第1章绪论 地震以不期而至的巨大威力毁灭文明、吞噬生灵。人类社会进入21世纪仅10年，全球的地震罹难者已超过80万人，经济损失达千亿美元。最大限度减少地震带来的经济损失和人员伤亡是人类面临的长期任务。 1.1地震灾害和建筑 地震是一种自然现象，强烈地震不但可能引发地裂、滑坡、山崩、海啸、湖震、泥石流等灾害，改变人类赖以生存的自然环境； 而且还将大量摧毁人工设施，并导致火灾、水灾、有毒有害及放射性物质泄漏、疫病等次生灾害（图1.1.1,图1.1.2）。灾难性地震将造成重大人员伤亡和经济损失，扰乱人类正常的社会发展。 图1.1.12011年日本东部海域地震海啸摧毁 岩手县陆前高田市 图1.1.21995年日本阪神中神户市地震火灾 中国古代不乏有关地震灾害的文字记载。例如，《明嘉靖实录》对1556年陕西关中大地震的记载为： “嘉靖三十四年十二月壬寅，是日山西、陕西、河南同时地震，声如雷，鸡犬鸣吠。陕西渭南、华州、朝邑、三原等处和山西蒲州等处尤甚，或裂泉涌、中有鱼物，或城郭房屋陷于地中，或平地灾成山阜，或一日连震数次，或累日震不止。河渭泛涨，华岳、终南山鸣，河壅数日。压死官吏军民奏报有名者十二万有余，其不知名未经奏报者不可数计。” 图1.1.31976年唐山地震后的唐山市 1976年7月28日凌晨，中国唐山丰南一带发生7.8级大地震。百万人口的工业城市唐山瞬间成为一片废墟，占全部民用建筑96%的656136间房屋倒塌或严重破坏（图1.1.3）。北方工业重镇天津市遭受重创，远在100公里以外的首都北京震感强烈。从渤海湾到宁夏，从黑龙江到长江以北，华夏大地一片惊惧。地震共导致242769人死亡，435556人受伤； 直接经济损失约100亿元。 2008年5月12日的四川汶川8.0级大地震引起我国30个省、直辖市、自治区和东南亚地区的强烈震感，四川、甘肃、陕西三省灾害严重。 发震断层出露延伸200余公里，巨大滑坡掩埋了村镇，切断了河流、道路，形成堰塞湖30余处； 15945928间乡村民居倒塌或严重破坏，众多现代建筑和设施受损； 川西的青山绿水一时满目疮痍。图1.1.4为震后的北川县城。地震共造成69227人遇难、17923人失踪， 374643人受伤； 直接经济损失达6000亿元之巨。 图1.1.42008年四川汶川地震后的北川县城 表1.1.1和表1.1.2列出了国内外近现代重大地震灾害。 表1.1.1中国近现代的重大地震灾害 年份地震震级死 亡 人 数经济损失/亿元人民币 1902新疆阿图什8.25500 1920宁夏海原8.5200000 1923四川炉霍、道孚7.253000 1927甘肃古浪84000 1931新疆富蕴810000 1933四川叠溪7.256800 1935台湾新竹、台中73200 1937山东菏泽7390 1941台湾嘉义7300 1948四川理塘7.25800 1966河北邢台6.8、7.28000 1975辽宁海城7.31328 1976河北唐山7.8240000100 1988云南澜沧-耿马7.6748 1990青海共和-兴海7.0119 1996云南丽江7.0309 1999台湾集集7.22333 2003新疆伽师-巴楚6.826814 2008四川汶川8.087150（含失踪）6000 2010青海玉树7.12968（含失踪）125 表1.1.2国外近现代重大地震灾害 年份地震震级死 亡 人 数经济损失/亿美元 1891日本浓尾7.97273 1896日本三陆7.127122 1905克什米尔8.619000 1906美国旧金山8.310005 1908意大利墨西拿7.583000 1923日本关东7.8142807 1927日本北丹后7.52925 1933日本三陆8.33008 1935巴基斯坦7.530000 1939智利8.330000 1939土耳其7.923000 1946日本南海8.11000 续表 年份地震震级死 亡 人 数经济损失/亿美元 1948日本福井7.33895 1960摩洛哥5.612000 1960智利8.3120 1964美国阿拉斯加7.9130 1970秘鲁7.740000 1972伊朗7.017000 1972马拉瓜6.510000 1978伊朗7.725000 1988墨西哥8.19500 1988苏联亚美尼亚6.925000 1994美国北岭6.755400 1995日本阪神7.363481000 1999土耳其伊兹米特7.414000200 2001印度古吉拉特7.71400045 2003伊朗巴姆6.541000 2004印尼苏门答腊8.9300000 2005印巴交界7.688000 2010海地7.331630019 2010智利8.8802150 2011新西兰6.3220110 2011日本东部海域9.027794（含失踪）3000 房屋建筑是地球上数量最多的人工结构，地震灾害的共同特点是大量房屋建筑毁坏或受损，房屋倒塌及其导致的人员伤亡和经济损失是地震成灾最重要的原因。地震灾区最触目惊心的是倒塌的房屋及压埋人员的抢救，地震应急和灾区正常秩序的恢复也有赖于不同使用功能的房屋。因此，房屋作为地震灾害的重要载体和地震应急、震后重建不可或缺的人工结构，在防震减灾事业中具有举足轻重的作用； 房屋建筑抗震是地震工程研究与实践最早涉及，并贯彻始终的重要的领域。 1.2建筑抗震的起源与发展 地震灾害已有数千年的史料记载，但包含建筑抗震在内的地震工程学却仅有大约百年的历史。历经时代沧桑和地震等自然灾害留存于世的古代建筑，常使我们惊叹古人卓越的建筑智慧，但时近20世纪才有了关于建筑抗震的文字表述。基于现代力学和工程学的发展，建筑抗震逐渐成为土木工程的重要内容。 1.2.1建筑抗震理论的沿革 20世纪初到30年代可称为建筑抗震的静力学阶段。当时，人们认识到地震动是剧烈的往复运动，在将地面结构视为刚体的假定下，地面建筑将承受与地面相同的加速度； 基于牛顿力学的第二定律，该加速度与建筑质量的乘积即为作用在结构上的地震惯性作用。日本抗震设计的“震度法”是这一发展阶段的代表； 如取水平地震震度为0.1（即水平向地震加速度为0.10g），再乘以结构质量即可得到作用于结构的等效水平力； 按照这一方法设计的抗震建筑在关东大地震中经受住了考验。1924年日本颁布的世界上最早的建筑抗震设计规范《市街地建筑法》，是采用静力设计理论的典型代表。这一时期，也曾出现有关隔震、消能和能量设计的设想，出现了探讨结构变形能力对抗震性能影响的“刚柔之争”； 但囿于知识的缺乏，当时并未发展出新的理论和计算方法。 20世纪30年代，美国和日本获得了最初一批强震加速度记录，认识到地震动是包含多种频率成分的复杂运动； 同时，固体的弹性振动理论也被土木工程界所掌握。20世纪40年代开始利用小型振动台进行谐波和随机波作用下结构模型的弹性动力反应试验。在此基础上，美国研究者计算了自振周期不同的若干单自由度弹性体系在实测地震加速度作用下的反应，做成了地震反应谱并将之用于结构抗震设计。反应谱方法考虑了结构的弹性变形、体现了动力分析的概念，但这种计算方法只能得出对结构最大地震反应的估计，地震作用仍以等效静力方式作用于结构。20世纪50年代，这一方法在国际范围被广泛接受，标志着建筑抗震进入反应谱理论阶段。 20世纪60年代，采用低周循环加载方式的伪静力试验技术获得广泛应用，同期日本和美国先后研制了可以进行结构抗震试验的大型地震模拟振动台。70年代末最早的伪动力试验装置在日本建成。70年代以后，电子计算机的应用逐步普及，使复杂结构的地震反应时程分析成为可能。同时，有关结构和构件的非线性、非弹性本构关系，结构地震反应的变形和能量，结构和地基的相互作用，多向地震动作用和非均一地震作用的研究日趋深入，包含隔震和消能减振在内的结构振动控制也成为建筑抗震的前沿领域。建筑抗震的理论和方法进入更为深入、缤纷多彩的动力阶段。 1.2.2我国建筑抗震的研究与实践 我国的建筑抗震研究始于中华人民共和国的建立。在1949—1955年的第一个五年计划时期，整理了追溯至三千年前的历史地震资料，编制了历史地震目录，并开始对部分重大工程建设场址进行地震烈度评定，从工程地震角度为建筑抗震的实施奠定了基础。1955年苏联《地震区建筑规范》（псп-101—51）在中国翻译出版，中国少数重要建筑参照该规范按静力理论进行了抗震设计。 1956—1965年是我国建筑抗震全面发展的奠基时期。1955年中国科学院确定的十大研究课题包括了地震灾害防御的内容。中国科学院下属部分研究所和高等院校开展了工程抗震研究，涉及地震烈度表和烈度区划图的编制、结构弹性地震反应分析、建筑动力特性实测及结构模型的动力试验，1964年参考苏联规范的《地震区建筑设计规范》（草案）编制完成。该规范采用了反应谱理论，对以后的建筑抗震设计和抗震规范的编制产生了重要影响。 1966年邢台地震和1967年河间地震的发生提高了全社会对抗震防灾重要性的认识并积累了初步的震害经验； 我国研制的单水平向机械式振动台开始用于建筑抗震研究。1974年《工业与民用建筑抗震设计规范（试用）》（TJ 11—74）经批准正式颁布，见图1.2.1； 同年中国台湾省《建筑技术规则》中有关抗震设计的规定颁布实施，该规范参考了美国加州结构工程师协会标准的相关内容。 1976年唐山大地震的发生促进了中国地震工程研究和抗震技术标准的发展。1978年《中国地震烈度区划图》（1977）颁布，给出了未来百年可能遭遇的最大地震烈度。在初步总结1975年海城地震和1976年唐山地震经验教训的基础上，1977年和1978年分别颁布《工业与民用建筑抗震鉴定标准》（TJ 22—77）和修订的《工业与民用建筑抗震设计规范》（TJ 11—78）。在以后广泛开展深入研究的基础上，修订的《建筑抗震设计规范》（GBJ 11—89）于1989 年颁布。该规范增加了地震烈度6度区房屋抗震设计的要求； 参照日本《新耐震设计法》的研究成果，采用了分别对应大震和小震的两阶段抗震验算要求，并依据《建筑结构设计统一标准》（GBJ 68—84）采用了构件强度验算的极限状态设计表达式。该规范有关抗震概念设计、结构地震分析方法和抗震构造措施的内容体现了建筑抗震设计的新进展。 20世纪80年代，我国开始研制和装备以地震模拟振动台为代表的现代抗震试验设备。1990年新编的《中国地震烈度区划图》（1990）颁布，将未来50年内超越概率10%的地震烈度作为抗震设防的基本烈度； 1996年中国《建筑抗震鉴定标准》（GB 50023—95）和《建筑抗震试验方法规程》（JGJ 101—96）颁布； 1999年《建筑抗震加固技术规程》（JGJ 116—98）颁布实施； 这些技术标准的颁布标志着我国建筑抗震的全面进展。 进入新世纪之后，《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2001）颁布，首次规定了作为抗震设防依据的地震动加速度峰值和反应谱特征周期。修订的《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2001）颁布，直接采用地震动参数计算结构地震作用，增加了有关隔震和耗能减振设计的内容。2008年汶川大地震发生，大量经过抗震设计的房屋经受了实际地震的检验，在总结国内外地震震害经验和地震工程研究成果的基础上，2008年《镇（乡）村建筑抗震技术规程》（JGJ 161—2008）颁布，这是我国第一部针对乡镇建筑的抗震技术法规； 2009年修订的《建筑抗震鉴定标准》（GB 50023—2009）颁布，2010 年修订的《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）颁布，见图1.2.2； 成为我国现行的建筑抗震技术标准。 图1.2.1早期的抗震设计规范 图1.2.2现行抗震设计规范 1.3建筑抗震的研究途径 建筑抗震是土木工程学科的一个分支，其研究途径除遵循土木工程的共同规律外，尚涉及地震环境的特殊性。破坏性地震的罕遇、强烈和不可准确预知造成建筑抗震研究的困难性和复杂性。 1.3.1建筑抗震的知识来源 建筑抗震的自身特殊知识源自震害考察、强震观测和抗震试验。 首先，地震灾害现场的建筑破坏现象提供了大量丰富的有关建筑抗震能力的感性知识，可进一步引导人们去探索建筑地震破坏机理和防御措施。例如，震害现象表明建筑的地震破坏源自地震地质破坏和结构的地震惯性力作用这两类因素，故应就 图1.3.1科考队奔赴地震灾区 场地选择、处理和加强建筑结构自身这两方面提高建筑的抗震安全性； 建筑的空旷底层破坏、中间层破坏和扭转破坏促使人们研究建筑的规则性对抗震性能的影响； 目前砌体结构最行之有效的抗震构造措施，如圈梁和构造柱等，都是直接由现场房屋震害调查总结得出的。震害现场考察（图1.3.1）是获取和检验抗震知识的不可替代、最有说服力的途径。 其次，建筑的抗震分析与设计需要有关强地震动特性的知识，强震观测是获取实际地震动数据的最有效的手段。图1.3.2为强震仪及其所做的强震记录。建筑结构的地震反应分析需要强地震动作为输入，预测未来可能遭遇的地震动需要大量强震观测数据的统计分析。地震动作为抗震结构体系的输入，其特性与结构承受的地震作用密切相关； 没有强震观测数据，就不可能产生地震反应谱的概念，也不会建立反应谱分析方法。强震观测还可以在地震环境下得到建筑地震反应的真实过程，为建立和检验建筑结构的分析模型、计算方法以及采取抗震措施的有效性提供科学依据。 图1.3.2强震仪和强震记录 再者，建筑结构的地震反应分析是复杂的动力过程，这种分析需要确定结构自身的动力参数，结构抗震试验则是获取结构动力参数最可靠的手段； 在强烈地震可遇而不可求的情况下，抗震试验也是检验抗震设计理论、方法和措施的依据。结构的脉动测试试验、强迫振动试验和自由振动试验可以直接确定建筑结构的自振频率、振型和阻尼比，是建立结构弹性分析模型的重要依据； 伪静力试验和伪动力试验可以实测结构或结构构件的非线性本构关系，为分析结构从弹性到破坏的地震反应 图1.3.3地震模拟振动台 全过程奠定基础。地震模拟振动台（图1.3.3）试验则可模拟地震环境，直接检验试验结构的抗震能力和破坏机理。进入21世纪以后，美国首先装备了由多个振动台组成的振动台台阵设施，基于互联网技术的发展，地震工程联网试验系统已于2004年在美国实现。抗震试验技术的发展与建筑抗震理论的进步和抗震设计方法的逐步完善密切相关。 1.3.2多学科知识的综合运用 建筑抗震理论的发展和抗震设计方法的改善，除必须由震害考察、强震观测和抗震试验获取原始知识之外，还必须运用其他学科的知识和新的研究成果。在科学技术高速发展的当代，多学科知识的综合运用已是不同学科发展的重要特征。 含地球物理学、地震学、地质学等在内的地学知识与建筑抗震的发展有着密切的关系。历史地震、地震烈度、地震活动构造等资料是开展工程地震研究、实施地震危险性分析和地震区划并最终确定建筑抗震设防地震动参数的基础。强地震动研究是联系地学与土木工程学的交叉点。 建筑抗震作为土木工程的特殊分支，必然沿用结构工程有关结构受力、变形和动力分析的基本知识。结构力学、土力学、结构动力学、土动力学为建筑抗震分析提供了理论与方法。随机振动理论、可靠性分析理论、数值计算方法在土木工程中的应用也必然扩展于建筑抗震研究与设计。土木工程材料特性的研究与新材料的开发同样推进了建筑抗震的发展。 除地学、材料与工程学科之外，管理科学、计算机与信息技术、传感和测量技术、数学、人工智能和振动控制理论等对建筑抗震的发展也是有目共睹的。 1.3.3建筑抗震设计的特点 建筑抗震设计与静力荷载作用下的土木工程设计相比更为复杂和困难，主要体现于以下各点。 首先，破坏性地震的能量之大可令山河改观，将建筑结构的地震反应控制在弹性范围内以确保安全不但面临技术困难，也是一般社会经济能力所难以承受的。因此，在设防地震动作用下一般允许结构发生损伤、进入非线性变形阶段，但又要保持一定使用功能； 在罕遇大震作用下，结构虽不再保有使用功能，但不允许倒塌以保障人的生命安全； 这种非线性状态下的性能要求是难以准确把握的。 其次，强地震动特性十分复杂，具有极大的不确定性，乃至远非随机振动理论可以描述； 这导致设计地震动和结构地震反应分析结果也具有很大的不确定性，抗震结构的可靠度难以准确预估。这一缺憾不是短时期内可以改善的。 再者，结构地震反应是动力过程，复杂的结构体系和结构构件有多种破坏模式，这给结构分析模型的建立带来巨大的困难。更复杂的模型和更精确的数值方法未必得到更适当的分析结果，结构抗震分析难求精确。 最后，结构分析理论的正确性和工程设计方法的有效性原则上需要大量重复事例的验证，但由于破坏性地震的罕遇性以及人工模拟地震环境的局限性，这种验证不能随心所欲按计划进行，故建筑抗震的理论和方法往往只能在遭遇灾难性大地震后才有全面的改善和发展。 建筑抗震是经验性很强的工程学科。建筑抗震设计必须注重抗震概念的把握和经验性抗震措施的采取，再辅之以适当的计算分析。 总之，建筑抗震研究需综合运用相关学科的知识，结合采用理论分析、数值模拟和结构试验（含试点工程建设）三种基本途径。随着科技进步和社会经济的发展，人类对建筑抗御地震灾害能力的要求不断提高。性能化抗震设计是发展和完善建筑抗震的目标，结构振动控制技术、结构健康诊断技术的发展和应用将进一步提高建筑工程的安全性、耐久性和适用性。 思考题 1. 地震灾害与房屋建筑有何关系？ 2. 建筑抗震理论发展至今经历了哪几个阶段？ 3. 建筑抗震知识源自何处？ 4. 建筑抗震的研究途径有哪些？ 5. 建筑抗震设计有何特点？