引言

在自然灾害中，地震灾害由于其突发性和巨大的破坏力被称为群灾之首。受一次次地震的冲击，人类越来越重视抗御地震的重要性，并在20世纪初形成了以地震学、土木工程和结构动力学为主要支撑学科的地震工程学（胡聿贤，2006；张敏政，2015）。地震工程学是研究工程结构，尤其是土木工程结构在遭遇强地震动时安全问题的学科，是防震减灾事业最重要的知识和技术基础，其根本目标是减轻地震灾害，保障社会经济的正常运行和发展。结构抗震设计理论与方法是地震工程学的核心内容，随着破坏性地震的不断发生和人们对震害认识的不断深化，结构抗震设计理论与方法逐步发展、完善。地震震害是地震在大自然中为我们提供的大型现场原型试验，每次地震不可避免地存在重复的震害现象，但由于城市建设和土木工程的不断发展，又出现了新的震害现象。破坏性地震造成的巨大损失和结构抗震的迫切需求是推动结构抗震设计理论与方法不断前进的巨大动力，土木工程结构震害经验的总结推动了结构抗震设计理论与方法的不断发展和进步。结构抗震设计理论与方法的形成和发展过程反映了人们对地震灾害和土木工程结构抗震能力认识的过程。本文较全面地总结了结构抗震设计理论的形成和发展过程，并对不同的结构抗震设计理论与方法进行了比较，详细介绍了基于强度的结构抗震设计方法、基于性态的结构抗震设计方法和基于韧性的结构抗震设计理念。在此基础上，提出了进一步开展建筑抗震韧性研究的建议。

1.   结构抗震设计理论的沿革

追溯抗震设计理论的起源具有一定难度，因为世界上现存的大量古代建筑表现出了优良的抗震性能，经受住了多次破坏性地震的考验，但无法准确了解其设计者在建造时是否考虑了抗震要求。但可以推测，人类的祖先在建造这些殿堂楼阁时一定反复地吸取了地震震害的经验。现代的抗震设计理论是从20世纪初形成在日本，这是学术界的共识（谢礼立等，2003；胡聿贤，2006；张建新等，2014；张敏政，2015）。日本抗震设计理论的研究始于19世纪后半叶的明治维新之后（柴田明德，2020）。19世纪末和20世纪初全球若干次破坏性地震极大地推动了现代结构抗震设计理论的发展，经过百余年的不懈努力，已逐步形成了静力理论、反应谱理论、动力理论、性态理论（中国工程建设标准化协会，2004）和韧性理念等现代抗震设计理论，为指导不同时期的结构抗震设计发挥了重要作用。

早期的结构抗震设计理论是静力理论，发轫于日本，形成于19世纪末20世纪初，利用静力方法进行结构强度验算。在没有强震记录的20世纪初期，静力理论在结构抗震设计中发挥了重要作用。由于利用该理论设计的房屋经受住了日本关东大地震的考验，故其在日本得到广泛应用，美国的抗震规范也采用了该理论（龚思礼，1994）。由于缺少对地震动特性的了解，20世纪20年代至30年代，在日本抗震界出现了著名的“刚柔之争”。实际上，结构的地震反应不仅与结构本身的特性有关，还与输入的地震动频谱特性有关，反应谱理论的出现平息了“刚柔之争”，给出了理论上的科学解释。

反应谱理论于20世纪40年代起源于美国，1932年美国研制出世界上第1台强地震记录仪，并陆续获得了一批强震记录。在获得强震记录数据的基础上，美国学者豪斯纳（Housner G. W.）利用模拟计算机技术完成了第1批反应谱曲线的计算，并于20世纪50年代将该理论引入美国加州的抗震设计规范。相比静力理论，反应谱能够反映地震动的特性，故自20世纪60年代起被广泛应用于世界各国的抗震设计中（IAEE，1996）。应该强调，当时由于计算机技术的落后，在一定程度上限制了反应谱理论的发展。

20世纪70年代，随着计算机技术的发展、强震观测记录的丰富以及地震动大型试验台的建设，推动了按照输入地震动加速度时程计算结构反应的研究，形成了结构抗震动力理论。该理论较反应谱理论得到的结果更精确，要求对结构输入一定概率意义的加速度时程，考虑结构反应的全过程，还要考虑多种使用状态和安全保证概率，即弹性范围内考虑强度极限，非弹性范围内考虑变形极限和能量损耗，可满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防水准。显然，该理论以保障生命安全为主要设防目标，未考虑地震作用下非结构构件破坏造成的经济损失。针对这种情况，美国学者博特罗（Bertero V. V.）在总结1989年美国加州洛马普列塔地震震害后，于1996年最早提出了基于性态的抗震设计方法（Bertero，1996）。

基于性态的抗震设计也称功能抗震设计或性能抗震设计，该理论以结构使用功能为控制目标，是反应谱理论及动力理论的进一步发展，其基本框架主要包括确定结构的设防水准，划分结构的性态水平，选择合适的性态目标，确定结构抗震设计的性态准则，确定基于性态的抗震设计方法及基于性态的抗震设计规范。目前，基于性态的抗震设计方法已被中国、美国和日本等国家的抗震设计规范采纳。1996年，美国联邦紧急事务委员会（FEMA）提出了一系列性态目标及达到这些目标的分析和设计方法。日本政府于1998年按照基于性态目标的要求修订了建筑标准法。我国编制了基于性态的抗震设计规范（中国工程建设标准化协会，2004）。基于性态的抗震设计思想是根据建筑用途、重要性及设防水准制定性能目标，进行抗震设计，使结构在未来可能发生的地震中具有预期的性态和安全度，将地震灾害损失控制在预期范围内，但未关注震后结构的修复及功能的恢复。2011年，日本“3.11”地震和新西兰基督城地震后，人们发现城市遭遇强烈地震后，不仅破坏性大，而且恢复难度大，修复费用高，社会影响严重，由此，抗震韧性开始受到关注。2012年，美国联邦紧急事务委员会（FEMA）给出了新一代建筑抗震性态评价方法FEMAP-58（FEMA，2012），提出了基于韧性的抗震设计理念。韧性是物理学名词，20世纪70年代，加拿大生物学家霍林（Holling C. S.）首次将韧性应用于生态领域（Holling，1973），用于描述生态系统受到干扰后维持和恢复原有功能的能力。自此，韧性被广泛应用于工程和社会等学科领域。

从抗震设计理论的发展和演化过程来看，基于韧性的抗震设计理念源于基于性态的抗震设计方法。与基于性态的抗震设计方法不同，基于韧性的抗震设计理念不仅要满足性态设计的要求，还需要考虑震后结构的修复及功能的恢复。基于韧性的抗震设计理念被认为是当前抗震设计领域最先进的理念，代表着结构抗震设计理论最新的发展方向，由于刚刚起步，诸多问题尚待深入研究和探索。

2.   结构抗震设计理论的比较

本文将用于结构抗震设计的静力理论、反应谱理论、动力理论、基于性态的抗震设计方法和基于韧性的抗震设计理念进行比较，如表1所示。由表1和前文可知，抗震设计理论的发展具有深刻的继承性和延续性，其发展过程反映了人们对结构地震破坏机理的认识过程，同时，也反映了土木工程学科的进步及社会经济的发展。

表 1  结构抗震设计理论比较

Table 1.  Comparison of structural seismic design theories

名称	形成时间	核心内容	优点	缺点	主要贡献者
静力 理论	20世纪初期至20世纪40年代	假定结构为刚性，结构上任意点的加速度等于场地岩土运动的加速度，结构所受地震作用可简化为作用于结构的水平等效静力，其值等于结构质量乘以地震系数，地震系数由烈度确定。	简单易行，无须建立结构动力模型，抗震设计时仅需考虑采用静力的允许应力，对于缺失强震记录的20世纪初期，在抗震设计中发挥了重要作用	未考虑地震的动力特性和结构的动力性质（变形和阻尼），理论上仅适用于完全刚性的结构。	大森房吉、真岛健三郎、佐野利器、末广恭二、武藤清、河野清夫等
反应谱 理论	20世纪40年代至60年代	结构可简化为多自由度体系，多自由度体系的地震反应可按振型分解为多个单自由度体系反应的组合，单自由度的最大反应利用反应谱求得。该理论经过不断改进与完善，被广泛应用与各国抗震设计中。	考虑了地震动、结构的动力特性及结构和地震动之间的共振效应，将反应谱和结构振型分解法结合，使复杂的多自由度体系地震反应求解成为可能。	无法确定结构的弹塑性反应，并在具体设计中仍将地震惯性力视为静力，需利用场地加速度反应谱。	比奥(Biot M. A.)、豪斯纳 (Housner G. W.)
动力 理论	20世纪70年代至80年代	将结构简化为多自由度体系，将有代表性的地震动加速度时程作为地震动输入，选择合理的结构动力模型和动力反应分析方法，最终得到每一时刻结构的地震反应。	可求解大震作用下结构的弹塑性地震反应，较反应谱法的精度高，更符合地震对结构作用的物理过程。	计算方法复杂，工作量大，对地震波选择要求高，对结构和构件模型要求高。	武藤清、豪斯纳(Housner G. W.)、纽马克
性态 理论	20世纪90年代至21世纪初	在每种抗震设防水准下，对建筑进行全面的抗震性能分析，依据建筑的使用功能和业主的需求确定抗震性能目标并进行抗震设计，以实现预期的抗震性能，使震害损失控制在预期范围内。	以结构的使用功能为控制目标，克服了以保障生命为控制目标带来的问题，弥补了基于承载力的抗震设计存在的无法预估结构屈服后工作状态的缺陷。	理论和方法均需进一步完善，结构性能水平的划分尚不统一，需进一步经受大震的检验。	博特罗 (Bertero V. V.)
韧性 理念	21世纪初	在满足性态设计要求的同时，不仅考虑地震时结构的性态，还考虑了震后结构的修复及功能的恢复。基于抗震韧性的抗震设计理念被认为是当前抗震设计领域最先进的理念，代表着结构抗震设计理论最新的发展方向。	弥补了基于性态的抗震设计方法的不足，在抗震设计中既考虑了地震时结构的性态，又考虑了结构在震后的恢复能力。	目前基本停留在概念、指标和评价方法的讨论上，尚未形成用于设计的理论框架，仍需研究探索。	美国联邦紧急事务委员会（FEMA）

下载: 导出CSV 

| 显示表格

3.   基于强度的抗震设计方法

结构抗震设计方法是抗震设计理论在具体工程中的应用，其随着抗震设计理论的发展、震害经验的积累和社会经济的发展不断改进与完善。目前各国抗震规范规定的抗震设计方法主要包括基于强度的抗震设计方法和基于性态的抗震设计方法（张桦，2016；李雪等，2018），基于韧性的抗震设计方法刚刚起步。

抗震设计的终极目标是保证地震作用下结构不被破坏并保持使用功能，结构由不同的材料组成，应力与强度的对抗是人们判断材料是否被破坏的朴素想法和基本准则。无论是静力理论、反应谱理论还是动力分析理论，在给定不同风险水平的地震作用下，在设计中均需归结为应力与强度的对抗问题，因此称其为基于强度或承载力的设计方法，该方法自20世纪初至今被各国抗震设计规范采用。我国现行《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）（2016年版）采用的抗震设计原则被归纳为“三水准，两阶段”（中华人民共和国住房和城乡建设部等，2010），其本质是基于强度的设计方法，具体含义为小震作用下保证建筑主体结构不被破坏，中震作用下保证建筑可修，大震作用下保证建筑不会倒塌。为此，抗震设计时需进行小震作用下的承载力验算和弹性变形验算及大震作用下的弹塑性变形验算。大量的震害实践表明，“三水准，两阶段”的设计方法基本适用于当前建筑的抗震设计，利用该方法设计的建筑在地震中表现出良好的抗震性能，达到了抗震设计目标，因此该方法被世界各国普遍认同。

需要强调的是，随着经济的快速发展及城市人口和社会财富的高度集中，地震产生的后果越来越严重。现行的抗震设计规范主要通过控制结构构件的承载力和变形实现抗震设计目标，但对于非结构构件，并未给出相应的设计规定，而非结构构件的破坏也可能造成建筑使用功能的中断，需耗费较多的修复费用和时间。因此，20世纪90年代，美国科学家率先提出了基于性态的抗震设计方法（Bertero.R.D等，2002）。

4.   基于性态的抗震设计方法

基于性态的抗震设计要求建筑不仅需要满足抗震设防水准，又要全面考虑结构及非结构构件破坏造成的经济损失。该方法根据不同的抗震设防水准，将结构抗震性能划分为不同等级，根据建筑用途、业主的需求进行抗震设计，实现多级性能目标，达到安全可靠、经济合理的优化平衡。该抗震设计的实质是对地震破坏进行定量或半定量控制，确保人员伤亡和经济损失在预期可接受的范围内。

在基于性态的抗震设计方法发展过程中，美国学者Bertero（Bertero等，2002）、Krawinkler（Krawinkler，1996，2002）等均做出了重要贡献，美国应用技术委员会（ATC）、联邦紧急事务委员会（FEMA）和加州结构工程师学会（SEAOC）等研究机构为该方法的发展奠定了坚实的基础，提供了强大的推动力。中国地震工程界在20世纪90年代末期开始了性态设计方法及其应用研究，王光远、谢礼立、汪梦甫和周锡元等均为性态设计在中国的发展做出了重要贡献（王光远等，1999；谢礼立等，2002；汪梦甫等，2003），谢礼立等主编了《建筑工程抗震性态设计通则》（试用）（CESC 160:2004）（中国工程建设标准化协会，2004），为现有规范尚未覆盖的抗震设计问题提供了解决途径，同时为各部门和各地区编制抗震设计规范提供了参考。《建筑工程抗震性态设计通则》中首次以设计通则的形式提出了抗震性态设计的概念、基本原理、原则和方法。

基于性态的抗震设计方法研究取得了一定进展，被认为是未来抗震设计的发展趋势，但将其真正应用于工程中，实现基于性态的抗震目标仍有大量的问题需要研究。目前，世界上大部分国家仅在现行的抗震设计规范中增加了一些性态设计的思想，如我国现行的建筑抗震设计规范（GB 50011—2010）（2016年版）（中华人民共和国住房和城乡建设部等，2010），在抗震设防目标中规定“使用功能或其它方面有专门要求的建筑，当采用抗震性能优化时，具有更具体或更高的抗震设防目标”。基于性态的抗震设计未充分考虑地震后影响建筑恢复使用功能的外部阻碍因素和次生灾害对建筑的影响。针对此问题，在抗震研究领域产生了基于韧性的抗震设计思想和理念。

5.   基于韧性的抗震设计理念

基于韧性的抗震设计理念是21世纪以来随着韧性城市概念的提出而产生的。2012年，美国联邦紧急事务委员会（FEMA）给出了新一代建筑抗震性态评价方法FEMAP-58（FEMA，2012），奠定了工程结构抗震韧性的理论基础。基于韧性的抗震设计理念的基本含义是考虑未来地震动极大的不确定性，通过设置多道防线，保证结构遭遇超设防地震时不至倒塌，使用功能不会中断。基于韧性的抗震设计理念要求抗震设计不仅关注建筑在地震作用下的损伤情况和相应的修复费用、时间，还要考虑震后影响建筑恢复使用功能的外部阻碍因素。

结构抗震韧性设计思想需要满足性态设计要求，不仅要考虑地震时结构的性态，还要考虑震后结构的修复及功能的恢复。2013年，Arup公司提出了REDi体系，建立了建筑韧性评级系统（Almutfti等，2013）。2015年，美国可恢复功能理事会（USRC）成立，旨在推动工程建筑韧性评级的普及，并实现韧性城市的建设（Mayes等，2015）。2020年，中国发布《建筑抗震韧性评价标准》（GB/T 38591—2020）（国家市场监督管理总局等，2020），并于2021年开始实施。这些工作都极大地推动了建筑韧性抗震设计理念的发展。当前的研究主要集中在建筑结构功能的可恢复上（周颖等，2011；吕西林等，2014），对生命线工程系统和地下结构抗震韧性的研究还不够充分，诸多问题尚待深入研究。

总之，基于韧性的抗震设计理念在一定程度上弥补了基于强度、性态抗震设计方法的局限性，这一理念对于提升结构应对地震风险的承载能力、恢复能力和适应能力极为重要。但相关研究仍处于探索和起步阶段，尚未纳入抗震设计规范，若干问题有待深入研究。尽管如此，基于韧性的抗震设计理念的先进性已成为学术界共识。

笔者认为基于韧性的结构抗震设计应注重以下方面：

（1）开展韧性和结构抗震韧性的基础理论研究，正确理解韧性和结构抗震韧性的概念，准确描述和刻画结构抗震韧性的内涵和韧性行为，建立完善的基于韧性的抗震设计理论设计方法，并使其早日纳入规范，为工程建设服务。

（2）加强基于韧性的建筑抗震设防目标和设防标准的研究，这是开展建筑抗震韧性设计的基础。建筑抗震设防的核心内容之一是制定合理的抗震设防标准，并在建设实践中实施，设防标准的制定主要包括确定设防原则、设防目标、设防环境、设防参数、设防水准和设防等级等。

（3）认真总结结构的震害经验，梳理和归纳建筑不具韧性的原因，进而明确如何使建筑具有韧性。郭迅等（2019）根据汶川地震结构破坏的调查结果，认为建筑和各类基础设施遭到地震破坏的原因除地质灾害外，主要是建筑的抗震设防标准过低或设计不合理，使其抗震能力不足，体现在建筑结构上的“散、脆、偏、单”，这是设计上的“人为失当” （郭迅等，2019）。总结震害经验是结构提高抗震设计水平和抗震能力的根本途径。

（4）倡导大力开展功能可恢复的建筑材料和结构新体系的研究，为提高建筑抗震韧性提供技术支撑。从韧性抗震设计的含义可以看出，强调结构的功能恢复是基于韧性抗震设计最显著的特点，功能可恢复材料和结构新体系的研究是基于韧性抗震设计的基础，也是实现韧性抗震设计的保障。

（5）建议开展建设场地抗震韧性的研究，场地是建筑的依托体，建筑抗震韧性离不开对场地韧性的评价。从目前已有资料来看，世界各国的抗震设计规范均对场地抗震设计做出了规定。目前，场地抗震韧性的研究在国内外还是空白，开展场地抗震韧性的研究是基于韧性抗震设计不可回避的问题。

6.   结语

结构抗震设计理论起源于20世纪初期，经历了静力理论、反应谱理论、动力理论、基于性态的抗震设计理论发展阶段，21世纪初进入了基于韧性的抗震设计理念阶段。随着结构抗震设计理论的发展，结构抗震设计方法不断发展与改进。结构抗震设计理论和方法的沿革表明，结构震害经验的总结是结构抗震设计理论和方法不断发展的基础；土木工程和地震学等学科的进步及社会经济的发展为结构抗震设计理论和方法的发展提供了理论支撑；以减轻地震灾害为目标的工程抗震设计需求是结构抗震设计理论和方法不断进步的巨大动力。21世纪以来，随着韧性城市概念的提出而产生的基于韧性的抗震设计思想代表着当前结构抗震领域的发展方向，是目前结构抗震领域的研究热点，若干问题尚需深入研究。