资料翻译：能力设计法的早期历史

Capacity design: Early history

能力设计法的早期历史

Michael N. Fardis

原载于Earthquake Engineering & Structural Dynamics

https://doi.org/10.1002/eqe.3110

张弛、徐永嘉译

摘要：本文记录了能力设计法的发展背后鲜为人知的故事，并对该方法成为控制结构非弹性响应重要工具的过程中一些学者的贡献，进行了不同于以往的阐释。Blume, Newmark和Corning于1961年出版的《多层钢筋混凝土建筑的抗震设计》一书中提出了该方法的基本概念， 其中Mete Sozen撰写了书中值得关注的部分；1967年至1968年加州结构工程师协会（SEAOC）的推荐了此概念。新西兰著名的结构设计师John Hollings在1968年至1969年提出的设计步骤中，引用了SEAOC的推荐以及Blume, Newmark和Corning的想法，以控制混凝土结构的非弹性响应。 似乎是由Otto Glogau领导的新西兰公共建筑结构设计师团队将这一设计步骤命名为“能力设计”。在1968年的新西兰公共建筑设计规范中，他引入了SEAOC的新规定。在能力设计法的推广和进一步发展为整体控制结构非弹性响应的方法的过程中，Tom Paulay做出了巨大贡献。他在这一概念的传播过程中发挥了重要作用（特别是在欧洲），因此常被誉为“能力设计之父”。

关键词：能力设计，Newmark， Paulay，加州结构工程师协会，抗震设计，Sozen

1   能力设计的定义及现状

当前，在基于力的延性设计中，能力设计法是控制结构非弹性响应的主要工具。在大致确定结构的弹性基本周期的情况下，该方法建立了整体 位移需求和总能量输入与结构体系中 特定构件的联系，这些构件应该是易于检修的，并且对其他构件的稳定或体系的完整性影响较小。基于这样的标准，可以建立在地面运动作用下，构件进入非弹性范围的层次。基于折减后地震响应，可以分配得到各构件的作用力需求，而满足上述标准的构件——此处称之为“延性构件”的抗力应至少等于相应的需求。在能力设计中，所有其他构件（此处称为“非延性构件”）的抗力也是与延性构件的抗力成比例，以保证它们在“延性”构件进入非弹性阶段的前后都保持弹性。

能力设计不是通过地震作用下的结构分析获得“非延性”构件的能力需求，而是 通过与延性构件的力/弯矩能力成比例的原则将之导出。最简单的情况是在隔离体受力分析图中，仅出现未知的非延性构件的抗力和已知的“延性”构件的能力时，仅利用平衡条件即可完成能力设计。这是下面的两个能力设计的“标志性规则”的基础：

1. 由反弯点两侧端部截面的极限力矩计算得出混凝土梁、柱或桥墩的设计剪力;
   

2. 在框架结构（任意材料）中，计算节点两侧的梁极限弯矩的总和，作为节点处柱的极限弯矩之和的下限。

   第三个不太常见的情况如下：

3. 根据梁的极限弯矩和柱内的剪力计算混凝土梁柱节点的剪应力。

反复应用上述规则，即可完成混凝土框架的能力设计。

仅应用平衡条件也足以计算混凝土梁柱节点的剪应力，但不适用于其他目前采用能力设计的情况，例如基础、支撑钢框架、桥面板、楼板及混凝土墙等。

能力设计法是当今基于力的延性设计中的支柱方法，因此其重要性不容小觑。它对设计过程的影响是如此深远，以至于在世界上已经将能力设计纳入规范的地区，从业者认为它是延性抗震设计的同义词。与构造设计不同，能力设计法彻底地改变了详细设计的过程，因为它规定了严格且不方便的实施设计程序。在设计过程中，首先将地震响应在认定的延性构件上分配，并存储它们的力/弯矩能力以供后续步骤使用。构件的能力的计算必须以相当严格的顺序进行，在能力设计的每个阶段都需要从存储的数据中检索得到所需的信息作为输入。在进行构件的详细设计时，必须重新访问该构件（的信息）。例如，为了在混凝土梁中分配剪力，设计者不仅需要知道梁端部的极限弯矩，还需要知道与梁连接的柱的极限弯矩。

人们普遍不了解能力设计概念的诞生和发展过程，以及其中不同个人所做的贡献。本文通过引用原始资料，记录主要人物对自己和他人所做贡献的评价，并在个人所了解的知识范围内，介绍第三方的观点，以此来更清楚的阐明此事。

2  1961年BLUME‐NEWMARK‐CORNING书籍以及METE SOZEN的贡献

在Blume, Newmark和Corning的《多层钢筋混凝土建筑的抗震设计》一书中首次提及了能力设计的“标志性规则Signature rule”(i)。下图1是给出了该书的图6‐1及其标题。随图附上的相应的注释:

在抗震框架中，主梁必须进行充分的横向配箍，以确保极限能力受抗弯而非抗剪能力控制。为此，可以通过对基于重力荷载设计的箍筋进行验算，以确保它满足极限条件的要求。“极限”状态对应于梁上的恒荷载和活荷载使得梁两端达到极限弯矩时的剪力。

Figure 1  Shear diagram of a beam at ultimate moment at both ends with the gravity load limited to dead load plus fixed live load (Figure 6‐1 in Blume et al)

Blume等在梁或柱的例子中多次重复提及了该规则。Nathan M. Newmark教授(图2A)主持撰写了出现这一规则的章节，不过相关部分主要由Mete Sozen编写，当时他是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的一名初级教员(图2B)。在这本书的致谢名单中，Mete Sozen和Chester Siess(也是伊利诺伊的一位教授)名列第一。美国地震工程研究学会(EERI)的口述历史系列框架中，Sozen接受了Bob Reitherman和Bob Hanson的采访，指出该规则最初是为计算预应力混凝土桥梁在交通荷载作用下产生的剪力而设计的，该问题是1960年Sozen的主要研究课题。根据他的说法，毫无疑问，能力设计法最初来源于Blume‐Newmark‐Corning的书。Sozen补充说，那些参编该书的人认为，在结构分析中，这一要求是理所应当的，因此他们没有专门命名它。不久之后，Sozen注意到此方法被纳入美国抗震设计规范。后来，此概念被新西兰研究人员命名为“能力设计”。虽然Sozen和Newmark都未曾为此概念命名，但当被问及该问题时，Sozen说他更喜欢“平衡设计balanced design”一词，因为此设计概念要求构件的抗剪需求与抗弯强度平衡。

Mete Sozen指出“标志性规则”(ii)是基本概念的一部分，但他也表示直到保证柱不发生屈服需要“强柱弱梁”的原理被发现后，该规则才为人所知。在Blume‐Newmark‐Corning书中，塑性铰机制未得到明确提及:

 “在数个铰形成之后，作用在结构上的动荷载几乎保持不变，因此存在让所有铰都形成在梁中而非在柱中的可能性。这样做的好处是，如果塑性铰保持在梁中，柱可以更容易地抵抗竖向力，同时保持弯曲弹性。”

Figure 2  A, Nathan M. Newmark and B, Mete Sozen in the 1960s

在对一栋24层建筑的一项长期而详细的研究中，参考文献[1]描述了一种使塑性铰形成于梁上而非柱上的方法，即使结构满足“强柱弱梁”要求。在所提供的例子中，为避免在设防地震作用下发生屈服，在梁柱节点处通过计算或按比例分配以得到安全系数取值。随后，在设计中采用所得系数值，并查看在节点周围首先形成塑性铰的位置：

 “在采用相似的计算方式的情况下，与相接的梁相比，柱的安全系数可能高达1.9，这说明当受到1.9倍设计地震作用时,梁将首先屈服。此外，由于框架整体作用及柱具有的高安全系数，在柱达到极限能力之前，多个楼层的梁上会连续形成塑性铰。

在柱达到极限能力之前，形成的塑性铰的确切数量主要取决于梁的能力安全储备。

尽管在Blume‐Newmark‐Corning书中并未充分阐述“标志性规则”(ii)，但该规则成熟且在美国地震工程界得到广泛认可，因此该规则与规则(i)和(iii)一同被1967与1968年的加州结构工程师协会(SEAOC)推荐。自那时起，规则(i)和(ii)就成为了美国钢筋混凝土框架结构抗震设计规范的组成部分，不过这些规则并无专门的名称。

3   新设计方法的术语和基本原理于新西兰被提出

在一项Otto A. Glogau(新西兰工程和发展部结构设计总部主任)为公共建筑编写的规范中，他采用了1967年和1968年SEAOC推荐的“标志性规则”(i)和(ii)。从20世纪60年代中期到1980年，Glogau（图3A）是新西兰结构和地震工程界中的灵魂人物。在此期间，他领导了新西兰所有的规范起草工作，并极大地影响了对新西兰通用结构设计及荷载规范的起草。他发表了很多技术论文，在国际上也享有盛誉。

当时，新西兰结构与地震工程界的另一位关键人物是John P. Hollings(图3B)，他是工程咨询公司Beca Carter Hollings & Ferner的合伙人。他的办公室离Glogau的办公室很近，两个人一起研究这一概念，之后被新西兰地震工程师称作“能力设计”。这种设计方法的提出被归功于John Hollings，而Newmark, Sozen等人之前的工作不为人知。Bob Park表示：

 “在新西兰，能力设计是由Hollings提出的一个合理的设计步骤。通过确保屈服只发生在选定的延性区域，使钢筋混凝土建筑结构具有足够的延性。Hollings提出的步骤引领了一系列后续发展。在能力设计步骤及其详细规定的发展过程中，Paulay是‘指路明灯leading light’。”

第二位在众多国际听众前公开称John Hollings为“能力设计之父”的人是Nigel Priestley。在2005年4月的访谈中，Priestley介绍Park和Paulay时，说：

 “我认为，在20世纪70年代，新西兰地震工程的关键进展中，作用最重要的四个人物是Bob、Tom、Otto Glogau和John Hollings。John Hollings是一家大型咨询公司Beca Carter Hollings & Ferner的合伙人，也是能力设计概念的提出者，后来Bob和Tom对其理念进行了修正和拓展。”

在2003年的采访中，Bob Park说：

“能力设计的想法其实是这里的一位设计工程师John P. Hollings的创意。那是能力设计概念的起源。能力设计的目标是使结构的某些区域变得更强，从而保护它们。因为阐释了此方法的原理，我得到了些许赞誉。事实上，在与Tom合作撰写的钢筋混凝土书中，用了很长篇幅对其进行叙述。”

Figure 3  Early proponents of capacity design: A, O. A. Glogau in the mid‐1960s; B, J. P. Hollings ca. 1965; and C, Tom Paulay after 1975 [Colour figure can be viewed at wileyonlinelibrary.com]

Megget中第一次详细介绍了能力设计法的发展。作者Les M. Megget于1968年末加入了Glogau领导的工业部结构设计办公室，1969年加入了新西兰地震工程学会。他曾于1980年至1985年以及1997年至2014年担任该学会学报的编辑，目前正在撰写该学会50年的历史。作为新西兰能力设计的完整发展历程的唯一见证人,他认为John Hollings是新西兰的“延性设计之父”，并认为John Hollings在1969年新西兰地震学会学报中发表的两篇“鼓舞人心的论文”是“……能力设计被人熟知的开端”。用Megget的话说，Hollings“将延性钢筋混凝土结构描述为具有铅状塑性铰的玻璃结构”并“建议了一种设计多层延性结构设计步骤，这是目前采用的能力设计程序的前身”。

A. Latham Andrews是咨询工程师、1972年至1974年新西兰地震工程学会主席，也是1970年至1972年、1985年至1986年的学会学报的编辑，以及参考文献[13]的第三作者。他写道：

“(20世纪60年代)的十年开始于……Newmark的想法……量化建筑框架的延性可能有效地解决设计面临的困境……：计算得到的框架的弹性响应……比预想的要大得多……。结束于John Hollings发表的一篇开创性论文(发表在’学会的学报上)，该论文阐释了控制框架结构的失效模式使其有利、分级设计思想。基于这两件事情，能力设计思想逐步形成，之后坎特伯雷大学的Paulay和Park开发的一个极佳的流程。”

在Hollings发表的文章钢筋混凝土结构抗震设计中，那著名的插图（如图4所示，最初编号为图6.6和图6.7）和“标志性规则”(ii)背后的基本原理首次被发布：

“如果我们使框架结构的柱无限刚性，那么塑性铰被迫同时出现在每个梁端，如图6.6所示。由于塑性铰的数量很多，每个塑性铰所需的旋转都很小，这意味着:

a) 最大塑性响应下总变形小;

b) 不稳定风险小;

c) 永久变形量小;

d) 由于梁端塑性铰的转角可以非常大，因此结构具有极好的抗震能力;

e) 地震后结构修复更容易，因为梁的损伤可能很轻微，而且梁不像柱一样需要支撑大量的结构。

这显然是一种优秀的结构类型，但问题是无限刚性的柱子是不存在的。作为一个可供实际操作的步骤，如果我们让柱子在每个节点处都比梁更强(比如说对柱取1.25的放大系数)，我们可能实现同样的效果……目前的SEAOC规范同样有这个需求……”

Figure 4 Plastic mechanisms according to Hollings: A, Figure 6.6 in Hollings (original title: “Finding hinges in multi‐mass structures”); B, Figure 6.7 in (original title: “Structural type to force beam hinges”)

 “……如果我们在框架结构中引入一个与大部分柱相比，具有更大刚度的垂直单元（见图6.7），那么此结构拥有了例2类型结构的所有优点并克服了其缺点。即使对于多层结构，如果我们调整结构型式,迫使塑性铰再在我们所期望的位置形成，就可以使结构可以产生足以吸收所需能量的位移（步骤2），并解决如何确定塑性铰形成位置及相应转角大小（步骤3和4）的问题。”

在Hollings的一栋16层建筑中的设计流程，应用上述步骤之一的目的如下:

“迫使所有的塑性铰出现在梁端。该目的通过以下步骤实现：

a) 尽量使梁强度与弹性内力图相匹配。取一致荷载系数为1.45，使得所有梁在规范荷载下屈服。

b) 在规范荷载作用时所需的弹性强度基础上，给柱以尽可能大的强度富余。放大因子（柱的能力较梁的能力而言）的最小值为1.25，但在经济条件允许的情况下，该值可以更大。”

Hollings曾经承认，“标志性规则”(i)已经在Blume‐Newmark‐Corning书籍和SEAOC的推荐中出现:

“Blume、Newmark、Corning和SEAOC规范给出了假设梁两端均形成塑性铰时，梁抗剪能力的设计规则。”

John Hollings于1987年退休，并于2006年3月去世。他是一个谦虚、低调的人，显然他从未声称自己是“能力设计之父”。

“能力设计”一词首次出现在Glogau办公室的设计工程师I. C. Armstrong所著的一份技术刊物上：

“本文介绍了新西兰工业部首席结构工程师设计办公室目前用于公共建筑的延性钢筋混凝土框架构件和节点的能力设计的思路和标准。”

Armstrong描述了能力设计的各个方面，总结了20世纪60年代末在新西兰结构工程师专业团体中未曾正式形成的集体智慧；他感谢Otto Glogau的“关心、建议和指导”。

由此可以得出的结论，“能力设计”一词是在1970年左右，由Glogau领导的一个委员会在起草一项新的、以延性为基础的抗震设计标准时，由该团队提出的。这个新术语很直观也很吸引人：它提醒工程师，“非延性”构件的能力应与其他构件（“延性”构件）的力/弯矩能力成比例，而不是根据规范规定的抗侧力体系的分析结果确定。新西兰规范NZS 4203以及Park、Paulay的标志性著作《钢筋混凝土结构》同时出版，并对“能力设计”给出了相同的定义：

“在需要抵抗地震作用的结构的能力设计中，选择耗能元件，并对其进行了适当的构造设计，同时为其他结构构件提供足够的强度储备，以确保所选择的耗能元件在可能发生的变形过程中保持在接近其极限强度的水平。”

在Glogau的文章“NZS 4203规范理念研讨”中，NZS 4203中的能力设计理念对“标志性规则”(i)和(ii)进行了额外的分析，并指出它们分别具有无法防止剪切破坏（针对(i)）、无法防止柱中塑性铰的出现（针对(ii)）的缺点。此外，Park和Paulay也对其提出了批评：规则(i)的问题是在梁的极限状态下，采用的超强因子不够大；规则(ii)的问题是，为了防止柱上的塑性铰的出现，节点处梁的极限弯矩之和应分别小于上部柱和下部柱的极限弯矩，而不是其总和。

 4   TOM PAULAY令“能力设计”广为人知

由于Park和Paulay的书，能力设计的基本概念和术语本身引起了广泛的国际关注。1992年，Paulay和Priestley合著的另一本影响深远的书出版了，使得Paulay成为能力设计发展过程中的关键推动者。书中介绍了应用能力设计概念的步骤：

“应用于可承受大地震的延性结构的能力设计步骤，主要是在过去20年里于新西兰发展的，并得到了广泛使用。经过一些修改，这一理念也被其他国家所采用。然而，在特定情况下，能力设计的原则已经在一些规范的早期版本中得到了体现。”

Paulay没有提到Sozen和Newmark原先的工作。

Park以能力设计在新西兰的发展为背景，评价了Tom Paulay的个人贡献：

“新西兰的大学或其他地方进行的重要研究，以及新西兰国家地震工程学会在60年代末和70年代组织的大量研究小组活动，使‘能力设计方法’得到了显著发展……1975年，Park和Paulay出版的关于钢筋混凝土结构的著作，以及1982年颁布大幅修订的新西兰混凝土设计规范NZS 3101，使得这一系列活动达到高 潮。…… NZS 3101:1982的一般设计规定主要源于1977年ACI的建筑规范，但其中许多抗震设计方面的规定都起源于新西兰本土……NZS 3101:1982中的能力设计流程的发展被视为新西兰的一项重大创新……Paulay于1977年做出的突破性贡献是推荐采用放大系数，即考虑梁的抗弯能力超强、框架的高阶振动模态以及同时作用的地震荷载，柱中基于等效静力抗震设计得到的设计弯矩、轴力和剪力应当被放大。……在NZS 3101:1982颁布之前，Paulay发表了许多论文，例如参考文献[17,19-22,30,-33]，这些论文涉及能力设计的逻辑步骤和钢筋的构造措施使得抗弯框架具有足够的延性。”

在EERI口述历史系列的采访中， Bob Reitherman直接问Tom Paulay：

“在您与Bob Park和Nigel Priestley合著的书中，能力设计的概念被赋予了重要地位。这个理念在新西兰是如何演变的?你在其中扮演了什么角色?”

在开始对能力设计及其基本原理进行详细描述之前，Paulay说（没有提到具体名字）：

“我们的一些有天赋的咨询工程师建议，为了保护一些构件免受非弹性变形的影响，它们应该比在系统响应中选定的用于耗能的相邻构件稍强一些。随后,我们建议在延性结构的抗震设计中,应该进行适当地选择耗能区域并对其进行合理的构造设计,其他结构构件应具有足够的强度储备,以确保所选定的耗能机制在可能变形过程中保持在其最大承载力附近。”

在将能力设计理念推广到世界其他地区（尤其是在欧洲）的过程中，Tom Paulay发挥了重要作用。由于《欧洲混凝土结构抗震设计模式规范Model Code for Seismic Design of Concrete Structures.》采纳了能力设计理念，该理念得到了全盘接受并有了进一步的发展。这一开创性的文件为适用于所有建筑材料的欧洲规范8的预标准(ENV)奠定了基础，而该文件这是由一批由Paolo Pinto担任主席的学者（大多数是欧洲人）起草的，团队中包括Vitelmo Bertero、Jim Jirsa、Hiroyuki Aoyama和Tom Paulay。Tom开朗、充满活力的性格在说服团队采纳这一源于新西兰的观点方面发挥了重要作用。这是新西兰对欧洲地震工程界影响的开端，而这种影响一直持续至今。

由于Tom Paulay这样一位多产的学者和有魅力的人才极大地推动了能力设计方法的发展，能力设计往往被归功于他。他在欧洲最亲密的助手Hugo Bachmann说道：

“在结构抗震设计领域，能力设计的概念及应用，是在过去20年内于新西兰发展起来的，其中主要贡献者是T. Paulay教授及其同事、合作者。”

就连认为Hollings是“能力设计之父”的Nigel Priestley，也这样评价Tom Paulay：

“他和Bob Park一起发展、延伸了抗震能力设计的概念，用他的话来说就是‘告诉结构如何表现’。”

5   结束语

Hollings基于Sozen与Newmark的研究，提出了控制混凝土建筑的非弹性响应的一套系统的步骤，Paulay最终将其命名为“能力设计原理”。能力设计的基本组成部分——“标志性规则”(i)和(ii)——是由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校开发的，其最初主要用求解于重力载荷下桥梁主梁的设计剪力。

如今，很少有人因Nathan M. Newmark或Mete Sozen的工作而将这两条“标志性规则”与美国的地震工程界联系起来，这是有失公平的。不过，新西兰地震工程界的贡献也不容低估。美国的工作为理解这一概念奠定了基础，然而是新西兰的工程界发现了这一概念的潜力，并在推动能力设计被全球各地广泛采纳为抗震策略方面发挥了重要作用。

能力设计的概念已经得到抗震设计规范和标准的公认。在享有国际声望并被广泛采用的规范中，欧洲规范8最能体现能力设计理念，因为该规范将其应用于由各种材料、各种类型的结构设计方方方面。在目前的新西兰规范中，对于一般的混凝土结构（特别是建筑物），能力设计的应用范围可能会比欧洲规范8更广泛一些，涵盖了抗震设计的更多方面，但是其适用的建筑类型和材料的范围上更小。在日本规范中，能力设计条文几乎与新西兰规范、欧洲规范一样普遍。虽然能力设计的要素最初是在美国被提出和应用的，但美国的规范一直不愿全面采用成熟的能力设计方法。在美国，能力设计的应用仍然局限于两个“标志性规则”，同时美国的规范机构回避使用“能力设计”这个术语。

欧洲和美国建筑规范的起草过程不同。在欧洲，这一过程由学术界主导；在美国，这个过程由从业者控制。学者，特别是欧洲大陆的学者，把大统一理论作为工程实践的背景。从业者，特别是美国的从业者，重视设计规则的有效性和实用性，而不太关心学术术语。

Tom Paulay的影响是欧洲和美国的规范出现此关键区别的重要原因。尽管能力设计概念的提取应归功于Sozen和Newmark，但Paulay在这一理念于新西兰之外的推广过程中发挥了重要作用，这同样是无可争议的。他在欧洲推广这一概念的过程，对欧洲规范8的形成产生了深远的影响，并且他的思想仍然是当今指导钢筋混凝土结构抗震设计的理论的核心。

鸣谢

Les Megget和Bob Reitherman分别提供了为能力设计在新西兰和美国早期发展提供了有价值的、未发表过的信息。

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