地震動是造成工程結構地震破壞的原因，定量評估地震動對結構的破壞作用對于合理選取設計地震動進行抗震輸入非常重要。全世界地震工程科學家和工程師面臨的一個始終未解決的難題是：怎樣科學地評價地震動對工程的破壞作用，以及怎樣對迄今為止實際記錄到的大量強震動記錄按其對工程破壞強弱進行比較和排序。本書從地震動記錄本身特征出發，逐步介紹了地震動參數計算、不同結構的類別劃分、地震破壞機制分析、地震動破壞強度定量排序及其影響因素分析以及基于超越概率的地震動破壞強度確定等方面的內容。

前 言

眾所周知，大地震時產生的強烈地震動是造成土木工程結構地震破壞的最重要的原因。雖經幾代人百余年的努力，但到目前為止結構工程師仍無法確定結構未來將會遭遇或者承受什么樣的地震動作用，更不清楚按照現行抗震設計規范規定的或者地震動危險性分析給出的設計地震動所設計的結構在未來的地震中會面臨多大的風險。造成這些問題的主要原因，一方面是因為影響地震動破壞作用的參數（如加速度值、速度值、位移值、持時、頻譜組成等）較多，即使在同樣幅值的地震動作用下也會造成結構不同程度的破壞效果，甚至幅值較小的地震動的破壞作用還大于幅值更大的地震動；另一方面是因為結構種類繁多，不同的結構由于其周期、阻尼、非線性特性、結構破壞機制等的不同，也同樣會在相同的地震動作用下產生大相徑庭的破壞后果。這是全世界地震工程科學家和工程師百余年來一直面臨的設計尷尬和難題，即：怎樣科學地評價地震動對工程的破壞作用，以及怎樣對迄今為止在實際強烈地震中記錄到的大量強地震動記錄按其對工程結構的破壞強弱進行比較和排序？

為了解決這個難題，本研究將現有結構按其自振周期分為三類，按結構所在的場地分為四類，對不同結構的類別采用不同的破壞機制，并進一步考慮結構的非線性水平對地震動破壞作用的影響，將數以萬計的實際測錄到的強地震動記錄按照它們對結構的破壞作用的強烈程度進行排序，最終以超越概率的形式給出不同強度水平的推薦設計地震動記錄，并進行了工程實例的驗證和應用。按這種方法給出的排序地震動將為設計人員提供一個合理的設計地震動數據庫，從而可以定量地控制所設計結構可能面臨的未來地震風險。

本研究歷經二十余年，獲得以下四個方面的研究成果：

（1）提出了按照結構的自振周期和響應特征對結構進行分類的方法。將結構按自振周期分成三類：剛性、剛-柔性和柔性。假定同一類別的結構有相同的破壞機制，不同類別的結構破壞機制不同。研究表明結構周期段劃分越精細，得到的地震動排序越精確。此外還同時考慮了場地因素對結構周期段劃分的影響，最終得到了與場地相關的結構周期段分類的結果，為按照結構類別進行地震動排序提供了基礎。

（2）厘清了不同類別結構的地震破壞機制，在統計意義上，分別確定了剛性、剛-柔性和柔性結構的各自破壞機制。并在此基礎上證實了地震動對剛性結構的破壞作用取決于地震動的加速度幅值的大小，對剛-柔性和柔性結構的破壞作用主要取決于地震動的速度幅值的強弱，為基于破壞強度的地震動排序提供了依據。

（3）揭示了結構的非線性程度對結構地震響應值及其響應排序的影響。在不同的地震動作用下，在幾乎所有的土木工程結構中可能出現的非線性程度范圍內，發現結構的非線性程度對其響應都會有顯著影響，但是對結構響應的排序幾乎沒有影響，這一結論為地震動排序提供了十分重要的理論基礎。

（4）對迄今為止世界上通過實際觀測得到的數萬條強地震動記錄提出了基于超越概率表征的設計地震動的排序，從而能可靠地給出按此排序設計的抗震結構未來可能面臨的地震破壞風險。

內容介紹

本書介紹了國內外挑選輸入地震動方法以及研究地震動強度指標和結構響應內在聯系的發展和現狀，盡可能多地選取了地震動記錄和地震動參數，并通過相關性分析選出相對獨立的代表性參數，明確不同結構在地震作用下的響應指標，并對結構進行分類，對地震動破壞參數與不同結構響應的離散性進行分析，最終確定不同工況下與結構響應相關性最好的地震動破壞參數，以超越概率的形式表示地震動對不同結構的破壞強度，并給出推薦輸入地震動記錄。具體研究內容如下：

1

緒論

對本書的研究背景和選題意義進行了論述，介紹了目前國內外抗震設計時強震記錄選取以及地震動破壞參數和結構響應相關性分析的研究現狀和進展，探討了目前結構抗震設計面臨的問題。針對目前面臨的問題提出了“強地震動按破壞強度定量排序研究”的目標和關鍵科學問題，論述了“強地震動按破壞強度定量排序”的基本思路和框架，并對涉及的專業名詞進行了解釋。

2

地震動記錄和地震動參數的選取

本章一方面詳細論述了NGA-West2數據庫、KiK-NET數據庫、VDC數據庫等地震動數據庫，最終通過對比和分析選取了NGA-West2數據庫作為本書數據來源。從中選取PGA大于50Gal的水平向地震動記錄作為具有潛在破壞能力的地震動記錄集合。另一方面合理地選取地震動參數描述地震動的潛在破壞能力。對初選的17個地震動參數進行相關性分析，最終選取了PGA、PGV、PGD、Du、Db和Ds共6個代表性地震動參數作為初步排序標準。

3

結構周期段劃分

本章首先詳細闡述了基于自振周期進行結構周期段劃分的意義，對目前結構周期段劃分的研究現狀進行了論述。主要采用多種方法基于周期對剛性結構、剛-柔性結構以及柔性結構的周期范圍進行了重新劃分，將基于改進的Newmark-Hall方法劃分結果與基于聚類分析得到的周期范圍劃分結果進行對比。最終在考慮場地分類的基礎上給出了0～10s范圍內的結構周期段劃分數量以及周期段劃分范圍。

4

結構非線性對響應排名的影響

分別在剛性結構、剛柔結構和柔性結構周期段內，分析了平均加速度、速度以及位移響應排序與不同周期條件下響應排序的離散性。并對不同響應指標排序的離散性進行了對比分析，在不同結構內選取最佳的結構響應指標作為損傷指數，并基于確定的損傷指數建立損傷指數排序，并對可能影響損傷指數排序合理性的場地類別、周期以及屈服強度系數進行了分析。最終建立了用于表征剛性結構、剛-柔性結構和柔性結構損傷的地震動破壞強度排序。

5

地震動破壞參數和損傷指數排名離散性分析

首先在不同結構周期段內建立大量代表性結構，分析了不同損傷指數與不同結構響應之間的相關性。并且分析不同地震動參數與MDOF結構損傷之間的相關性。論證在不同結構內建立的損傷指數排序的合理性，同時基于MDOF結構揭示了地震動參數與結構損傷之間的關系。

6

基于超越概率的設計地震動選取

將地震動破壞強度排序與超越概率相結合，以超越概率的形式表征地震動破壞強度，確定了每一條地震動在不同場地、結構周期段內對結構破壞的風險水平。并且給出了表征不同地震動破壞強度的超越概率對應的推薦設計地震動，并基于實際工程結構論證了推薦設計地震動的合理性。

在2024年意大利舉辦的第18屆世界地震工程大會上，中國工程院院士謝禮立研究員被國際地震工程協會（IAEE）授予“國際地震工程大師”稱號，并做以本專著成果為主題的大師報告。

作者簡介

謝禮立中國工程院首批院士，江漢大學名譽教授，中國地震局工程力學研究所名譽所長，中國地震工程聯合會會長。曾連續十年擔任聯合國《國際減災十年》特設專家組專家。曾任國際地震工程協會副主席、國際地震學與地球內部物理學協會執行理事和國際強地震學學會主席等職務。謝禮立主要研究領域是地震工程與安全工程，城市防震減災能力評估，工程抗震設防標準，抗震設計規范研究等。他是國際上最早提出城市抗震韌性的理念并率先進行研究的少數學者之一，是中國防災工程和安全工程研究的開拓者，也是我國唯一被國際地震工程協會授予最高和終身名譽理事稱號和“國際地震工程大師”的學者。本專著相關研究成果《Ranking strong earthquake ground motion recordings based on the degree of damage to structures caused by the whole time history》已由國際地震工程協會（IAEE）出資公開發行，免費贈送全世界100多個國家約5000名專家以推廣應用。謝禮立的主要研究成果《建筑結構基于性態的抗震設計理論、方法及應用》曾獲國家科技進步獎一等獎1項，以及黑龍江省最高科技獎及省部級科技進步獎10余項。

胡進軍中國地震局工程力學研究所研究員，博士生導師。主要從事地震動特征與強度指標研究，主持國家自然科學基金等項目10余項，發表學術論文100余篇，編寫《建筑工程性態抗震設計通則》等地震行業標準4部，獲國家科技進步一等獎和省部級科技進步一等獎多項，培養碩士、博士研究生30余名。

來慶輝溫州理工學院副教授，主要從事建筑、橋梁抗震設計地震動選取，地震動破壞強度定量排序等相關研究。主持國家自然科學基金青年項目1項，在國內外學術刊物上發表論文10余篇，授權發明專利7項，軟件著作權1項。

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本書可供地震工程、結構工程、土木工程等專業的技術人員以及高等院校和科研院所的教師和研究生參考。

本文摘自科學出版社2025年3月出版《強地震動按破壞強度的排序研究》一書，內容有刪節。標題為編者所加。

（本文編輯：王運 wangyun@mail.sciencep.com）

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