国内外规范在结构抗震计算中的异同研究

国内外规范在结构抗震计算中的异同研究

王健

沈阳铝镁设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110001

摘要：随着国家一带一路的建设和走出去的战略，越来越多的中国企业开始拓展境外的市场，而其中基础建设方面的机遇最为繁多。在基础建设的设计、施工直至使用阶段，都离不开建（构）筑物的抗震设计问题。如何使得建（构）筑物的抗震性能更加完美，满足国外业主需要，其建设国家的标准和规范的选择尤为重要。美国标准在全球应用最为广泛，本文通过国标抗震规范与美标抗震规范的对比，论述和分析二者之间的异同之处，为后续工程抗震设计提供依据。

关键词：抗震、地震荷载、场地类别、美标

在科技高度发展的现今社会，地震仍很难准确预报，目前国内外对建（构）筑物的抗震设计主要通过确定合理的抗震设防水准来进行，并依此方法避免或减小地震给国家和人民带来的生命和财产损失。而地震作用是结构在地震中产生的惯性力或等效惯性力，是实现抗震设防目标的重要手段。目前，国内外大多数工业基础建设多为不同类型的工业厂房，其特点是跨度大，层高不均匀，为了配合工艺设备的设置，其厂房车间的荷载分布往往不是十分均匀，此类结构在地震荷载下的受力变形问题尤为重要，而抗震规范的选择，对结构抗震计算的影响更加深远。本文以结构抗震设计为出发点，通过对比中国和美国抗震规范的异同，来对比和分析不同国家规范和抗震理念之间的差距和共通之处，为工程设计及研究人员提供参考。

1抗震设计规范

美国没有明确指明的抗震规范，关于建（构）筑物抗震性能设计，需要参考不同的规范。以美国建筑设计规范UBC1997（下面简称UBC1997）为例：地震划分是按照一个约定俗成的，具有概率统计学意义的地震作用水准来进行统计的，如取重现期475年或50年超越概率为10%的地震水准。并根据各美国地区有记录以来发生地震的强弱等级，将整个国家划分为不同的抗震设防分区；各设防分区建（构）筑物结构承载能力设计用的地震动峰值加速度αsd，是用各分区475年重现期的地震动峰值加速度αg475除以设计用地震力折减系数Rd来取得的，计算公式如下：

αgd=αg475/Rd（式1-1）

Rd =αg475/αgd（式1-2）

从上式可以看出，合理搭配地震力折减系数Rd的取值大小和抗震措施等级程度，是抗震设计理论中对建筑物抗震计算进行控制的主要手段，同时也在一定程度上体现了抗震设计思想转变，主要体现在由基于建筑物抗震承载力的设计向建筑物基于性能的设计的转变。

2地震作用水平

2.1国标抗震规范地震作用水平

中国《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（后面简称GB50011）采用了三水准的抗震设防思想。三水准指：多遇地震、设防地震和罕遇地震，即常说的“小震”、“中震”、“大震”。上述三水准在50年设计基准期内对应的超越概率分别为63%、10%和2%，对应的重现期分别大约为50年、475年和2475年。在三水准设防中，我国采用的设防地震为中震，同时还约定多遇地震烈度为设防烈度折减1.55度，罕遇地震烈度为设防烈度加1.0倍度强。

表2.1-1列出了国标《建筑抗震设计规范》GB50011-2010中部分城镇的地震危险性分析结果确定的各水准地震动峰值加速度。

GB50011地震动峰值加速度 PGA（cm/s2）表2.1-1

此外，国标GB50011在进行结构构件截面强度验算时，采用的地震作用水平都是多遇地震作用水准。根据上表可知，多遇地震和设防地震对应的地震动峰值加速度的比值都在0.35~0.367左右，由于设防地震是中震，所以我国抗震设计规范采用的地震力折减系数Rd相当于1/0.35~0.367=2.86~2.72。

2.2美标抗震规范地震作用水平

美标UBC1997区划图是以中震（50年超越概率为10%）作为基准来进行绘制的，美国区划图中给出了5个地震区的等震线，并给定5个地震区的区域地震分区系数Z；对于一个特定的建设场地，其地震分区可从规范中的地震区划图查到。各区对应的区域系数Z如下表2.2-1所示。

UBC1997地震分区系数表2.2-1  

2.3中美规范水平地震作用对比。

中国和美国地震动参数区划编制大体相同：中国地震动参数区划图用中震（50年超越概率10%）作为编图基准，罕遇地震动参数和多遇地震动参数是用设防地震参数换算推出。美标地震动参数也是以美标地震分区系数为基准，在计算时对其进行系数修正，来得到美标下的罕遇地震和多遇地震作用下的抗震设防参数。

3场地类别

3.1国标场地类别划分

国标GB50011对建筑场地的场地类别做出了详细的划分，其划分依据是根据建筑场地土层等效剪切波速和场地覆盖土层厚度，共划分为四个等级，划分类别如下表

3.1-1。

GB50011-2010 规定的场地类别表3.1-1

3.2美标场地类别划分

美标场地类别同样反映了建设场地条件对地震动的影响，在美标UBC1997 中，将建筑场地类别划分为SA~ SF六类，具体见表3.2-1，并采用标准方法实验所测定的土层物理性质。

UBC1997规定的场地类别表3.2-1

经对比发现，国标场地类别划分在土层剪切波速的计算深度是取覆盖层厚度和20m二者较小值，与美标的计算厚度30m不同，因此无法将两国规范关于土的类别划分进行准确对应。

4地震分区

国标GB50011和美标UBC1997的地震动参数区划图采用了相同的编图基准，美标中罕遇地震MCE地震动参数和中震地震动参数的比值为1.5，国标中这一比值则介于1.5~2.0之间。表4-1列出了对应中美两国中震水平区域系数Z的数值。可以看出：美标规定的区域系数大致与中国6~9度区的区域基本相同。

地震分区系数表 4-1

5地震力折减系数Rd

在正常情况下，结构的延性不同，其地震力折减系数也不同，延性越好，Rd越大；反之，Rd越小。美标规范根据结构类型和结构体系（延性）的不同规定了Rd的不同取值，UBC1997将结构分为六种基本结构体系，并根据其抗侧力结构体系来确定Rd值。如在建筑框架的基本结构体系中，抗侧力结构体系采用普通中心支撑钢框架时，Rd值为5.6，采用特殊中心支撑钢框架时，Rd值为6.4，即特殊中心支撑的结构延性比普通中心支撑结构好，其支撑及节点设计的要求不同。在抗弯框架的基本结构体系中，抗侧力体系为钢结构的普通抗弯框架时，Rd值为4.5，抗侧力体系为钢筋混凝土结构的普通抗弯框架时，Rd值为3.5。国标虽然对结构的构造措施（延性）要求从6到9度逐渐趋严，但对各类建筑物的R均统一取值为2.86，只是通过构造加强来提高结构的延性储备，这一做法一定程度上忽视了不同结构类型和结构体系之间延性需求存在的差异。

6结论

本文通过对中、美抗震规范的相关内容对比，可以得出如下结论：

1)美标UBC1997规范考虑不同场地条件对地震动加速度峰值的影响，通过场地调整系数进行修正，而国标GB50011则不做此项修正；

2)中国规范的II类场地大致相当于美国规范的C、D类场地；

3)中、美规范采用的设防地震的概率水平有所差异，需要注意不同重现期下地震参数之间的转换；

4)由于荷载取值的不同（比如荷载分项系数取值不同），以及计算方法的差别，UBC1997以及GB50011的计算过程不具可比性。当取同一重力荷载代表值后，美标的地震动加速度较国标的偏大。

参考文献

[1]罗开海，王亚勇.中美欧抗震设计规范地震动参数换算关系的研究[J]. 建筑结构，2006，36(8):62-64.

[2]吴桂芳.中美抗震规范地震作用的比较分析[J].建筑结构，2012，42(S1): 193-196.

[3]GB 50011—2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[4] International Conference of Building Officials. Uniform building code. (UBC 1997) [S]. 1997.