第1章 绪论
1.1 背景和意义
地震发生非常频繁，地球上每年约有 500万次地震发生，地震具有不可预知性，强震一旦发生，将对人类生命和财产安全构成巨大威胁。我国是一个多地震的国家，1976年发生的唐山大地震（ML=7.8）、2008年发生的汶川地震（ML=8.0）， 2013年发生的芦山地震（MS=7.0）以及 2017年发生的九寨沟地震（MS=7.0）等大地震都给人类生命和财产安全造成了巨大的损失。损失主要是由于工程结构的抗震能力不足，在地震作用下发生倒塌破坏以及产生的次生灾害造成的（谢礼立， 2009；谢礼立和*哲， 2016）。只有通过科学有效的抗震设计理论，提高工程结构抗震能力，才能更好地保障人类生命和财产安全。
地震研究不断进步和发展，1933年 3月 10日美国洛杉矶地区发生 Long Beach（长滩）地震（MW=6.3），科学家使用加速度记录仪在这次地震过程中记录到了世界上**条有历史意义的地震动（Trifunac and Brady，1975；常志旺， 2014），这在地震工程发展史上是非常重要的一步。之后，反应谱方法用于评价地震动记录特征被提出并得到广泛发展（Biot，1932，1933，1943），地震动反应谱能够很好地反映地震动的峰值和频谱特性，使它与结构的振型分解法相结合，将复杂的多自由度体系在地震作用下的反应问题大大简化。地震动反应谱理论的发展为抗震设计提供了有效的方法。目前主要基于加速度反应谱进行设计，在少数研究中会基于位移反应谱、能量反应谱等进行抗震设计。随着强震观测技术的发展，很多国家和地区纷纷建立了自己的强震台站和数据库，其中包括美国的 NGA- West2数据库以及 COSMOS数据库，日本的 K-NET数据库和 KiK-net数据库等，这些数据库累积了数以万计的地震动记录，为结构抗震设计提供了宝贵的数据资料（Ambraseys and Bommer，1991；樊圆等， 2018；Ancheta et al.，2014；Archuleta et al.， 2004）。虽然目前很多国家收集到了成千上万的地震动记录，但是如此众多的地震动记录对结构的破坏能力差异是非常显著的，如何在抗震设计时挑选合理的输入地震动进行抗震设计，这是地震工程领域中的一个难题。*直接的方法就是将所有的地震动记录全部输入结构进行非线性时程分析，将所得结果进行对比，但这是不现实的。目前挑选地震动记录进行抗震设计的方法有规范谱法、一致危险谱
法、条件均值谱法、临界激励法、*不利设计地震动的方法等。
这些方法在一定程度上能够满足挑选输入地震动记录的要求，但是同样存在一些缺点，需要引起我们的重视和思考。因此本书主要从以下方面进行分析： ①对于某一地区的结构，目前我们只知道该地的场地类别，无法估计某一地区在未来将要遇到什么样的地震，地震的震级和震中距无法预测，地震动的峰值和频谱等参数同样也不能确定。 ②抗震设计谱是以地震动加速度反应谱特性为依据，加速度反应谱的本质是单自由度弹性反应谱，虽然能体现出频谱特性，但是不能体现出地震动持时和能量累积特征。 ③获取的地震动记录数量数以万计，随机选取几条地震动记录输入，如 El Centro地震动记录、 Taft地震动记录等，必然带有很大的随机性和盲目性。 ④*重要的是，目前挑选输入地震动方法不能定量评价每一条输入地震动的潜在破坏能力，在基于选取的地震动进行抗震设计时无法评估结构面临的地震风险水平。
针对上述问题，本书提出了一种新的挑选输入地震动的方法。该方法与基于性态的抗震设计理论紧密结合，提出了一整套从地震动参数、单自由度损伤指数到多自由度损伤指数定量分析的理念。能够明确设计的建筑结构在未来可能面临的地震风险水平，使结构的损失风险控制在预期的范围内（赵国臣， 2018； Gaxiola-Camacho et al.，2017；蒋欢军等， 2008；Zhang et al.，2016），该理念与 Moehle（1992）提出的基于性态的抗震设计理论是相似的。
在进行抗震设计时，定量描述地震动对结构的破坏强度，明确基于选取的输入地震动进行抗震设计在未来所面临的地震风险是至关重要的。从 1906年美国旧金山地震算起，历经 110余年努力，现代地震工程取得重大进展。但在全世界地震工程科学家和工程师面前仍有一个始终未解决的难题：怎样科学评价地震动对工程的破坏作用以及怎样对迄今为止实际记录到的数以十万计的地震动记录按其对工程破坏强弱进行比较和排序。
结构抗震设计的*大困难是：不知工程在寿命期内会遭遇怎样的地震动，更不知工程在未来地震作用下面临怎样的风险。但是我们可以假定所设计的结构在未来遇到的地震动十分类似于现有地震动记录中的某一条记录。如果我们对现有的地震动按其破坏强度进行排序，我们就能控制工程的地震风险，明确结构在未来面临的风险大小。
因此本书*先广泛地选取了大量具有潜在破坏能力的地震动记录，然后确定出能够表征地震动对结构破坏能力的地震动破坏强度参数，*后基于选取的破坏强度参数进行排序，并以超越概率的形式定量描述不同地震动对结构的破坏强度。这与传统抗震设计理念存在本质不同。选择不同超越概率的输入地震动进行抗震设计时，可以明确结构面临不同的风险水平，设计者可以根据目标结构的重要性等级、经济效益以及可承受地震风险水平自行选择输入地震动。
1.2 设计地震动选取的国内外研究现状
工程结构进行抗震设计时*先需要选取输入地震动，并且选取的方法有很多种，很多国家都制定了自己的抗震设计的规范，而各国规范的规定也不尽相同。本书将根据规范谱选取输入地震动进行结构抗震设计的方法称为规范谱法。还有一些专家认为规范谱存在一些缺点，对规范谱法进行了改进，使其与目标谱匹配时离散性更小，但是其本质还是匹配目标谱。这两类方法的本质都是通过计算的反应谱与目标谱相匹配来挑选输入地震动，还有一些专家从源头进行创新，从与规范谱完全不同的角度来挑选输入地震动。针对以上三类选取输入地震动的方法，以下进行详细论述。
1.2.1 基于规范谱的地震动选取方法
基于规范谱的地震动选取方法主要是以各国规范中规定的设计谱作为选取依据，通过控制与设计谱的匹配误差选择输入地震动。抗震设计的共同目的是使结构在地震作用下不被破坏，保护人们的生命财产安全，但是各个国家的规范在抗震设防目标、设计反应谱取值、场地类别以及底部剪力法计算时都有较大差别。
*先在抗震设防目标方面，我国抗震设计规范从《建筑抗震设计规范》（GBJ 11—89）以后一直采用三水准设防目标，到现在的《建筑抗震设计标准》（GB/T 50011—2010，2016年版）一直沿用，即 50年内超越概率分别为 63%、10%、2%～ 3%，分别对应着“小震不坏”、“中震可修”和“大震不倒”设防目标。 2000年以后美国规范主要考虑两种（IBC，2018［S］）：50年超越概率 2%对应的*大考虑地震以及极限地震的 2/3的设计地震。而在欧洲规范（EN 1998-1-2010［S］）中，设计基准使用的为 50年超越概率为 10%。
场地类型对地震动有较大的影响，我国抗震规范规定场地划分标准是根据土层的覆盖层厚度和等效剪切波速进行划分。美国规范和欧洲规范都是根据 30m厚土层的平均剪切波速，美国规范将场地划分为了 A～E共 5类，欧洲规范将场地划分为了 7类。
不同国家的抗震规范在设计反应谱形式、地震剪力以及地震作用取值标准等方面也存在明显区别（张艳青等， 2020；范力等， 2006；罗开海和王亚勇， 2006；余湛等，2008）。
1.2.2 基于改进的目标谱匹配的地震动挑选方法
在对结构进行动力时程分析之前，设计地震动的选取是一个重要的考虑因素。合理选择地震动，可以使得结构响应的偏差和方差降低到与使用更先进的地震动强度测量方法相当的水平。同时，所选用的方法不宜过于复杂，应采用简单的强度测量方法来处理记录，以方便用户使用。
国内外学者提出了很多通过反应谱与目标谱匹配来选取地震动的方法，他们还指出了一些需要考虑的因素。本节提到目标谱谱型匹配与设计谱匹配是有差别的，其范围比设计谱的范围要广，其一是指规范中给出的设计谱，其二是指地震危险性分析给出的一致危险谱、条件谱以及条件均值谱等，在本书中将这些谱统称为目标谱。
*先从反应谱谱型进行改进，邓军和唐家祥（2000）通过大量地震动统计得到在整个反应谱频段内控制谱型是很困难的，频段的选取是以 1 s为区间长度，提出将［ 0，6 s］范围内的反应谱平均分成 6个频段，在每一频段上选取与目标谱误差较小的地震动记录。目标结构的自振周期被认为是一个非常重要的参数，*先考虑的就是在结构自振周期处的谱匹配方法的改进，杨浦等（2000）提出通过控制反应谱的两频段选取输入地震动的方法，包括自振周期段和设计反应谱平台段，要求输入地震动与设计谱在两频段内的差值相差不超过 10%。该方法得到广泛应用。但是也有专家认为只注重自振周期是不完全准确的，结构的等效周期（Teq）也是研究的一种重要参数，*哲等（2011）通过分析得出，合理地选择地震动强度指标、同时考虑台站和地震信息和准确估计结构的 Teq能够有效减小结构响应的离散性。宋亚澜和周颖（2017）提出了一种新的挑选地震动记录思路：通过能力谱法估算 Teq，然后控制 Teq附近周期段进行谱匹配。
在挑选地震动记录时，一般将地震动记录的峰值加速度（PGA）调幅到同一水平下进行选取。常磊（2011）等提出结构动力时程分析所用地震动记录调整应基于 EPA而非 PGA，提出了一种与地震动记录特性相适应的分段有效峰值加速度（EPA）地震动调整方法，并应用于某超高层时程分析中，取得良好的效果。除了 EPA，其他参数也常被使用。许松（2013）提出了参数化选波方法，该方法包含两个步骤，**步先通过设定条件和特性参数衰减规律选出备选数据库，然后根据统计意义相符原则，采用*优化方法，从初选地震动中选出一组*佳组合，使得其平均反应谱与目标反应谱的拟合程度*高。
对于高层或高大结构，考虑多因素和多阶振型周期选取输入地震动是非常有必要的，王东升等（2013）以某百米高桥墩为例，通过控制设计谱平台段与结构前几阶周期点谱值与地震动反应谱的误差选择输入地震动，结果离散性较小。
以 Baker和 Cornell为代表的专家学者不以设计谱作为匹配标准，而从考虑场址地震危险性的角度进行地震动选取，提出的一致危险谱、条件均值谱等得到广大地震工作者的接受和认可。 Baker提出了条件均值谱，并不断改进（Baker and Cornell，2005，2006a，2006b；Baker and Allin，2010；Baker，2011）。该方法详细描述，相对于一致危险谱的优点，认为一致危险谱选取的地震动记录过于保守。该方法通过设定震级、震中距、特定周期等一系列场景参数，用 .代表反应谱谱型。同时利用均值谱和衰减关系选出输入地震动。冀昆等根据这套理论基于我国的强震台网数据进行分析，提出了适用于我国场址的输入地震动选取方法（Ji et al.，2018）。
可以得到，上述规范谱和改进的规范谱法主要是基于反应谱匹配的方法挑选输入地震动。
1.2.3 基于*不利和临界激励的方法挑选地震动
有些专家认为对于某些特别重要的建筑物来说，仅仅依靠匹配某一烈度水平的设计谱选取地震动记录不能满足抗震设防要求，输入地震动有很大的不确定性，对于不容易精确预测的即将发生的地震事件，应当选取那些破坏能力*强，*危险的地震动记录进行结构抗震设计。因此，“临界激励”的概念被提出（Drenick， 1973），即通过一组允许的输入地震动中产生给定结构的*大响应来寻找“合成”加速度记录，使系统达到给定的响应*大化的激励。此后一些专家对该方法不断进行完善和修改（Srinivasan et al.，1992；Manohar and Sa
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