地震災害具有突發(fā)性，至今可預報性很低，給人類社會造成的損失嚴重，是各類自然災害中最嚴重的災害之一。我國根據(jù)現(xiàn)有的科學水平和經(jīng)濟條件，對建筑抗震提出了“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”。通常所講的小震、中震、大震分別指的是50年超越概率為63%，10%，2~3%的多遇地震、設防烈度地震、罕遇地震。
1 結(jié)構(gòu)設計地震力的確定
1.1 低地震力取值的可行性
到二十世紀八十年代，各國設計規(guī)范都承認這樣一個事實，就是在地震作用下，結(jié)構(gòu)在真正失效前，有一個較大的塑性變形能力（結(jié)構(gòu)延性），即結(jié)構(gòu)在一個較小的地震下可能達到或者接近屈服狀態(tài)；而在較大的地震下，結(jié)構(gòu)的若干部位將陸續(xù)進入屈服后的非彈性變形狀態(tài)，并且隨著地震力的增大，結(jié)構(gòu)中進入彈塑性變形的部位增多，先進入屈服的部位彈塑性變形也增大。結(jié)構(gòu)通過這種變形耗散較多的地震傳來的能量，將其轉(zhuǎn)換成熱能。
對于“設計地震力－延性”聯(lián)合法則，我們可以從地震力和結(jié)構(gòu)相互關系上進行理解：一方面設計地震力低的結(jié)構(gòu)，通過更大的非彈性變形耗散掉更多的地震能量；另一方面結(jié)構(gòu)非彈性變形越大，剛度降低越嚴重，阻尼增大，周期比高設計地震力的結(jié)構(gòu)增長越多，結(jié)構(gòu)受到的總地震力也降低也越多。這就使得我們在設計過程中，在不降低構(gòu)件豎向承載力保證結(jié)構(gòu)延性的前提下，可以取用一個小于設防烈度地震反應水準作為設計中取用的地震作用。反過來講，若采用的設計地震力越低，結(jié)構(gòu)屈服部位在屈服后水平和豎向承載力不降低的前提下需要達到的非彈性變形就越大，也就需要結(jié)構(gòu)有更好的延性性能。
這樣，我們就需要解決如下兩個問題：
A． 如何在設防烈度地震作用與設計地震力取值之間建立恰當?shù)穆?lián)系；
B． 如何在設計地震力與所要求的結(jié)構(gòu)延性建立對應關系。
對于問題A，以N.M.Newmark為代表的眾多學者認為，將設防烈度地震加速度通過地震力降低系數(shù)R（中，美等國）或結(jié)構(gòu)性能系數(shù)q（歐共體，新西蘭等）折減為結(jié)構(gòu)設計加速度，相當于賦予結(jié)構(gòu)一個較小的屈服承載力，結(jié)構(gòu)在豎向承載力不降低的情況下，通過屈服后的非彈性變形來經(jīng)受更大的地震，實現(xiàn)“大震不倒”的目標。因而，采用低設計地震力的關鍵在于保證結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在大震下達到所需的延性。對于地震力降低系數(shù)R或結(jié)構(gòu)性能系數(shù)q，各國設計規(guī)范存在略為不同的處理手法，不過總體而言R或q均為設防烈度地震作用與結(jié)構(gòu)截面設計所用的地震作用的比值。 R或q越大，則要求結(jié)構(gòu)達到的延性能力越大，R或q越小，則結(jié)構(gòu)需要達到的延性能力越小。這樣均能實現(xiàn)“大震不倒”。
對于問題B，國外一般有如下三種設計方案：（1）較高地震力——較低延性方案；（2）中等地震力——中等延性方案；（3）較低地震力——較高延性方案。高地震力方案主要保證結(jié)構(gòu)的承載力，低地震力方案主要保證結(jié)構(gòu)的延性。實際震害表明，這三種方案，從抗震效果和經(jīng)濟性來看，都能達到設防目標。我國的抗震設計采用的是方案（3）即較低地震力——較高延性方案，即采用明顯小于設防烈度的小震地面運動加速度來確定結(jié)構(gòu)的設計地震作用，并將它與其他荷載內(nèi)力進行組合，進行截面設計，通過鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在屈服后的地震反應過程中形成較為有利的耗能機構(gòu)，使結(jié)構(gòu)主要的耗能部位具有良好的屈服后變形能力來實現(xiàn)“大震不倒”的目標。當然，我們還要看到一點，雖然這三個方案都能保證“大震不倒”，但是在改善結(jié)構(gòu)在中小地震下的性態(tài)方面，方案（3）僅僅提高結(jié)構(gòu)的延性水平而結(jié)構(gòu)的屈服水準并沒有明顯提高是明顯不如方案（1）和（2）的。也就是說，在保證“小震不壞，中震可修”方面，方案（1）和（2）是優(yōu)于方案（3）的。
地震動以波的形式在地下及地表傳播，由于震源特點、斷層機制、傳播途徑等因素的不確定性，具有很大隨機性。要想得出地震動對于不同結(jié)構(gòu)有什么不同的反應，就需要在地震動特性與結(jié)構(gòu)反應架起一座橋梁。由于地震動反應譜的形狀特征反應了不同類型結(jié)構(gòu)動力反應的特點，所以各工程中一般采用地震影響系數(shù)譜曲線作為計算地震作用的依據(jù)。
我國的譜曲線綜合考慮了烈度、震中距、場地類別、結(jié)構(gòu)自振周期和阻尼比的影響。根據(jù)新修訂的中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖，給出了抗震設防烈度（中震）下的設計基本地震加速度。通過對震級、震中距、場地類別等因素對結(jié)構(gòu)反應譜的影響，抗震規(guī)范把動力放大系數(shù)取為2.25。根據(jù)統(tǒng)計資料，多遇地震烈度比基本烈度降低約1.55度，相當于地震作用降低0.35倍，即地震力降低系數(shù)為1/0.352.8。從而得到小震時結(jié)構(gòu)的設計加速度，其值與重力加速度的比值即為小震時水平地震影響系數(shù)值。
與其他國家相比，我國的地震力降低系數(shù)R2.7~2.8，其取值與新西蘭“有限延性框架”相當（R=3）；介于歐洲共同體低延性DC“L”（R=2.5）和中延性DC“M”（R=3.75）之間；比美國的“一般框架”（R=3.5）還要略小些。單純從R的角度來看，似乎中國規(guī)范在大震下的延性需求和其他國家相比處在“中等延性結(jié)構(gòu)”水平。但是中國設防烈度下水平地面運動的峰值加速度系數(shù)的取值，要比其他各個國家的低（見下表）。結(jié)構(gòu)動力放大系數(shù)相差不大都在2.25附近，而且我國的譜曲線平臺段與其他國家相比很小，下降段較陡，造成反應譜的取值較其他國家的低，實質(zhì)上中國R＝2.8相當于歐共體的R＝5.0左右，所以實質(zhì)上，我國采用的是“較低地震力——較高延性”方案。在大震下所需要的延性需求與其他國家相比，應該屬于高延性需求。
各國規(guī)范
美國UBC 1997
新西蘭NZS3101
歐洲EC8
中國GB50011-2001
加速度系數(shù)
0.075~0.40
0.21~0.42
0.12~0.36
0.05~0.40
1.2 地震作用計算
隨著反應譜理論的不斷成熟，各個國家對地震力在結(jié)構(gòu)上的作用，都接受了底部剪力法和振型分解反應譜法等方法。我國規(guī)范規(guī)定：
底部剪力法適用于高度不超過40m，以剪切變形為主且質(zhì)量剛度沿高度分布均勻的結(jié)構(gòu)，以及近似單質(zhì)點的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的總地震力由確定，然后再沿高度按倒三角形分布分配，并考慮了地震中可能頂部地震力增大的頂點附加集中力。
振型分解反應譜法適用于當前現(xiàn)有大多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)體系。通過振型組合考慮各周期不同的振型在地震反應中的參與程度。對不進行扭轉(zhuǎn)計算的結(jié)構(gòu)，先確定各振型在各質(zhì)點的水平地震作用標準值，在按照公式確定水平地震作用效應；對進行扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)計算的結(jié)構(gòu)，其樓層取兩個正交水平位移和轉(zhuǎn)角位移三個自由度，確定各振型在各樓層兩水平方向和轉(zhuǎn)角方向的地震作用標準值，按或確定水平地震作用效應。
規(guī)范同時還規(guī)定，對特別不規(guī)則的建筑，甲類建筑，規(guī)范表5.1.2－1所列高度范圍的高層建筑，應用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算，可取多條時程曲線計算結(jié)果的平均值與振型分解反應譜法計算結(jié)果的較大值。另外一般彈性時程法分析的結(jié)果有利于判斷薄弱層部位。
對于9度地區(qū)高層建筑考慮豎向地震力，采取與底部剪力法類似的方法，只是豎向地震力的取值約為水平地震力取值的0.57倍左右。
對于長周期結(jié)構(gòu)，地震作用中的地面運動加速度和位移可能對結(jié)構(gòu)具有更大的影響，而振型分解反應譜法無法對此作出估計，新規(guī)范同時還增加了樓層水平地震剪力最小值的要求，見抗震規(guī)范5.2.5條。
2 結(jié)構(gòu)抗震變形驗算
抗震設防三水準的要求是通過兩階段設計來保證的：多遇地震下的承載力驗算，建筑主體結(jié)構(gòu)不受損，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件沒有過重破壞保證建筑正常使用功能；罕遇地震作用下建筑主體結(jié)構(gòu)遭遇破壞，但不倒塌。結(jié)構(gòu)抗震變形驗算是兩階段設計很重要的內(nèi)容。
第一階段設計，變形驗算以彈性層間位移角表示。以保證結(jié)構(gòu)及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不開裂或開裂不明顯，保證結(jié)構(gòu)整體抗震性能。新規(guī)范增加了變形驗算的范圍，對以彎曲變形為主的高層建筑可以扣除結(jié)構(gòu)的整體彎曲變形，因為這部分位移對結(jié)構(gòu)而言是無害位移，只是人的舒適度感覺不同而已，
第二階段的變形驗算為罕遇地震下薄弱層彈塑性變形驗算，以彈塑性層間位移表示。根據(jù)震害經(jīng)驗、實驗研究和計算結(jié)果分析提出了構(gòu)件和節(jié)點達到極限變形時的層間極限位移角，防止結(jié)構(gòu)薄弱層彈塑性變形過大引起結(jié)構(gòu)倒塌。規(guī)范對驗算的范圍有明確規(guī)定，但考慮到彈塑性變形計算的復雜性和缺乏實用軟件，對不同建筑有不同要求。在以后發(fā)展中可以把驗算范圍推廣到更大，甚至可以基于位移控制法來設計結(jié)構(gòu)，滿足某些類型的建筑對結(jié)構(gòu)位移的特殊要求，來保證結(jié)構(gòu)的位移在可接受范圍。
需要說明的是，現(xiàn)階段的位移控制和抗震設計還限于單一地震下結(jié)構(gòu)的反應。如何有效考慮在地震高發(fā)區(qū)及多次地震下累積損傷對結(jié)構(gòu)變形和抗震性能的影響，保證結(jié)構(gòu)整個壽命期內(nèi)的安全，需要進一步的研究。
1 結(jié)構(gòu)設計地震力的確定
1.1 低地震力取值的可行性
到二十世紀八十年代，各國設計規(guī)范都承認這樣一個事實，就是在地震作用下，結(jié)構(gòu)在真正失效前，有一個較大的塑性變形能力（結(jié)構(gòu)延性），即結(jié)構(gòu)在一個較小的地震下可能達到或者接近屈服狀態(tài)；而在較大的地震下，結(jié)構(gòu)的若干部位將陸續(xù)進入屈服后的非彈性變形狀態(tài)，并且隨著地震力的增大，結(jié)構(gòu)中進入彈塑性變形的部位增多，先進入屈服的部位彈塑性變形也增大。結(jié)構(gòu)通過這種變形耗散較多的地震傳來的能量，將其轉(zhuǎn)換成熱能。
對于“設計地震力－延性”聯(lián)合法則，我們可以從地震力和結(jié)構(gòu)相互關系上進行理解：一方面設計地震力低的結(jié)構(gòu)，通過更大的非彈性變形耗散掉更多的地震能量；另一方面結(jié)構(gòu)非彈性變形越大，剛度降低越嚴重，阻尼增大，周期比高設計地震力的結(jié)構(gòu)增長越多，結(jié)構(gòu)受到的總地震力也降低也越多。這就使得我們在設計過程中，在不降低構(gòu)件豎向承載力保證結(jié)構(gòu)延性的前提下，可以取用一個小于設防烈度地震反應水準作為設計中取用的地震作用。反過來講，若采用的設計地震力越低，結(jié)構(gòu)屈服部位在屈服后水平和豎向承載力不降低的前提下需要達到的非彈性變形就越大，也就需要結(jié)構(gòu)有更好的延性性能。
這樣，我們就需要解決如下兩個問題：
A． 如何在設防烈度地震作用與設計地震力取值之間建立恰當?shù)穆?lián)系；
B． 如何在設計地震力與所要求的結(jié)構(gòu)延性建立對應關系。
對于問題A，以N.M.Newmark為代表的眾多學者認為，將設防烈度地震加速度通過地震力降低系數(shù)R（中，美等國）或結(jié)構(gòu)性能系數(shù)q（歐共體，新西蘭等）折減為結(jié)構(gòu)設計加速度，相當于賦予結(jié)構(gòu)一個較小的屈服承載力，結(jié)構(gòu)在豎向承載力不降低的情況下，通過屈服后的非彈性變形來經(jīng)受更大的地震，實現(xiàn)“大震不倒”的目標。因而，采用低設計地震力的關鍵在于保證結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在大震下達到所需的延性。對于地震力降低系數(shù)R或結(jié)構(gòu)性能系數(shù)q，各國設計規(guī)范存在略為不同的處理手法，不過總體而言R或q均為設防烈度地震作用與結(jié)構(gòu)截面設計所用的地震作用的比值。 R或q越大，則要求結(jié)構(gòu)達到的延性能力越大，R或q越小，則結(jié)構(gòu)需要達到的延性能力越小。這樣均能實現(xiàn)“大震不倒”。
對于問題B，國外一般有如下三種設計方案：（1）較高地震力——較低延性方案；（2）中等地震力——中等延性方案；（3）較低地震力——較高延性方案。高地震力方案主要保證結(jié)構(gòu)的承載力，低地震力方案主要保證結(jié)構(gòu)的延性。實際震害表明，這三種方案，從抗震效果和經(jīng)濟性來看，都能達到設防目標。我國的抗震設計采用的是方案（3）即較低地震力——較高延性方案，即采用明顯小于設防烈度的小震地面運動加速度來確定結(jié)構(gòu)的設計地震作用，并將它與其他荷載內(nèi)力進行組合，進行截面設計，通過鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在屈服后的地震反應過程中形成較為有利的耗能機構(gòu)，使結(jié)構(gòu)主要的耗能部位具有良好的屈服后變形能力來實現(xiàn)“大震不倒”的目標。當然，我們還要看到一點，雖然這三個方案都能保證“大震不倒”，但是在改善結(jié)構(gòu)在中小地震下的性態(tài)方面，方案（3）僅僅提高結(jié)構(gòu)的延性水平而結(jié)構(gòu)的屈服水準并沒有明顯提高是明顯不如方案（1）和（2）的。也就是說，在保證“小震不壞，中震可修”方面，方案（1）和（2）是優(yōu)于方案（3）的。
地震動以波的形式在地下及地表傳播，由于震源特點、斷層機制、傳播途徑等因素的不確定性，具有很大隨機性。要想得出地震動對于不同結(jié)構(gòu)有什么不同的反應，就需要在地震動特性與結(jié)構(gòu)反應架起一座橋梁。由于地震動反應譜的形狀特征反應了不同類型結(jié)構(gòu)動力反應的特點，所以各工程中一般采用地震影響系數(shù)譜曲線作為計算地震作用的依據(jù)。
我國的譜曲線綜合考慮了烈度、震中距、場地類別、結(jié)構(gòu)自振周期和阻尼比的影響。根據(jù)新修訂的中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖，給出了抗震設防烈度（中震）下的設計基本地震加速度。通過對震級、震中距、場地類別等因素對結(jié)構(gòu)反應譜的影響，抗震規(guī)范把動力放大系數(shù)取為2.25。根據(jù)統(tǒng)計資料，多遇地震烈度比基本烈度降低約1.55度，相當于地震作用降低0.35倍，即地震力降低系數(shù)為1/0.352.8。從而得到小震時結(jié)構(gòu)的設計加速度，其值與重力加速度的比值即為小震時水平地震影響系數(shù)值。
與其他國家相比，我國的地震力降低系數(shù)R2.7~2.8，其取值與新西蘭“有限延性框架”相當（R=3）；介于歐洲共同體低延性DC“L”（R=2.5）和中延性DC“M”（R=3.75）之間；比美國的“一般框架”（R=3.5）還要略小些。單純從R的角度來看，似乎中國規(guī)范在大震下的延性需求和其他國家相比處在“中等延性結(jié)構(gòu)”水平。但是中國設防烈度下水平地面運動的峰值加速度系數(shù)的取值，要比其他各個國家的低（見下表）。結(jié)構(gòu)動力放大系數(shù)相差不大都在2.25附近，而且我國的譜曲線平臺段與其他國家相比很小，下降段較陡，造成反應譜的取值較其他國家的低，實質(zhì)上中國R＝2.8相當于歐共體的R＝5.0左右，所以實質(zhì)上，我國采用的是“較低地震力——較高延性”方案。在大震下所需要的延性需求與其他國家相比，應該屬于高延性需求。
各國規(guī)范
美國UBC 1997
新西蘭NZS3101
歐洲EC8
中國GB50011-2001
加速度系數(shù)
0.075~0.40
0.21~0.42
0.12~0.36
0.05~0.40
1.2 地震作用計算
隨著反應譜理論的不斷成熟，各個國家對地震力在結(jié)構(gòu)上的作用，都接受了底部剪力法和振型分解反應譜法等方法。我國規(guī)范規(guī)定：
底部剪力法適用于高度不超過40m，以剪切變形為主且質(zhì)量剛度沿高度分布均勻的結(jié)構(gòu)，以及近似單質(zhì)點的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的總地震力由確定，然后再沿高度按倒三角形分布分配，并考慮了地震中可能頂部地震力增大的頂點附加集中力。
振型分解反應譜法適用于當前現(xiàn)有大多數(shù)建筑結(jié)構(gòu)體系。通過振型組合考慮各周期不同的振型在地震反應中的參與程度。對不進行扭轉(zhuǎn)計算的結(jié)構(gòu)，先確定各振型在各質(zhì)點的水平地震作用標準值，在按照公式確定水平地震作用效應；對進行扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)計算的結(jié)構(gòu)，其樓層取兩個正交水平位移和轉(zhuǎn)角位移三個自由度，確定各振型在各樓層兩水平方向和轉(zhuǎn)角方向的地震作用標準值，按或確定水平地震作用效應。
規(guī)范同時還規(guī)定，對特別不規(guī)則的建筑，甲類建筑，規(guī)范表5.1.2－1所列高度范圍的高層建筑，應用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算，可取多條時程曲線計算結(jié)果的平均值與振型分解反應譜法計算結(jié)果的較大值。另外一般彈性時程法分析的結(jié)果有利于判斷薄弱層部位。
對于9度地區(qū)高層建筑考慮豎向地震力，采取與底部剪力法類似的方法，只是豎向地震力的取值約為水平地震力取值的0.57倍左右。
對于長周期結(jié)構(gòu)，地震作用中的地面運動加速度和位移可能對結(jié)構(gòu)具有更大的影響，而振型分解反應譜法無法對此作出估計，新規(guī)范同時還增加了樓層水平地震剪力最小值的要求，見抗震規(guī)范5.2.5條。
2 結(jié)構(gòu)抗震變形驗算
抗震設防三水準的要求是通過兩階段設計來保證的：多遇地震下的承載力驗算，建筑主體結(jié)構(gòu)不受損，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件沒有過重破壞保證建筑正常使用功能；罕遇地震作用下建筑主體結(jié)構(gòu)遭遇破壞，但不倒塌。結(jié)構(gòu)抗震變形驗算是兩階段設計很重要的內(nèi)容。
第一階段設計，變形驗算以彈性層間位移角表示。以保證結(jié)構(gòu)及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不開裂或開裂不明顯，保證結(jié)構(gòu)整體抗震性能。新規(guī)范增加了變形驗算的范圍，對以彎曲變形為主的高層建筑可以扣除結(jié)構(gòu)的整體彎曲變形，因為這部分位移對結(jié)構(gòu)而言是無害位移，只是人的舒適度感覺不同而已，
第二階段的變形驗算為罕遇地震下薄弱層彈塑性變形驗算，以彈塑性層間位移表示。根據(jù)震害經(jīng)驗、實驗研究和計算結(jié)果分析提出了構(gòu)件和節(jié)點達到極限變形時的層間極限位移角，防止結(jié)構(gòu)薄弱層彈塑性變形過大引起結(jié)構(gòu)倒塌。規(guī)范對驗算的范圍有明確規(guī)定，但考慮到彈塑性變形計算的復雜性和缺乏實用軟件，對不同建筑有不同要求。在以后發(fā)展中可以把驗算范圍推廣到更大，甚至可以基于位移控制法來設計結(jié)構(gòu)，滿足某些類型的建筑對結(jié)構(gòu)位移的特殊要求，來保證結(jié)構(gòu)的位移在可接受范圍。
需要說明的是，現(xiàn)階段的位移控制和抗震設計還限于單一地震下結(jié)構(gòu)的反應。如何有效考慮在地震高發(fā)區(qū)及多次地震下累積損傷對結(jié)構(gòu)變形和抗震性能的影響，保證結(jié)構(gòu)整個壽命期內(nèi)的安全，需要進一步的研究。