抗震設(shè)計(jì)方法一：基于承載力設(shè)計(jì)方法 

　　基于承載力設(shè)計(jì)方法又可分為靜力法和反應(yīng)譜法。靜力法產(chǎn)生于二十世紀(jì)初期，是最早的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法。上世紀(jì)初前后日本濃尾、美國(guó)舊金山和意大利Messina的幾次大地震中，人們注意到地震產(chǎn)生的水平慣性力對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞作用，提出把地震作用看成作用在建筑物上的一個(gè)總水平力，該水平力取為建筑物總重量乘以一個(gè)地震系數(shù)。意大利都靈大學(xué)應(yīng)用力學(xué)教授M.Panetti建議，1層建筑物取設(shè)計(jì)地震水平力為上部重量的1/10，2層和3層取上部重量的1/12。這是最早的將水平地震力定量化的建筑抗震設(shè)計(jì)方法。日本關(guān)東大地震后，1924年日本都市建筑規(guī)范"首次增設(shè)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)定，取地震系數(shù)為0.1。1927年美國(guó)UBC規(guī)范第一版也采用靜力法，地震系數(shù)也是取0.1。用現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)抗震知識(shí)來(lái)考察，靜力法沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)力效應(yīng)，即認(rèn)為結(jié)構(gòu)在地震作用下，隨地基作整體水平剛體移動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)加速度等于地面運(yùn)動(dòng)加速度，由此產(chǎn)生的水平慣性力，即建筑物重量與地震系數(shù)的乘積，并沿建筑高度均勻分布�？紤]到不同地區(qū)地震強(qiáng)度的差別，設(shè)計(jì)中取用的地面運(yùn)動(dòng)加速度按不同地震烈度分區(qū)給出。根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)，地震作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力效應(yīng)，即結(jié)構(gòu)上質(zhì)點(diǎn)的地震反應(yīng)加速度不同于地面運(yùn)動(dòng)加速度，而是與結(jié)構(gòu)自振周期和阻尼比有關(guān)。采用動(dòng)力學(xué)的方法可以求得不同周期單自由度彈性體系質(zhì)點(diǎn)的加速度反應(yīng)。以地震加速度反應(yīng)為豎坐標(biāo)，以體系的自振周期為橫坐標(biāo)，所得到的關(guān)系曲線稱為地震加速度反應(yīng)譜，以此來(lái)計(jì)算地震作用引起的結(jié)構(gòu)上的水平慣性力更為合理，這即是反應(yīng)譜法。對(duì)于多自由度體系，可以采用振型分解組合方法來(lái)確定地震作用。反應(yīng)譜法的發(fā)展與地震地面運(yùn)動(dòng)的記錄直接相關(guān)。1923年，美國(guó)研制出第一臺(tái)強(qiáng)震地震地面運(yùn)動(dòng)記錄儀，并在隨后的幾十年間成功地記錄到許多強(qiáng)震記錄，其中包括1940年的El Centro和1952年的Taft等多條著名的強(qiáng)震地面運(yùn)動(dòng)記錄。1943年M.A.Biot發(fā)表了以實(shí)際地震紀(jì)錄求得的加速度反應(yīng)譜。二十世紀(jì)50到70年代，以美國(guó)的G. W. Housner、N. M. Newmark和R. W. Clough為代表的一批學(xué)者在此基礎(chǔ)上又進(jìn)行了大量的研究工作。對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和地震工程學(xué)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)，奠定了現(xiàn)代反應(yīng)譜抗震設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)。然而，靜力法和早期的反應(yīng)譜法都是以慣性力的形式來(lái)反映地震作用，并按彈性方法來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)。當(dāng)遭遇超過(guò)設(shè)計(jì)烈度的地震作用，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，這種方法顯然無(wú)法應(yīng)用。同時(shí)，在由靜力法向反應(yīng)譜法過(guò)渡的過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)短周期結(jié)構(gòu)加速度譜值比靜力法中的地震系數(shù)大1倍以上。這使得地震工程師無(wú)法解釋以前按靜力法設(shè)計(jì)的建筑物如何能夠經(jīng)受得住強(qiáng)烈地震作用。 

抗震設(shè)計(jì)方法二：基于承載力和構(gòu)造保證延性設(shè)計(jì)方法 

　　為解決由靜力法向反應(yīng)譜法的過(guò)渡問(wèn)題，以美國(guó)UBC規(guī)范為代表，通過(guò)地震力降低系 數(shù)R將反應(yīng)譜法得到的加速度反應(yīng)值am降低到與靜力法水平地震相當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)地震加速度ad，ad=am/R地震力降低系數(shù)R對(duì)延性較差的結(jié)構(gòu)取值較小，對(duì)延性較好的結(jié)構(gòu)取值較高。盡管最初利用地震力降低系數(shù)R將加速度反應(yīng)降下來(lái)只是經(jīng)驗(yàn)性的，但人們已經(jīng)意識(shí)到應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的延性性質(zhì)不同來(lái)取不同的地震力降低系數(shù)。這是考慮結(jié)構(gòu)延性對(duì)結(jié)構(gòu)抗震能力貢獻(xiàn)的最早形式。然而對(duì)延性重要性的認(rèn)識(shí)卻經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。在確定和研究地震力降低系數(shù)R的過(guò)程中，G. W. Housner和N. M. Newmark分別從兩個(gè)角度提出了各自的看法。G. W. Housner認(rèn)為考慮地震力降低系數(shù)R的原因有：每一次地震中可能包括若干次大小不等的較大反應(yīng)，較小的反應(yīng)可能出現(xiàn)多次，而較大的地震反應(yīng)可能只出現(xiàn)一次。此外，某些地震峰值反應(yīng)的時(shí)間可能很短，震害表明這種脈沖式地震作用帶來(lái)的震害相對(duì)較小�；�于這一觀點(diǎn)，形成了現(xiàn)在考慮地震重現(xiàn)期的抗震設(shè)防目標(biāo)。隨著研究的深入，N. M. Newmark認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)的非彈性變形能力可使結(jié)構(gòu)在較小的屈服承載力的情況下經(jīng)受更大的地震作用。由于結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性狀態(tài)即意味著結(jié)構(gòu)的損傷和遭受一定程度的破壞，基于這一觀點(diǎn)，形成了現(xiàn)在的基于損傷的抗震設(shè)計(jì)方法，并促使人們對(duì)結(jié)構(gòu)的非彈性地震反應(yīng)的研究。而進(jìn)一步采用能量觀點(diǎn)對(duì)此進(jìn)行研究的結(jié)果，則形成現(xiàn)在的基于能量的抗震設(shè)計(jì)方法。然而由于結(jié)構(gòu)非彈性地震反應(yīng)分析的困難，因此只能根據(jù)震害經(jīng)驗(yàn)采取必要的構(gòu)造措施來(lái)保證結(jié)構(gòu)自身的非彈性變形能力，以適應(yīng)和滿足結(jié)構(gòu)非彈性地震反應(yīng)的需求。而結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法仍采用小震下按彈性反應(yīng)譜計(jì)算的地震力來(lái)確定結(jié)構(gòu)的承載力。與考慮地震重現(xiàn)期的抗震設(shè)防目標(biāo)相結(jié)合，采用反應(yīng)譜的基于承載力和構(gòu)造保證延性的設(shè)計(jì)方法成為目前各國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的主要方法。應(yīng)該說(shuō)這種設(shè)計(jì)方法是在對(duì)結(jié)構(gòu)非彈性地震反應(yīng)尚無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)知情況下的一種以承載力設(shè)計(jì)為主方法。 

抗震設(shè)計(jì)方法三：基于損傷和能量的設(shè)計(jì)方法 

　　在超過(guò)設(shè)防地震作用下，雖然非彈性變形對(duì)結(jié)構(gòu)抗震和防止結(jié)構(gòu)倒塌有著重要作用， 但結(jié)構(gòu)自身將因此產(chǎn)生一定程度的損傷。而當(dāng)非彈性變形超過(guò)結(jié)構(gòu)自身非彈性變形能力時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的倒塌。因此，對(duì)結(jié)構(gòu)在地震作用下非彈性變形以及由此引起的結(jié)構(gòu)損傷就成為結(jié)構(gòu)抗震研究的一個(gè)重要方面，并由此形成基于結(jié)構(gòu)損傷的抗震設(shè)計(jì)方法。在該設(shè)計(jì)方法中，人們?cè)噲D引入反映結(jié)構(gòu)損傷程度的某種指標(biāo)來(lái)作為設(shè)計(jì)指標(biāo)。許多研究者根據(jù)地震作用下結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理的理解，提出了多種不同的結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)計(jì)算模型[3,4]。這些研究加深了人們對(duì)結(jié)構(gòu)抗震機(jī)理的認(rèn)識(shí)深度，尤其是將能量耗散能力引入損傷指標(biāo)的計(jì)算。但由于涉及結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理較為復(fù)雜，如需要確定結(jié)構(gòu)非彈性變形以及累積滯回耗能等指標(biāo)，同時(shí)結(jié)構(gòu)達(dá)到破壞極限狀態(tài)時(shí)的閾值與結(jié)構(gòu)自身設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系的也有許多問(wèn)題未得到很好的解決。從能量觀點(diǎn)來(lái)看，結(jié)構(gòu)能否抵御地震作用而不產(chǎn)生破壞，主要在于結(jié)構(gòu)能否以某種形式耗散地震輸入到結(jié)構(gòu)中的能量。地震作用對(duì)體系輸入的能量由彈性變形能EE、塑性變形能EP和滯回耗能EH三部分組成。地震結(jié)束后，質(zhì)點(diǎn)的速度為0，體系彈性變形恢復(fù)，故動(dòng)能EK和彈性應(yīng)變能EE等于零，地震對(duì)體系的輸入能量EEQ最終由體系的阻尼、體系的塑性變形和滯回耗能所耗散。因此，從能量觀點(diǎn)來(lái)看，只要結(jié)構(gòu)的阻尼耗能與體系的塑性變形耗能和滯回耗能能力大于地震輸入能量，結(jié)構(gòu)即可有效抵抗地震作用，不產(chǎn)生倒塌。由此形成了基于能量平衡的極限設(shè)計(jì)方法�；�于能量平衡概念來(lái)理解結(jié)構(gòu)的抗震原理簡(jiǎn)潔明了，但將其作為實(shí)用抗震設(shè)計(jì)方法仍有許多問(wèn)題尚待解決，如地震輸入能量譜、體系耗能能力、阻尼耗能和塑性滯回耗能的分配，以及塑性滯回耗能體系內(nèi)的分布規(guī)律。盡管基于損傷和能量的抗震設(shè)計(jì)方法在理論上有其合理之處，但直接采用損傷和能量作為設(shè)計(jì)指標(biāo)不易為一般工程設(shè)計(jì)人員所采用，因此一直未得到實(shí)際應(yīng)用。但關(guān)于損傷和基于能量概念的研究對(duì)實(shí)用抗震設(shè)計(jì)方法中保證結(jié)構(gòu)抗震能力提供了理論依據(jù)和重要的指導(dǎo)作用。最近，作者基于能量概念提出了結(jié)構(gòu)非彈性變形的計(jì)算方法，為將能量概念引入結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法中作了有益的嘗試。 

抗震設(shè)計(jì)方法四：能力設(shè)計(jì)方法 

　　二十世紀(jì)70年代后期，新西蘭的T.Paulay和R.Park提出了保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有足夠彈塑性變形能力的能力設(shè)計(jì)方法。該方法是基于對(duì)非彈性性能對(duì)結(jié)構(gòu)抗震能力貢獻(xiàn)的理解和超靜定結(jié)構(gòu)在地震作用下實(shí)現(xiàn)具有延性破壞機(jī)制的控制思想提出的，可有效保證和達(dá)到結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標(biāo)，同時(shí)又使設(shè)計(jì)做到經(jīng)濟(jì)合理。能力設(shè)計(jì)方法的核心是： 
(1) 引導(dǎo)框架結(jié)構(gòu)或框架-剪力墻（核心筒）結(jié)構(gòu)在地震作用下形成梁鉸機(jī)構(gòu)，即控制塑性變形能力大的梁端先于柱出現(xiàn)塑性鉸，即所謂“強(qiáng)柱弱梁”； 
(2) 避免構(gòu)件（梁、柱、墻）剪力較大的部位在梁端達(dá)到塑性變形能力極限之前發(fā)生非延性破壞，即控制脆性破壞形式的發(fā)生，即所謂“強(qiáng)剪弱彎”； 
(3) 通過(guò)各類構(gòu)造措施保證將出現(xiàn)較大塑性變形的部位確實(shí)具有所需要的非彈性變形能力。 
到二十實(shí)際80年代，各國(guó)規(guī)范均在不同程度上采用了能力設(shè)計(jì)方法的思路。能力設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵在于將控制概念引入結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，有目的的引導(dǎo)結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制，避免不合理的破壞形態(tài)。該方法不僅使得結(jié)構(gòu)抗震性能和能力更易于掌握，同時(shí)也使得抗震設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)便明確，即后來(lái)在抗震概念設(shè)計(jì)中提出的主動(dòng)抗震設(shè)計(jì)思想。 

抗震設(shè)計(jì)方法五：基于性能/位移設(shè)計(jì)方法 

　　應(yīng)該說(shuō)通過(guò)多年的研究和實(shí)踐，人們基本掌握了結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法，并到達(dá)原來(lái)所預(yù)定的抗震設(shè)防目標(biāo)。然而九十年代發(fā)生在一些發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)代化大城市的地震，人員傷亡雖然很少，一些設(shè)備和裝修投資很高的建筑物雖然并沒(méi)有倒塌，但因結(jié)構(gòu)損傷過(guò)大，所造成的經(jīng)濟(jì)損失卻十分巨大。如1994年1月美國(guó)西海岸洛杉磯地區(qū)的地震，震級(jí)僅為6.7級(jí)，死亡57人，而由于建筑物損壞造成1.5萬(wàn)人無(wú)家可歸，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)170億美元。1995年1月日本阪神地震，7.2級(jí)，死亡6430人（大多是舊建筑物倒塌造成），但經(jīng)濟(jì)卻高達(dá)960億美元。因此在現(xiàn)代化充分發(fā)展的今天，研究人員意識(shí)到再單純強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)在地震下不嚴(yán)重破壞和不倒塌，已不是一種完善的抗震思想，不能適應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)抗震需求。在這樣的背景下，美、日學(xué)者提出了基于性能（Performance Based Design, PBD）的抗震設(shè)計(jì)思想。基于性能設(shè)計(jì)的基本思想就是使所設(shè)計(jì)的工程結(jié)構(gòu)在使用期間滿足各種預(yù)定的性能目標(biāo)要求，而具體性能要求可根據(jù)建筑物和結(jié)構(gòu)的重要性確定。應(yīng)該說(shuō)，基于性能抗震設(shè)計(jì)是比傳統(tǒng)單一抗震設(shè)防目標(biāo)推廣了的新理念，或者說(shuō)是它給了設(shè)計(jì)人員一定"自主選擇"抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的空間。然而問(wèn)題是對(duì)結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)的具體描述和計(jì)算、以及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)目前尚未明確，因此可以說(shuō)基于性能抗震設(shè)計(jì)目前僅停留概念階段。 
　　對(duì)于結(jié)構(gòu)工程師來(lái)說(shuō)，可明確描述結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)的物理量主要有：力、位移（剛度）、速度、加速度、能量和損傷�；�于性能設(shè)計(jì)要求能夠給出結(jié)構(gòu)在不同強(qiáng)度地震作用下，這些結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)的反應(yīng)值（需求值），以及結(jié)構(gòu)自身的能力值，尤其當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性階段時(shí)。由于用力（承載力）作為單獨(dú)的指標(biāo)難以全面描述結(jié)構(gòu)的非彈性性能及破損狀態(tài)，而用能量和損傷指標(biāo)又難以實(shí)際應(yīng)用，因此目前基于性能抗震設(shè)計(jì)方法的研究主要用位移指標(biāo)對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行控制，稱為基于位移抗震設(shè)計(jì)方法（Displacement Based Design, DBD）。無(wú)論是基于性能還是基于位移，抗震設(shè)計(jì)的難點(diǎn)仍然是結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性階段后結(jié)構(gòu)性態(tài)的分析。這一點(diǎn)與以往抗震設(shè)計(jì)方法一樣，只是基于性能/位移抗震設(shè)計(jì)理念的提出，使研究人員更加注重對(duì)結(jié)構(gòu)非彈性地震反應(yīng)分析和計(jì)算的研究。在基于位移抗震設(shè)計(jì)方法研究中，值得推薦的是能力譜法。該方法由Freeman于1975年提出。近幾年研究人員對(duì)能力譜曲線以及需求譜曲線的確定方法做了進(jìn)一步的改進(jìn)，使得該方法成為各國(guó)推進(jìn)基于位移設(shè)計(jì)方法的一種主要方法。結(jié)構(gòu)的能力曲線是由結(jié)構(gòu)的等效單自由度體系的力-位移關(guān)系曲線轉(zhuǎn)化為加速度-位移關(guān)系曲線來(lái)表示。