建筑结构抗震设计理论与方法（第2版）

本书全面介绍了建筑结构抗震领域前沿研究成果和发展趋势，可作为建筑结构抗震课程的教材使用，也可供从事建筑结构抗震相关工作的科研人员和工程设计人员在实际工程项目中参考使用。

本书详细讲解建筑结构抗震设计的基础理论，全面介绍建筑结构抗震设计方法的发展与前沿。第 1～ 8章首先介绍地震学和结构振动分析的基础知识，然后讲解单自由度体系的地震响应规律和反应谱，接下来讲解多自由度体系的分析模型、分析方法和地震响应规律，最后从能量的角度分析结构地震响应和地震损伤。第 9～18章则首先介绍建筑结构抗震设计方法和相关规范，并介绍基于性能的抗震设计及其在规范中的体现，然后讲解地基基础、砌体结构、钢筋混凝土结构和钢结构的抗震设计，接下来讲解隔震和消能减震结构设计，最后介绍震后功能可恢复结构的概念和实现方法，以及非结构构件的抗震设计。

潘鹏：清华大学工学学士、工学硕士、日本京都大学工学博士、日本学术振兴会外国人特别研究员，现为清华大学长聘教授，博士生导师，土木水利学院党委副书记。主要研究方向为：（1）高性能隔震和消能减震（振）结构；（2）基于性能的抗震设计和优化方法；（3）大型复杂结构抗震实验技术和地震响应分析方法；（4）韧性城镇与基础设施的建设和评估。他是地震工程国际顶级期刊《EESD》首位大陆编委、结构工程国内顶级期刊《建筑结构学报》编委，曾获国家科技进步一等奖和二等奖各1项，以及科学探索奖，曾入选 长江学者奖励计划特聘教授和国家高层次人才特殊支持计划（万人计划）。主持/参加多个国家和部委科研项目，是国家十三五重点研发计划的项目负责人。主编/参编多部国家设计规范和技术标准，是国家标准《建筑抗震韧性评价标准》和行业标准《石油化工工程减隔震（振）技术规范》的主编。先后在国内外高水平期刊、会议上发表论文100余篇，其中SCI收录60余篇。出版结构实验技术专著1本，消能减震（振）结构设计教材1本。

第1章  绪论 1
1.1  建筑结构抗震的任务和内容 1
1.2  建筑结构抗震设计的特点 1
1.3  本书的主要内容 3

第2章  地震学基础知识 4
2.1  有关地震的一些基本概念 4
2.2  地震的成因和机制 5
2.3  地震波概述 8
2.3.1  地震波的特性 8
2.3.2  地震波的传播机制 9
2.4  地震震级 12
2.4.1  里氏震级 12
2.4.2  面波震级 13
2.4.3  体波震级 13
2.4.4  持时震级 13
2.4.5  矩震级 14
2.4.6  震级计算 14
2.4.7  震级和能量 15
2.4.8  震级和频度 15
2.4.9  震级和断层 15
2.5  地震震害 16
2.6  地震烈度 17
2.7  地震动 20
2.7.1  地震动观测 20
2.7.2  地震动的类型 23
2.7.3  地震动的频率特征 24
2.7.4  地震持时 26
2.7.5  地震三要素综合影响实例 28
2.7.6  地震动的衰减规律 32
习题 34
参考文献 34
第3章  结构振动分析基础 35
3.1  结构动力分析模型 35
3.2  结构振动方程 37
3.2.1  振动体系的自由度 37
3.2.2  单自由度体系的动力方程 37
3.2.3  多自由度体系的振动方程 40
3.3  单自由度体系的振动分析 42
3.3.1  无阻尼自由振动 42
3.3.2  有阻尼自由振动 43
3.3.3  强迫振动 46
3.3.4  Duhamel积分 50
3.4  多自由度体系的振动分析 53
3.4.1  振型分析 53
3.4.2  无阻尼体系的自由振动 55
3.4.3  有阻尼体系的自由振动 56
3.4.4  强迫振动 58
3.4.5  特征值和特征向量计算 59
3.5  动力分析的数值方法 61
3.5.1  线性加速度法 61
3.5.2  平均加速度法 64
3.5.3  Newmark-??法 65
3.5.4  多自由度体系Newmark-??法 67
3.6  频域分析方法 69
3.6.1  对周期性荷载的反应 69
3.6.2  频域分析 70
3.6.3  时域和频域转换函数之间的关系 72
3.7  随机振动理论 72
3.7.1  随机过程的基础知识 72
3.7.2  线性单自由度体系的平稳随机反应 76
3.7.3  线性单自由度体系的非平稳随机反应 77
习题 79
参考文献 80

第4章  单自由度结构的地震响应 81
4.1  单自由度结构的受震位移响应 81
4.2  反应谱的概念 82
4.3  弹性反应谱 85
4.3.1  反应谱之间的关系 85
4.3.2  反应谱的特征 87
4.3.3  反应谱的标准化与设计反应谱 89
4.3.4  傅里叶谱与反应谱 92
4.3.5  弹性反应谱的不足 95
4.4  结构恢复力模型 95
4.5  单自由度结构的弹塑性地震响应 101
4.5.1  承载力和延性对地震响应的影响 101
4.5.2  滞回模型对弹塑性地震响应的影响 107
4.6  弹塑性反应谱 108
习题 113
参考文献 113

第5章  多自由度结构弹塑性分析模型 114
5.1  概述 114
5.2  层模型 115
5.2.1  剪切型层模型 115
5.2.2  弯曲型层模型 122
5.2.3  弯剪型层模型 123
5.3  杆单元模型 127
5.3.1  两端简支杆单元 127
5.3.2  两端自由杆单元 128
5.3.3  两端有刚域杆单元 129
5.3.4  杆端弹塑性弹簧杆模型 131
5.3.5  其他弹塑性杆模型 135
5.3.6  多弹簧杆模型 139
5.3.7  基于纤维模型的杆单元 140
5.4  剪力墙模型 143
5.4.1  柱模型 143
5.4.2  支撑桁架模型 144
5.4.3  边柱 中柱复合模型 144
5.4.4  分层壳模型 145
5.5  上部结构与基础的共同工作 146
5.5.1  子结构法 147
5.5.2  集中参数法 148
5.5.3  直接法 150
习题 152
参考文献 152

第6章  多自由度结构弹塑性分析方法 153
6.1  动力弹塑性时程分析法 153
6.1.1  简述 153
6.1.2  动力弹塑性时程分析基本原理 153
6.1.3  动力弹塑性时程分析地震波选择 157
6.1.4  人工模拟地震动加速度时程生成方法 160
6.2  静力弹塑性分析方法 162
6.2.1  简述 162
6.2.2  加载模式 163
6.2.3  等效单自由度及其位移模式 168
6.2.4  目标位移 170
6.2.5  静力弹塑性分析的适用条件 177
6.2.6  不规则结构的适用性 178
6.2.7  振型推覆分析方法 179
6.3  等价线性化方法 182
6.3.1  单自由度结构的等价线性化方法 182
6.3.2  多自由度结构的等价线性化方法 187
习题 190
参考文献 192

第7章  多自由度结构的地震响应 194
7.1  动力方程 194
7.2  线弹性多自由度体系的振动分析 195
7.3  振型分解反应谱法 199
7.4　复振型分解法和复振型分解反应谱法 202
7.4.1　复振型分解方法 202
7.4.2　复振型分解反应谱法 206
7.5  结构弹塑性地震响应 208
7.5.1  剪切层模型结构 208
7.5.2  双重结构层模型 221
习题 227
参考文献 228

第8章  地震能量和损伤分析方法 229
8.1  单自由度地震能量分析 229
8.1.1  振动能量方程 229
8.1.2  地震输入能量谱 235
8.1.3  最大弹塑性位移 240
8.2  多自由度体系的能量分析 244
8.2.1  弹性多自由度体系 244
8.2.2  弹塑性多自由度体系 247
8.2.3  最大层间位移 248
8.3  结构地震损伤分析 252
8.3.1  损伤的概念和损伤指标 252
8.3.2  单参数损伤模型 253
8.3.3  双参数损伤模型 255
8.3.4  等效极限延性系数 257
8.3.5  损伤程度评价 259
习题 260
参考文献 260

第9章  结构抗震设计方法和规范 262
9.1  结构抗震设计方法的发展 262
9.1.1  基于承载力设计方法 262
9.1.2  基于承载力和构造保证延性设计方法 263
9.1.3  基于损伤和能量设计方法 264
9.1.4  能力设计方法 264
9.1.5  基于性能/位移设计方法 265
9.2  结构抗震能力和性能指标 266
9.2.1  结构的性能指标 266
9.2.2  抗震设防水准与抗震性能需求 269
9.3  我国建筑结构抗震设计方法 270
9.3.1  我国结构抗震发展概况 270
9.3.2  三水准设防目标与二阶段设计 271
9.3.3  地震作用计算 272
9.3.4  结构抗震设计方法 283
9.4  美国抗震规范介绍 288
9.4.1  简述 288
9.4.2  抗震设防目标 290
9.4.3  反应谱 290
9.4.4  地震作用计算 292
9.4.5  抗震设计 293
9.4.6  结构体系 293
9.5  日本抗震规范介绍 295
9.5.1  简述 295
9.5.2  地震作用计算 296
9.5.3  第二阶段设计 299
习题 304
参考文献 304

第10章  基于性能/位移结构抗震设计方法 305
10.1  概述 305
10.2  结构抗震性能水准和目标 308
10.3  基于位移性能的设计方法 311
10.3.1  简述 311
10.3.2  结构抗震体系与结构性能控制 312
10.3.3  直接基于位移设计方法 314
10.4  基于性能的地震工程 318
10.4.1  简述 318
10.4.2  理论框架 319
10.5  基于韧性的地震工程 320
10.5.1  简述 320
10.5.2  国际相关建筑抗震韧性评价标准 321
10.5.3  我国《建筑抗震韧性评价标准》概述 321
10.5.4  建筑抗震韧性评价算例分析 326
习题 330
参考文献 330

第11章  地基与基础抗震设计 332
11.1  概述 332
11.2  场地 333
11.2.1  建筑场地类别 333
11.2.2  建筑场地评价及有关规定 336
11.3  地震时的地面运动特性 337
11.3.1  场地土对地震波的作用与土的卓越周期 337
11.3.2  强震时的地面运动 344
11.4  天然地基与基础 345
11.4.1  可不进行天然地基与基础抗震承载力验算的范围 345
11.4.2  天然地基抗震承载力验算 345
11.5  地基土的液化与防治 347
11.5.1  液化的概念 347
11.5.2  影响地基土液化的主要因素 348
11.5.3  液化的判别 350
11.5.4  液化地基的评价 352
11.5.5  地基抗液化措施 353
11.6  桩基的抗震验算 354
11.6.1  桩基不需进行验算的范围 355
11.6.2  低承台桩基的抗震验算 355
11.7  软弱黏性土地基 357
习题 357
参考文献 358
第12章  砌体结构的抗震性能与设计 359
12.1  砌体结构的震害 359
12.1.1  一般砌体结构的震害特点 359
12.1.2  底部框架-抗震墙砌体房屋震害特点 362
12.1.3  砌体结构震害规律 363
12.2  多层砌体结构布置与选型 363
12.2.1  房屋层数和总高度的限制 363
12.2.2  房屋高宽比的限制 364
12.2.3  砌体抗震横墙的间距 365
12.2.4  房屋局部尺寸限值 365
12.2.5  多层砌体房屋的建筑布置和结构体系 365
12.2.6  防震缝设置 366
12.3  多层砌体结构的抗震设计 366
12.3.1  水平地震作用计算简图 366
12.3.2  楼层水平地震剪力的分配 368
12.3.3  墙体抗震承载力验算 370
12.4  多层砌体结构房屋的抗震构造措施 372
12.4.1  多层砖砌体房屋的抗震构造措施 373
12.4.2  多层小砌块房屋的抗震构造措施 377
12.5  底部框架-抗震墙砌体房屋的抗震设计 379
12.5.1  底部框架-抗震墙砌体房屋的结构布置 379
12.5.2  底部框架-抗震墙砌体房屋的抗震计算 379
12.5.3  底部框架-抗震墙砌体房屋抗震构造措施 382
12.6  砌体结构抗震加固 384
12.6.1  扶壁柱加固技术 384
12.6.2  钢筋网水泥砂浆面层加固技术 385
12.6.3  外套整体式加固技术 387
12.6.4  预应力钢板带加固技术 388
12.6.5  高强钢绞线-聚合物砂浆面层加固技术 389
12.6.6  滑移隔震层加固技术 391
习题 393
参考文献 394

第13章  钢筋混凝土结构的抗震性能与设计 395
13.1  多层和高层钢筋混凝土结构的震害 395
13.1.1  场地引起的震害 395
13.1.2  结构布置引起的震害 395
13.1.3  钢筋混凝土框架结构的震害 397
13.1.4  剪力墙结构的震害 401
13.2  多高层钢筋混凝土结构选型、结构布置和设计原则 402
13.2.1  结构选型 402
13.2.2  结构布置 403
13.2.3  钢筋混凝土结构房屋的抗震等级 408
13.2.4  钢筋混凝土结构房屋的延性和屈服机制 410
13.2.5  材料及连接 411
13.2.6  楼梯间 412
13.2.7  基础结构 412
13.3  钢筋混凝土框架结构的抗震设计 413
13.3.1  水平地震作用计算 413
13.3.2  框架结构内力及水平位移计算 414
13.3.3  内力组合及最不利内力 425
13.3.4  框架结构截面设计 426
13.3.5  框架结构构造措施 432
13.3.6  预应力混凝土框架的抗震设计要求 437
13.4  抗震墙结构的抗震分析 439
13.4.1  抗震墙结构的设计要点 439
13.4.2  地震作用的计算 439
13.4.3  地震作用在各剪力墙之间的分配及内力计算 443
13.4.4  截面设计和构造 444
13.5  框架-抗震墙结构的抗震设计 447
13.5.1  框架-抗震墙结构的设计要点 447
13.5.2  地震作用的计算方法 447
13.5.3  结构内力计算 447
13.5.4  截面设计和配筋构造 456
13.6  混凝土结构抗震加固 456
13.6.1  扩大截面法 457
13.6.2  粘贴钢板加固法 458
13.6.3  碳纤维加固法 460
13.6.4  附加子结构加固法 462
13.6.5  消能减震加固法 464
13.6.6  隔震加固法 466
习题 467
参考文献 469

第14章  钢结构的抗震性能与设计 471
14.1  多层和高层钢结构房屋的主要震害特征 471
14.1.1  梁柱节点连接的破坏 472
14.1.2  梁、柱、支撑等构件破坏 474
14.1.3  结构倒塌 475
14.2  多层和高层钢结构的选型与结构布置 475
14.2.1  多层和高层钢结构体系的选型 475
14.2.2  多层和高层钢结构房屋的平面布置原则 477
14.2.3  多层和高层钢结构房屋的竖向布置原则 478
14.2.4  多层和高层钢结构布置的其他要求 479
14.3  多层和高层钢结构房屋的抗震概念设计 479
14.3.1  结构方案的选择 480
14.3.2  多道防线的设置 480
14.3.3  强节点弱构件的设计 480
14.3.4  强柱弱梁的设计 482
14.3.5  偏心支撑框架的弱消能梁段要求 483
14.3.6  其他抗震设计要求 484
14.4  多层和高层钢结构房屋的抗震计算 486
14.4.1  结构计算模型 486
14.4.2  地震作用的计算 487
14.4.3  计算要求 487
14.5  多层和高层钢框架结构房屋的抗震构造措施 488
14.5.1  纯框架结构抗震构造措施 488
14.5.2  钢框架-中心支撑结构的抗震构造措施 492
14.5.3  钢框架-偏心支撑结构的抗震构造措施 494
14.6  钢结构抗震加固 496
14.6.1　钢结构抗震加固原则 496
14.6.2　改变结构体系加固法 496
14.6.3　增大截面加固法 497
14.6.4  粘贴钢板加固法 498
14.6.5  外包钢筋混凝土加固法 499
14.6.6  连接与节点的加固 500
习题 503
参考文献 504

第15章  消能减震结构设计 505
15.1  概述 505
15.1.1  基本概念 505
15.1.2  消能减震结构的发展与应用 506
15.2  阻尼器 507
15.2.1  速度相关型阻尼器 508
15.2.2  位移相关型阻尼器 510
15.3  消能减震结构的设计要点 512
15.3.1  消能减震结构的设防水准 512
15.3.2  消能减震结构方案 513
15.3.3  消能减震结构的设计计算方法 513
15.4  消能减震结构设计实例 515
15.4.1  项目背景 515
15.4.2  结构概况 516
15.4.3  结构模型 517
15.4.4  输入地震动评价 519
15.4.5  分析流程概述 520
15.4.6  基于能量法的减震效果评价 520
15.4.7  基于时程分析法的减震效果评价 522
15.5  其他结构减振（震）控制方法 525
习题 526
参考文献 526

第16章  隔震结构设计 527
16.1  概述 527
16.1.1  基本概念 527
16.1.2  隔震结构的发展与应用 528
16.2  隔震支座 530
16.2.1  叠层橡胶隔震支座 530
16.2.2  摩擦摆隔震支座 532
16.2.3  其他隔震支座 533
16.3  隔震的基本原理 534
16.4  隔震结构的设计要点 538
16.4.1  隔震结构基本要求 538
16.4.2  隔震结构方案设计 539
16.4.3  隔震结构的设计计算方法 540
16.5  新建隔震结构的设计实例 542
16.5.1  结构概况 542
16.5.2  结构模型 543
16.5.3  输入地震动评价 544
16.5.4  设计流程概述 546
16.6  隔震加固结构的设计实例 547
16.6.1  项目背景 547
16.6.2  结构概况 547
16.6.3  结构模型 549
16.6.4  输入地震动评价 549
16.6.5  设计流程概述 551
16.7  高层结构隔震设计 551
习题 552
参考文献 552

第17章  震后功能可恢复的新型抗震体系 553
17.1  功能可恢复的概念 553
17.2  自复位框架结构 554
17.2.1  自复位钢框架梁柱节点 554
17.2.2  自复位钢支撑 558
17.3  自复位摇摆墙 560
17.3.1  结构体系概述 560
17.3.2  工程应用实例 562
17.3.3  摇摆墙刚度需求 566
17.3.4  框架-墙连接形式探究 569
17.3.5  填充墙作为摇摆墙 574
17.4  可更换连梁高层剪力墙结构 577
17.4.1  组装式自复位连梁 580
17.4.2  开槽式楼板 584
习题 590
参考文献 590

第18章  非结构构件抗震设计 592
18.1  概述 592
18.2  非结构构件震害 592
18.2.1  建筑非结构构件 592
18.2.2  机械、电气和管道（MEP）构件 594
18.2.3  建筑内部家具 596
18.3  非结构构件抗震设计方法 596
18.3.1  美国统一建筑规范 596
18.3.2  美国FEMA 273/356规范 597
18.3.3  欧洲BSEN 1998-1-2004规范 597
18.3.4  中国GB 50011—2010（2016）规范 597
18.3.5  其他国家规范 597
18.3.6  各国关于非结构构件水平地震作用计算公式的比较 598
18.4  填充墙 598
18.4.1  填充墙的受力特点与震害特征 598
18.4.2  砌体填充墙面内抗震性能研究 601
18.4.3  砌体填充墙平面内外耦合作用研究 601
18.5  吊顶 602
18.5.1  影响吊顶抗震性能的因素 602
18.5.2  吊顶抗震加固措施 603
18.6  管线 604
18.6.1  管线系统的震害特征 604
18.6.2  管线系统的抗震设计及验算 605
18.7  非结构构件抗震检测方法 606
习题 608
参考文献 608

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目　　录　　　　

地震工程学发展至今已有 100余年的历史，地震工程和结构工程界对地震作用和结构抗震设计方法进行了大量的研究，基本上掌握了结构抗震的一般原理与方法。大量的震害实例及工程实践经验表明，对工程结构进行科学的抗震设计是消除或减轻地震灾害最积极有效的措施。与此同时，也发现很多结构在地震中的表现和所预期的结果并不一致，地震所导致的工程结构破坏依然是地震灾害的主要破坏形式。因此，结构工程师责任重大，有必要投入更多精力深入地研究和掌握地震作用的基本规律和结构抗震设计的原理和方法。
“建筑抗震设计”是我国高校土木工程专业的核心专业课程之一。当前，市面上关于建筑抗震设计方面的教材，大多数以我国抗震规范的章节为蓝本、基于对抗震规范条文内容的介绍和解释而编写，较严重地受到规范章节及条文内容的束缚与限制；从学生学习的角度来看，现有教材的普遍特点是内容多而庞杂，未能形成相对系统、完整的地震工程学的理论框架，缺少经典教科书，应该深入重点学习的知识没有介绍，应该粗略了解的知识又讲得过多且模棱两可，并且在新理论与新技术方面涉及较少。因此，合适的建筑结构抗震书籍，无论是土木工程专业本科高年级学生或研究生用的教材，还是结构工程技术人员的参考书，都十分缺乏。编写一本相对系统地介绍建筑抗震设计的基础理论、方法、应用及发展趋势，适应不同层次的教学与科研人员需求，且具有鲜明特点的建筑抗震设计教科书很有必要。在此背景下，编者历经 3年时间完成了本书的编写。
本书总计 18章，分别是：绪论；地震学基础知识；结构振动分析基础；单自由度结构的地震响应；多自由度结构弹塑性分析模型；多自由度结构弹塑性分析方法；多自由度结构的地震响应；地震能量和损伤分析方法；结构抗震设计方法和规范；基于性能 /位移结构抗震设计方法；地基与基础抗震设计；砌体结构的抗震性能与设计；钢筋混凝土结构的抗震性能与设计；钢结构的抗震性能与设计；消能减震结构设计；隔震结构设计；震后功能可恢复的新型抗震体系；非结构构件抗震设计。其中，第 1～10章及第 15～17章由潘鹏编写，第 11～14章由张耀庭编写，第 18章由王涛编写。王涛补充完善了部分章节，全书由叶列平审核。
在本书的编写过程中，清华大学的邓开来、吴守君、张东彬、潘恒毅、李伟和韩钟骐等承担了大量的文字编辑工作。本书被用作清华大学研究生课程“结构抗震与减震原理” 2016—2022年的教学参考文档，选修这门课的同学们对本书稿提出了宝贵的修改意见和建议。在此一并表示衷心的感谢。
本书受国家重点研发计划（2019YFC1509303）资助，特此致谢。
由于编者水平有限，书中难免存在不当甚至错误之处，敬请读者批评指正。
编者 2023年 2月