地震動是造成工程結(jié)構(gòu)地震破壞的原因，定量評估地震動對結(jié)構(gòu)的破壞作用對于合理選取設(shè)計地震動進(jìn)行抗震輸入非常重要。全世界地震工程科學(xué)家和工程師面臨的一個始終未解決的難題是：怎樣科學(xué)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(qiáng)震動記錄按其對工程破壞強(qiáng)弱進(jìn)行比較和排序。《強(qiáng)地震動按破壞強(qiáng)度的排序研究》從地震動記錄本身特征出發(fā)，逐步介紹了地震動參數(shù)計算、不同結(jié)構(gòu)的類別劃分、地震破壞機(jī)制分析、地震動破壞強(qiáng)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(qiáng)度確定等方面的內(nèi)容。

強(qiáng)地震動按破壞強(qiáng)度的排序研究

謝禮立,胡進(jìn)軍,來慶輝著

北京:科學(xué)出版社，2025.3

ISBN978-7-03-080806-6

前 言

眾所周知，大地震時產(chǎn)生的強(qiáng)烈地震動是造成土木工程結(jié)構(gòu)地震破壞的最重要的原因。雖經(jīng)幾代人百余年的努力，但到目前為止結(jié)構(gòu)工程師仍無法確定結(jié)構(gòu)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(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定的或者地震動危險性分析給出的設(shè)計地震動所設(shè)計的結(jié)構(gòu)在未來的地震中會面臨多大的風(fēng)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(shù)（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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)種類繁多，不同的結(jié)構(gòu)由于其周期、阻尼、非線性特性、結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制等的不同，也同樣會在相同的地震動作用下產(chǎn)生大相徑庭的破壞后果。這是全世界地震工程科學(xué)家和工程師百余年來一直面臨的設(shè)計尷尬和難題，即：怎樣科學(xué)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(qiáng)烈地震中記錄到的大量強(qiáng)地震動記錄按其對工程結(jié)構(gòu)的破壞強(qiáng)弱進(jìn)行比較和排序？

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

本研究歷經(jīng)二十余年，獲得以下四個方面的研究成果：

（1）提出了按照結(jié)構(gòu)的自振周期和響應(yīng)特征對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類的方法。將結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)有相同的破壞機(jī)制，不同類別的結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制不同。研究表明結(jié)構(gòu)周期段劃分越精細(xì)，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(jié)構(gòu)周期段劃分的影響，最終得到了與場地相關(guān)的結(jié)構(gòu)周期段分類的結(jié)果，為按照結(jié)構(gòu)類別進(jìn)行地震動排序提供了基礎(chǔ)。

（2）厘清了不同類別結(jié)構(gòu)的地震破壞機(jī)制，在統(tǒng)計意義上，分別確定了剛性、剛-柔性和柔性結(jié)構(gòu)的各自破壞機(jī)制。并在此基礎(chǔ)上證實了地震動對剛性結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的破壞作用主要取決于地震動的速度幅值的強(qiáng)弱，為基于破壞強(qiáng)度的地震動排序提供了依據(jù)。

（3）揭示了結(jié)構(gòu)的非線性程度對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)值及其響應(yīng)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(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)的非線性程度范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的非線性程度對其響應(yīng)都會有顯著影響，但是對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的排序幾乎沒有影響，這一結(jié)論為地震動排序提供了十分重要的理論基礎(chǔ)。

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

內(nèi)容介紹

本書介紹了國內(nèi)外挑選輸入地震動方法以及研究地震動強(qiáng)度指標(biāo)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)內(nèi)在聯(lián)系的發(fā)展和現(xiàn)狀，盡可能多地選取了地震動記錄和地震動參數(shù)，并通過相關(guān)性分析選出相對獨立的代表性參數(shù)，明確不同結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)指標(biāo)，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，對地震動破壞參數(shù)與不同結(jié)構(gòu)響應(yīng)的離散性進(jìn)行分析，最終確定不同工況下與結(jié)構(gòu)響應(yīng)相關(guān)性最好的地震動破壞參數(shù)，以超越概率的形式表示地震動對不同結(jié)構(gòu)的破壞強(qiáng)度，并給出推薦輸入地震動記錄。具體研究內(nèi)容如下：

1

緒論

對本書的研究背景和選題意義進(jìn)行了論述，介紹了目前國內(nèi)外抗震設(shè)計時強(qiáng)震記錄選取以及地震動破壞參數(shù)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)相關(guān)性分析的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展，探討了目前結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計面臨的問題。針對目前面臨的問題提出了“強(qiáng)地震動按破壞強(qiáng)度定量排序研究”的目標(biāo)和關(guān)鍵科學(xué)問題，論述了“強(qiáng)地震動按破壞強(qiáng)度定量排序”的基本思路和框架，并對涉及的專業(yè)名詞進(jìn)行了解釋。

2

地震動記錄和地震動參數(shù)的選取

本章一方面詳細(xì)論述了NGA-West2數(shù)據(jù)庫、KiK-NET數(shù)據(jù)庫、VDC數(shù)據(jù)庫等地震動數(shù)據(jù)庫，最終通過對比和分析選取了NGA-West2數(shù)據(jù)庫作為本書數(shù)據(jù)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(shù)描述地震動的潛在破壞能力。對初選的17個地震動參數(shù)進(jìn)行相關(guān)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(shù)作為初步排序標(biāo)準(zhǔn)。

3

結(jié)構(gòu)周期段劃分

本章首先詳細(xì)闡述了基于自振周期進(jìn)行結(jié)構(gòu)周期段劃分的意義，對目前結(jié)構(gòu)周期段劃分的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了論述。主要采用多種方法基于周期對剛性結(jié)構(gòu)、剛-柔性結(jié)構(gòu)以及柔性結(jié)構(gòu)的周期范圍進(jìn)行了重新劃分，將基于改進(jìn)的Newmark-Hall方法劃分結(jié)果與基于聚類分析得到的周期范圍劃分結(jié)果進(jìn)行對比。最終在考慮場地分類的基礎(chǔ)上給出了0～10s范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)周期段劃分?jǐn)?shù)量以及周期段劃分范圍。

4

結(jié)構(gòu)非線性對響應(yīng)排名的影響

分別在剛性結(jié)構(gòu)、剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)周期段內(nèi)，分析了平均加速度、速度以及位移響應(yīng)排序與不同周期條件下響應(yīng)排序的離散性。并對不同響應(yīng)指標(biāo)排序的離散性進(jìn)行了對比分析，在不同結(jié)構(gòu)內(nèi)選取最佳的結(jié)構(gòu)響應(yīng)指標(biāo)作為損傷指數(shù)，并基于確定的損傷指數(shù)建立損傷指數(shù)排序，并對可能影響損傷指數(shù)排序合理性的場地類別、周期以及屈服強(qiáng)度系數(shù)進(jìn)行了分析。最終建立了用于表征剛性結(jié)構(gòu)、剛-柔性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)損傷的地震動破壞強(qiáng)度排序。

5

地震動破壞參數(shù)和損傷指數(shù)排名離散性分析

首先在不同結(jié)構(gòu)周期段內(nèi)建立大量代表性結(jié)構(gòu)，分析了不同損傷指數(shù)與不同結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間的相關(guān)性。并且分析不同地震動參數(shù)與MDOF結(jié)構(gòu)損傷之間的相關(guān)性。論證在不同結(jié)構(gòu)內(nèi)建立的損傷指數(shù)排序的合理性，同時基于MDOF結(jié)構(gòu)揭示了地震動參數(shù)與結(jié)構(gòu)損傷之間的關(guān)系。

6

基于超越概率的設(shè)計地震動選取

將地震動破壞強(qiáng)度排序與超越概率相結(jié)合，以超越概率的形式表征地震動破壞強(qiáng)度，確定了每一條地震動在不同場地、結(jié)構(gòu)周期段內(nèi)對結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險水平。并且給出了表征不同地震動破壞強(qiáng)度的超越概率對應(yīng)的推薦設(shè)計地震動，并基于實際工程結(jié)構(gòu)論證了推薦設(shè)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(xié)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(xué)名譽(yù)教授，中國地震局工程力學(xué)研究所名譽(yù)所長，中國地震工程聯(lián)合會會長。曾連續(xù)十年擔(dān)任聯(lián)合國《國際減災(zāi)十年》特設(shè)專家組專家。曾任國際地震工程協(xié)會副主席、國際地震學(xué)與地球內(nèi)部物理學(xué)協(xié)會執(zhí)行理事和國際強(qiáng)地震學(xué)學(xué)會主席等職務(wù)。謝禮立主要研究領(lǐng)域是地震工程與安全工程，城市防震減災(zāi)能力評估，工程抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，抗震設(shè)計規(guī)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(jìn)行研究的少數(shù)學(xué)者之一，是中國防災(zāi)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(xié)會授予最高和終身名譽(yù)理事稱號和“國際地震工程大師”的學(xué)者。本專著相關(guān)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(xié)會（IAEE）出資公開發(fā)行，免費贈送全世界100多個國家約5000名專家以推廣應(yīng)用。謝禮立的主要研究成果《建筑結(jié)構(gòu)基于性態(tài)的抗震設(shè)計理論、方法及應(yīng)用》曾獲國家科技進(jìn)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(jìn)步獎10余項。

胡進(jìn)軍中國地震局工程力學(xué)研究所研究員，博士生導(dǎo)師。主要從事地震動特征與強(qiáng)度指標(biāo)研究，主持國家自然科學(xué)基金等項目10余項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，編寫《建筑工程性態(tài)抗震設(shè)計通則》等地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4部，獲國家科技進(jìn)步一等獎和省部級科技進(jìn)步一等獎多項，培養(yǎng)碩士、博士研究生30余名。

來慶輝溫州理工學(xué)院副教授，主要從事建筑、橋梁抗震設(shè)計地震動選取，地震動破壞強(qiáng)度定量排序等相關(guān)研究。主持國家自然科學(xué)基金青年項目1項，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文10余篇，授權(quán)發(fā)明專利7項，軟件著作權(quán)1項。

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本書可供地震工程、結(jié)構(gòu)工程、土木工程等專業(yè)的技術(shù)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(xué)出版社2025年3月出版《強(qiáng)地震動按破壞強(qiáng)度的排序研究》一書，內(nèi)容有刪節(jié)。標(biāo)題為編者所加。

（本文編輯：王運 wangyun@mail.sciencep.com）

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