《强地震动按破坏强度的排序研究》：破解世界地震工程科学百年难题

地震动是造成工程结构地震破坏的原因，定量评估地震动对结构的破坏作用对于合理选取设计地震动进行抗震输入非常重要。全世界地震工程科学家和工程师面临的一个始终未解决的难题是：怎样科学地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大量强震动记录按其对工程破坏强弱进行比较和排序。本书从地震动记录本身特征出发，逐步介绍了地震动参数计算、不同结构的类别划分、地震破坏机制分析、地震动破坏强度定量排序及其影响因素分析以及基于超越概率的地震动破坏强度确定等方面的内容。

前 言

众所周知，大地震时产生的强烈地震动是造成土木工程结构地震破坏的最重要的原因。虽经几代人百余年的努力，但到目前为止结构工程师仍无法确定结构未来将会遭遇或者承受什么样的地震动作用，更不清楚按照现行抗震设计规范规定的或者地震动危险性分析给出的设计地震动所设计的结构在未来的地震中会面临多大的风险。造成这些问题的主要原因，一方面是因为影响地震动破坏作用的参数（如加速度值、速度值、位移值、持时、频谱组成等）较多，即使在同样幅值的地震动作用下也会造成结构不同程度的破坏效果，甚至幅值较小的地震动的破坏作用还大于幅值更大的地震动；另一方面是因为结构种类繁多，不同的结构由于其周期、阻尼、非线性特性、结构破坏机制等的不同，也同样会在相同的地震动作用下产生大相径庭的破坏后果。这是全世界地震工程科学家和工程师百余年来一直面临的设计尴尬和难题，即：怎样科学地评价地震动对工程的破坏作用，以及怎样对迄今为止在实际强烈地震中记录到的大量强地震动记录按其对工程结构的破坏强弱进行比较和排序？

为了解决这个难题，本研究将现有结构按其自振周期分为三类，按结构所在的场地分为四类，对不同结构的类别采用不同的破坏机制，并进一步考虑结构的非线性水平对地震动破坏作用的影响，将数以万计的实际测录到的强地震动记录按照它们对结构的破坏作用的强烈程度进行排序，最终以超越概率的形式给出不同强度水平的推荐设计地震动记录，并进行了工程实例的验证和应用。按这种方法给出的排序地震动将为设计人员提供一个合理的设计地震动数据库，从而可以定量地控制所设计结构可能面临的未来地震风险。

本研究历经二十余年，获得以下四个方面的研究成果：

（1）提出了按照结构的自振周期和响应特征对结构进行分类的方法。将结构按自振周期分成三类：刚性、刚-柔性和柔性。假定同一类别的结构有相同的破坏机制，不同类别的结构破坏机制不同。研究表明结构周期段划分越精细，得到的地震动排序越精确。此外还同时考虑了场地因素对结构周期段划分的影响，最终得到了与场地相关的结构周期段分类的结果，为按照结构类别进行地震动排序提供了基础。

（2）厘清了不同类别结构的地震破坏机制，在统计意义上，分别确定了刚性、刚-柔性和柔性结构的各自破坏机制。并在此基础上证实了地震动对刚性结构的破坏作用取决于地震动的加速度幅值的大小，对刚-柔性和柔性结构的破坏作用主要取决于地震动的速度幅值的强弱，为基于破坏强度的地震动排序提供了依据。

（3）揭示了结构的非线性程度对结构地震响应值及其响应排序的影响。在不同的地震动作用下，在几乎所有的土木工程结构中可能出现的非线性程度范围内，发现结构的非线性程度对其响应都会有显著影响，但是对结构响应的排序几乎没有影响，这一结论为地震动排序提供了十分重要的理论基础。

（4）对迄今为止世界上通过实际观测得到的数万条强地震动记录提出了基于超越概率表征的设计地震动的排序，从而能可靠地给出按此排序设计的抗震结构未来可能面临的地震破坏风险。

内容介绍

本书介绍了国内外挑选输入地震动方法以及研究地震动强度指标和结构响应内在联系的发展和现状，尽可能多地选取了地震动记录和地震动参数，并通过相关性分析选出相对独立的代表性参数，明确不同结构在地震作用下的响应指标，并对结构进行分类，对地震动破坏参数与不同结构响应的离散性进行分析，最终确定不同工况下与结构响应相关性最好的地震动破坏参数，以超越概率的形式表示地震动对不同结构的破坏强度，并给出推荐输入地震动记录。具体研究内容如下：

1

绪论

对本书的研究背景和选题意义进行了论述，介绍了目前国内外抗震设计时强震记录选取以及地震动破坏参数和结构响应相关性分析的研究现状和进展，探讨了目前结构抗震设计面临的问题。针对目前面临的问题提出了“强地震动按破坏强度定量排序研究”的目标和关键科学问题，论述了“强地震动按破坏强度定量排序”的基本思路和框架，并对涉及的专业名词进行了解释。

2

地震动记录和地震动参数的选取

本章一方面详细论述了NGA-West2数据库、KiK-NET数据库、VDC数据库等地震动数据库，最终通过对比和分析选取了NGA-West2数据库作为本书数据来源。从中选取PGA大于50Gal的水平向地震动记录作为具有潜在破坏能力的地震动记录集合。另一方面合理地选取地震动参数描述地震动的潜在破坏能力。对初选的17个地震动参数进行相关性分析，最终选取了PGA、PGV、PGD、Du、Db和Ds共6个代表性地震动参数作为初步排序标准。

3

结构周期段划分

本章首先详细阐述了基于自振周期进行结构周期段划分的意义，对目前结构周期段划分的研究现状进行了论述。主要采用多种方法基于周期对刚性结构、刚-柔性结构以及柔性结构的周期范围进行了重新划分，将基于改进的Newmark-Hall方法划分结果与基于聚类分析得到的周期范围划分结果进行对比。最终在考虑场地分类的基础上给出了0～10s范围内的结构周期段划分数量以及周期段划分范围。

4

结构非线性对响应排名的影响

分别在刚性结构、刚柔结构和柔性结构周期段内，分析了平均加速度、速度以及位移响应排序与不同周期条件下响应排序的离散性。并对不同响应指标排序的离散性进行了对比分析，在不同结构内选取最佳的结构响应指标作为损伤指数，并基于确定的损伤指数建立损伤指数排序，并对可能影响损伤指数排序合理性的场地类别、周期以及屈服强度系数进行了分析。最终建立了用于表征刚性结构、刚-柔性结构和柔性结构损伤的地震动破坏强度排序。

5

地震动破坏参数和损伤指数排名离散性分析

首先在不同结构周期段内建立大量代表性结构，分析了不同损伤指数与不同结构响应之间的相关性。并且分析不同地震动参数与MDOF结构损伤之间的相关性。论证在不同结构内建立的损伤指数排序的合理性，同时基于MDOF结构揭示了地震动参数与结构损伤之间的关系。

6

基于超越概率的设计地震动选取

将地震动破坏强度排序与超越概率相结合，以超越概率的形式表征地震动破坏强度，确定了每一条地震动在不同场地、结构周期段内对结构破坏的风险水平。并且给出了表征不同地震动破坏强度的超越概率对应的推荐设计地震动，并基于实际工程结构论证了推荐设计地震动的合理性。

在2024年意大利举办的第18届世界地震工程大会上，中国工程院院士谢礼立研究员被国际地震工程协会（IAEE）授予“国际地震工程大师”称号，并做以本专著成果为主题的大师报告。

作者简介

谢礼立中国工程院首批院士，江汉大学名誉教授，中国地震局工程力学研究所名誉所长，中国地震工程联合会会长。曾连续十年担任联合国《国际减灾十年》特设专家组专家。曾任国际地震工程协会副主席、国际地震学与地球内部物理学协会执行理事和国际强地震学学会主席等职务。谢礼立主要研究领域是地震工程与安全工程，城市防震减灾能力评估，工程抗震设防标准，抗震设计规范研究等。他是国际上最早提出城市抗震韧性的理念并率先进行研究的少数学者之一，是中国防灾工程和安全工程研究的开拓者，也是我国唯一被国际地震工程协会授予最高和终身名誉理事称号和“国际地震工程大师”的学者。本专著相关研究成果《Ranking strong earthquake ground motion recordings based on the degree of damage to structures caused by the whole time history》已由国际地震工程协会（IAEE）出资公开发行，免费赠送全世界100多个国家约5000名专家以推广应用。谢礼立的主要研究成果《建筑结构基于性态的抗震设计理论、方法及应用》曾获国家科技进步奖一等奖1项，以及黑龙江省最高科技奖及省部级科技进步奖10余项。

胡进军中国地震局工程力学研究所研究员，博士生导师。主要从事地震动特征与强度指标研究，主持国家自然科学基金等项目10余项，发表学术论文100余篇，编写《建筑工程性态抗震设计通则》等地震行业标准4部，获国家科技进步一等奖和省部级科技进步一等奖多项，培养硕士、博士研究生30余名。

来庆辉温州理工学院副教授，主要从事建筑、桥梁抗震设计地震动选取，地震动破坏强度定量排序等相关研究。主持国家自然科学基金青年项目1项，在国内外学术刊物上发表论文10余篇，授权发明专利7项，软件著作权1项。

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本书可供地震工程、结构工程、土木工程等专业的技术人员以及高等院校和科研院所的教师和研究生参考。

本文摘自科学出版社2025年3月出版《强地震动按破坏强度的排序研究》一书，内容有删节。标题为编者所加。

（本文编辑：王运 wangyun@mail.sciencep.com）

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