「三個水準」的設防目標,即通常所說的「小震不壞,中震可修,大震不倒」。

小震不壞--當遭受低於本地區地震基本烈度的多遇地震影響時,一般不受損壞或不修理可繼續使用。

中震可修--當遭受相當於本地區地震基本烈度的地震影響時,可能損壞,經一般修理或不需修理仍可繼續使用。

大震不倒--當遭受高於本地區抗震設防烈度預估的罕遇地震時,不致倒塌或發生危及生命的嚴重破壞。

參考資料:《現代抗震設計理論的發展過程》謝禮立,馬玉宏;《淺談我國抗震設計的實現方式和不足》張青。

來源:濟震微訊

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