建筑结构抗震设计课程教学探讨★

王 涛 孟丽岩

(黑龙江科技大学建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)



建筑结构抗震设计课程教学探讨★

王 涛 孟丽岩

(黑龙江科技大学建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

介绍了建筑结构抗震设计课程的重要性，从地震作用、结构材料、结构地震反应分析等方面，总结了在建筑结构抗震设计课程教学与科研工作中的一些感悟，旨在培养学生的结构设计创新能力。

结构抗震设计，地震作用，建筑材料，结构体系

0 引言

土木工程的英文为Civil Engineering，含义为民用工程，与军事工程相对而言；土木工程的中文含义是采用土和木等材料建造的工程结构，为满足人类的生存和改造自然的生产活动以及能够为更幸福的生活提供场所。其中，保护人类生存是土木工程的初衷。地震灾害是一种最为常见的自然灾害，灾害是事物发展过程中的一种极端表现，毫不夸张地讲地震灾害是目前威胁人类生存的最严重的灾害，可谓群灾之首。近年来我国地震灾害频发，地震灾害归根到底是土木工程灾害，地震中建筑物的倒塌是人员伤亡最直接的原因。生命是无价的，要能确保满足人类追求幸福生活的同时，更要能够保证在极端作用下人的生命存在，这是土木工程不可逃避的责任。结构抗震就是通过合理的结构设计来抵抗未来可能的地震作用，是目前最为有效减轻地震灾害的手段。近些年地震灾害让我们不得不更深层次来思考结构抗震的内涵。结构抗震可以理解为是采用不能被彻底认知的材料，建造出不能被精确分析的结构，来抵御无法准确预测的地震作用。

目前建筑科技发展日新月异，各种结构体系层出不穷，新型建筑材料也日益丰富，先进的施工技术有能力将建筑师的奇思妙想成为现实。当我们在为科技的力量欢欣雀跃时，然而客观地讲，在大自然面前尤其是在减小地震灾害方面，目前我们依然还是一名小学生。土木工程的发展在为满足人们的各种需要和欲望的同时，却常常不能实现土木工程的初衷，即保证人在自然界中的生命安全。这是土木工程所面对的尴尬与无奈，更是土木工程人的责任与挑战。

结构抗震就是为了提高建筑结构在地震中安全性的学科。结构抗震设计理论方面的课程就是一门基于现行结构抗震设计规范的土木工程专业课[1-3]，担负着对目前抗震研究领域相对成熟的设计理论和设计方法的传播功能，也担负着使土木工程专业的学生成为有思想、有知识、有能力、有担当的未来土木工程师和结构抗震领域科研人员的培养功能。结构抗震课程知识点多，理论性强、涉及学科门类广，这对授课教师的教学能力和学生的学习能力都有很高的要求[4，5]。要从本质上提高教学效果，就需从更高的视角来审视这门课程的内涵和外延，让学生能够知其然也要知其所以然，以增强学生学习兴趣和培养学生创新能力。文章从深层次理解结构抗震所遇到的困难，并思考结构抗震目前所存在的问题。笔者十余年来一直从事土木工程专业本科生和研究生的结构抗震课程的教学工作和结构抗震领域的科研工作。下面分别从地震作用、结构材料、结构体系、结构地震反应分析、结构抗震设计等方面来谈谈自己在科研和教学过程中对结构抗震所积累的一些感悟，探讨结构抗震中的科学思维方法，与同仁们分享、讨论。

1 无法准确预测的地震作用

结构抗震如同要打一场战争一样，要想取得战争的胜利，需要知己知彼，才能百战不殆。结构抗震这场战争的敌人就是地震作用。然而，我们对地震作用的了解远不及军事战争中对敌人的认知程度。人们对地震作用的认识经历了漫长的岁月，直到现在我们也没有能力真正准确地计算出结构的地震作用。在地震工程学科建立之前，人们通常会把地震看成是一种超自然的力量，也就是说地震作用是不可知的，只能静静等待地震的到来，任凭地震的摧残。地震作用本身具有强烈的随机性，不仅与地震本身有关也与结构的自振特性密切相关。与其他作用相比，地震作用是一种间接作用，看不见摸不着，是一种惯性力。可见地震作用本质上是以运动形式存在，故称为地震动。地震动的幅值、频谱和持时是地震动最主要的特性。

20世纪初期，大森房吉、佐野利器等日本学者提出了“震度法”，建立了静力理论，从此拉开了现代地震工程研究的序幕。至今百余年来，研究者们一直在苦于探索如何才能既简便又准确地反映真实的地震作用。静力理论形式简单，其核心思想是假定结构是与地面嵌固的刚体，结构的水平地震作用取结构重力与地震系数的乘积，地震系数建议取0.1。在静力理论中，刚体假定忽略了结构本身是变形体的本质，也没有考虑结构自振特性对地震作用的影响，地震系数的取值也很难准确反映不同地震大小的影响。尽管静力理论如此粗糙，但该理论抓住了地震动的幅值特性，这也是人们对地震作用认识过程中质的飞跃。

20世纪30年代，美国受到日本地震工程研究的影响，也开展了强地震动的观测，并成功获得了El Centro地震记录。20世纪40年代，美国学者Biot和Housner等人基于实测的地震记录提出了反应谱方法。反应谱理论在保持静力理论基本形式的基础上考虑了结构的自振特性，反映了地震动的频谱特性，使抗震理论又向前迈了一大步，目前我国抗震规范的地震作用计算所采用的振型分解反应谱法和底部剪力法就是依据反应谱理论。然而，反应谱理论只说出地震动的一半问题，没有考虑地震动持时对结构破坏的影响。

20世纪50年代，美国学者Housner提出了时程分析方法，能够同时反映振动幅值、频谱、持时三要素，从此结构抗震进入了动力理论阶段。随后美国学者Clough，Newmark和日本学者武藤清等人分别在结构有限元、数值积分算法和结构弹塑性理论等方面做出了巨大贡献，使得抗震分析理论从弹性时程分析发展到弹塑性时程分析阶段，并在实际工程应用中取得了显著成绩。然而，时程分析的结果又很大程度上取决于地震动记录输入的选择和结构模型的精确程度。

由以上分析可见，对地震作用认识经历了一个由简到繁、由浅及深的过程，目前的理论成果来之不易，但仍需进一步理论探索。这并不是地震作用认知的终点，我们依然还在路上。

2 不能被彻底认知的结构材料

俗话说“巧妇难做无米之炊”，土木工程结构同样需要建筑工程材料。传统的材料有土、木、钢材、石材、砌块、混凝土等。在绿色建筑节能减排的号召下，建筑材料科学有了突飞猛进的发展，建筑工程有了更多的新型轻质、高强、高性能材料的选择，也为实现特殊形式、特殊功能的建筑结构提供了物质保障。

钢筋混凝土是由钢筋和混凝土组成的复合材料，共同工作是要有可靠的粘结性的前提。混凝土本身就具有非常大的离散性，通常也是带裂缝工作的。在地震作用下，钢筋混凝土材料经历弹性变形阶段、开裂阶段、弹塑性变形阶段到逐渐丧失承载能力阶段。在每一个阶段中，材料的性能都会发生本质的变化，从理论上如何准确地描述这些行为也是非常具有挑战性的。

受到生活习俗和当地经济的影响，目前我国农村大部分地区采用的都是以砌体材料为主的房屋结构。然而，这一类房屋结构在地震中的破坏率和倒塌率却是很高的。从材料的角度来讲，砌体结构是由砌块和砂浆砌筑而成，然而这两种材料本身性能差别很大，又很大程度上受到施工质量的影响。因此，从理论上要说清楚材料在结构中的受力行为及确定破坏准则更是一件非常困难的事情。我们一般是在试验研究的基础上，做出一些假定，利用经典的力学来描述材料的性能，然而现实中的材料与经典力学中的材料有本质的差别。同时，材料在静载下的性能与在地震作用下的性能也存在明显差异。目前材料及构件层次的恢复力模型种类繁多，仍没有被广泛认同的模型和模型参数确定方法。

土木工程的发展呼唤着新型材料的出现，材料科学的发展又会促进土木工程学科的进一步发展，二者相辅相成，相互影响。提高对建筑材料的认知程度会大大增强结构抗震设计的可信度。

3 不能被精确分析的结构

建筑行业“节能减地”是城市发展的基本战略，随着经济和建筑技术的飞速发展，世界各地涌现出一系列设计理念超前、科技含量高、使用要求高、施工难度大的重大工程。结构越来越呈现出“高”“大”“怪”等新特点，建筑作为凝固的音乐记录了时代艺术的魅力和科技发展的进步，同时结构本身的复杂性也为抗震设计提出了新的更大挑战。随着建筑层数和高度的增加，地震作用对高层结构的安全性的控制则会更加显著。为了适应不断攀升的建筑高度，就必须提高结构的抗侧移刚度，以控制结构在水平作用下的侧移。结构体系也由传统的框架结构(20层)、剪力墙结构(35层)以及框架—剪力墙结构(50层)逐步发展为框筒结构(55层)、筒中筒结构(65层)、束筒结构(75层)、巨型框架(90层)和大型支撑类结构体系(140层)。目前，很多超高层结构采用多种材料和结构类型的混合结构体系。

在结构抗震中要知己知彼，知己就是对我们结构自身的认识。无数次地震灾害警示我们要重视结构的规则性。怪异的结构体型不仅会减弱结构的抗震能力，同时也会大大增加结构分析的难度。不是结构师要埋没建筑师奇思妙想的灵感，而是结构师目前确实还没有精确分析出复杂结构地震反应的能力。楼房已经建造完成了，可谁又能保证在之后的极端作用下结构是安全的。中国唐山地震、中国汶川地震以及美国“911”事件等都说明了建筑结构在抵抗极端作用能力的不足和结构倒塌后所造成人员伤亡等后果的严重性。

与军事战争相比，战争胜利的标准是不同的，军事战争可以以牺牲人的生命为代价消耗敌人、攻占城池或夺取政权，然而结构抗震这场战争是以地震中牺牲最少的人作为胜利的最低标准，若能保证在地震中结构不倒塌则是锦上添花。可见，在关注结构体系发展的同时更要提升对结构体系抗震性能，尤其是结构抗倒塌性能的认知。

4 不完善的结构地震分析

结构地震反应分析是指以结构动力学为基础，计算和分析结构在地震输入下的结构响应，检验结构的抗震性能，并为抗震设计提供指导和建议。进行结构抗震分析时，首先就需要将结构系统简化为力学模型，进而抽象为数学模型，计算在系统输入下结构系统的输出，即结构的地震反应。结构地震反应分析结果误差主要来自于三个方面，分别是系统的输入选择的合理性、结构系统的简化模型的准确性以及结构反应的计算方法的可靠性。目前我们根据场地条件和设防烈度来选择地震记录的输入，但这并不能代表未来结构可能遭遇的地震动。与真实结构相比，结构模型也做了大大的简化，忽略了很多影响因素，尤其在结构、构件、材料的恢复力模型上还很难达到共识。结构弹塑性地震反应分析主要是基于动力有限元分析方法，有限元将结构连续体在空间上进行了离散近似，逐步积分算法则是将结构反应在时域上进行了离散近似，这些近似算法的精度都会受到某些条件的限制，有时计算结果误差较大，甚至会发散。尽管地震反应分析还存在以上问题，但这并不能否认结构抗震分析的必要性。大量的震害表明，经过抗震分析并进行抗震设计的工程结构远比未经过抗震分析和抗震设计的工程结构优越，这也得到了理论界和工程界的广泛认同。

为了检验结构分析结果的有效性，目前可采用三种验证手段：1)进行结构抗震试验；2)结构地震反应监测；3)结构震害研究。实践是检验真理的唯一标准，试验是实践的一种近似体现。与航天工程、机械工程领域相比，由于土木工程结构体型庞大，几乎不可能完成足尺结构的抗震加载试验，因此通常采用模型结构试验。近几年，国际上陆续举办多次不同类型结构的盲测试验，以检验现有的各种数值模拟方法。比赛结果表明参赛者采用不同软件甚至采用同一软件所模拟的结果相互都存在较大差异，这也说明我们目前的结构地震反应分析还要进一步的完善。由于受到模型尺寸效应和加载时间效应的影响，模型结构的抗震试验结果能否再现原型结构真实的地震反应和抗震性能也是值得商榷的。由于在地震中的结构安装监测设备数量很少，这也大大降低了采用结构地震反应监测检验地震结构分析的可行性。

结构震害可以被看作是对真实结构进行了一次最真实的足尺结构试验，结构在地震中的表现是最有说服力的。所以，我们更要分外重视历次地震中的震害，从中获得启示。要从震害中找到结构倒塌规律，并用来检验、发展现有的结构分析方法，改进现有抗震设计方法。

5 发展中的结构抗震设计

结构抗震设计是基于现行的抗震设计规范进行的设计工作。为满足抗震设防目标，一个完整的抗震设计应包括三个方面，即概念设计、抗震验算和构造措施，三者缺一不可，互为补充。自从新中国建国以后，我国陆续颁布了59，64，74/78，89，2001，2010等6版抗震设计规范。每一次的抗震规范的修订都在吸纳国内外相关学科的最新研究进展和借鉴结构最新震害的启示。“89版规范”明确提出了三水准抗震设防目标，“2001版规范”关注了基于性能的抗震设计，吸纳了弹塑性静力推覆分析和隔震、消能减灾等抗震设计方法。“2010版规范”吸纳了很多汶川地震中的震害启示，尤其是加强了概念设计和构造措施，重视了强柱弱梁延性破坏的保障。结构抗震设计也从基于承载力的设计方法发展到基于承载力和延性的设计方法，目前正向基于性能抗震设计方法方向发展。传统的抗震设计主要是依靠主体结构或构件的破坏来耗散地震能量，其核心思想是“抗”，通过增大构件截面尺寸和材料强度及用量来提高结构的抗震能力，以硬碰硬，往往为两败俱伤，震后结构难以修复。结构振动控制技术将控制技术与土木工程相结合，通过在结构上设置控制元件来消耗、吸收、调频地震能量，从而降低结构的地震反应，提高结构抗震性能。根据控制中外部输入能量的大小，振动控制可分为被动控制、主动控制、半主动控制和智能控制。虽然目前结构振动控制技术工程应用还很有限，技术本身的有效性还有待于在地震中进一步验证，但可以将其看作为一种广义上的抗震设计方法，这为结构抗震打开了一扇窗，使得结构抗震设计更有主动性和生命力。

6 结语

结构抗震的认识经历了由浅入深、由表及里、循序渐进的过程，也是在理论研究和实践中逐渐知己知彼的过程。结构抗震理论错综复杂，科学研究就是要逐渐认识事物本质的过程，找到事物发展的客观规律。引导学生既要怀有感恩之心，珍惜现有的结构抗震的认识成果，同时也要清楚地知道现有的认知仅仅是现阶段的相对真理而已，要不断汲取结构抗震经验和教训。结构抗震方法和技术在不断修正和发展，鼓励学生要有更为开放的心态来学习这门课程，体味结构抗震中的科学思维方法。

[1] 翟长海，李 爽，徐龙军，等.建筑结构抗震设计教学改革探索[J].高等建筑教育，2011，20(3)：88-90.

[2] 郑妮娜，杨 溥，刘立平，等.结构抗震设计课程教学问题调研[J].高等建筑教育，2014，23(3)：75-77.

[3] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[4] 王 涛，孟丽岩，高红梅，等.结构抗震设计课程模块化课程体系的教学改革[J].山西建筑，2016，42(1)：242-243.

[5] 炎 军，王振波.《工程结构抗震设计原理》教学改革与探讨[J].攀枝花学院学报，2015,32(2)：156-157.

Discussion on seismic design of structure course teaching★

Wang Tao Meng Liyan

(SchoolofCivilEngineering,HeilongjiangUniversityofScience&Technology,Harbin150022,China)

This paper introduced the importance of building structural seismic design course, from the geological process, structural materials, structural seismic response analysis and other aspects, summarized some comprehension in building structures seismic design course teaching and scientific research work, aimed to cultivate the students’ structure design innovation ability.

structural seismic design, earthquake effect, building material, structural system

1009-6825(2016)05-0248-03

2015-12-05★:黑龙江省教育科学“十二五”规划2013年度课题“‘3+1’人才培养模式下土木工程专业结构设计类课程改革的理论与实践研究”(课题编号：GBD1213065)

王 涛(1978- )，男，博士，副教授; 孟丽岩(1977- )，女，硕士，副教授

G642.0

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