孫鳳利，許金鳳

（珠海市建筑設(shè)計(jì)院 ，廣東 珠海 519000）

中日建筑抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的比較
——設(shè)計(jì)思路、方法及反應(yīng)譜

孫鳳利，許金鳳

（珠海市建筑設(shè)計(jì)院 ，廣東 珠海 519000）

采用對(duì)比方法介紹了中日建筑抗震規(guī)范設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)在抗震設(shè)計(jì)思路、設(shè)防目標(biāo)、設(shè)計(jì)方法及地震反應(yīng)譜等方面的異同，由此闡述中日建筑抗震規(guī)范的各自特點(diǎn)以及對(duì)建筑物設(shè)計(jì)的影響，從而為工程抗震設(shè)計(jì)提供參考。

抗震設(shè)計(jì)；剪力系數(shù)；反應(yīng)譜

引言

從古至今，人類就一直和地震這一自然災(zāi)害進(jìn)行著斗爭(zhēng)，并不斷地探索抵御地震的方法，由此為地震的研究積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)代的抗震設(shè)計(jì)理論是從20世紀(jì)初開(kāi)始建立起來(lái)的，在經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的今天，地震的破壞力越來(lái)越大，造成大量的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，為此各國(guó)相續(xù)頒布了建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。中國(guó)和日本都是地震多發(fā)的國(guó)家，為減少由地震帶來(lái)的災(zāi)害而進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。對(duì)于抗震設(shè)計(jì)日本是以 《建筑標(biāo)準(zhǔn)法》為基礎(chǔ)，編制了《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，日本早在關(guān)東地震的第二年 （1924年）就編寫(xiě)了自己的抗震規(guī)范。而我國(guó)在 《防震減災(zāi)法》的基礎(chǔ)上編制了 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，以此作為抗震設(shè)計(jì)依據(jù)同時(shí)作為施工指導(dǎo)。

1 抗震設(shè)防水準(zhǔn)及設(shè)防目標(biāo)

中國(guó)規(guī)范GB50011－2001規(guī)定三水準(zhǔn)，即多遇地震、基本烈度地震、罕遇地震；而日本的建筑標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)規(guī)定了兩水準(zhǔn)，即第一水準(zhǔn)的中等強(qiáng)度地震和第二水準(zhǔn)的強(qiáng)烈地震。我國(guó)雖然規(guī)定三水準(zhǔn)原則，但是從地震強(qiáng)度來(lái)看，兩國(guó)都把強(qiáng)烈地震劃分一個(gè)水準(zhǔn)，而我國(guó)又在中等強(qiáng)地震基礎(chǔ)上進(jìn)行了細(xì)分。這是從經(jīng)濟(jì)條件來(lái)考慮的，在中等強(qiáng)度地震作用下，日本規(guī)范要求建筑物幾乎不發(fā)生破壞，而我國(guó)在多遇地震作用下做了此規(guī)定，即小震不壞，而在中等強(qiáng)度地震允許建筑物發(fā)生局部破壞，但不影響整體承載力，這也就是中震可修的設(shè)計(jì)思想。

中國(guó) 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》所規(guī)定的三水準(zhǔn)下的設(shè)防目標(biāo)是 “小震不壞，中震可修，大震不倒”。日本規(guī)定在第1水準(zhǔn)中等強(qiáng)度地震作用下，要求結(jié)構(gòu)幾乎不遭受破壞；第2水準(zhǔn)強(qiáng)烈地震作用下，結(jié)構(gòu)不倒塌或不產(chǎn)生導(dǎo)致人員傷亡的破壞。在中等強(qiáng)度地震作用下日本要求較嚴(yán)格，而在大地震作用下抗震效果基本相同，都要保證建筑在大地震作用下不倒塌，從而保證居住者的生命安全。

日本第一水準(zhǔn)的地震重現(xiàn)期為475年，相當(dāng)于中國(guó)的基本設(shè)防烈度 （中震）；第2水準(zhǔn)的地震重現(xiàn)期為2500年，相當(dāng)或者高于中國(guó)的罕遇地震 （大震）。中日兩國(guó)規(guī)范均按地震危害 （烈度）分區(qū)，分別給出烈度或區(qū)域系數(shù)值。

2 設(shè)計(jì)思路[1]

（1）中國(guó)抗震設(shè)計(jì)思路如圖 1所示[2～3]。

圖1 中國(guó)抗震設(shè)計(jì)思路Fig.1 The idea of seismic design in China

（2）日本抗震設(shè)計(jì)思路如圖 2所示[1]。

進(jìn)行2次設(shè)計(jì)是指在允許應(yīng)力設(shè)計(jì)以后所進(jìn)行的形狀限制、變形限制、保證抗力延性、在大地震時(shí)保持一定的水平強(qiáng)度等一系列的抗震性能的研究。對(duì)于如圖 2中不進(jìn)行2次設(shè)計(jì)主要包括：各類構(gòu)造設(shè)施以及其各種抗震安全性能都滿足構(gòu)造要求情況；憑借以往的抗震經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)過(guò)充分調(diào)查研究確定其具有良好的抗震性能的構(gòu)件。符合以下條件的可不進(jìn)行2次設(shè)計(jì)：

① 加固混凝土結(jié)構(gòu)，不包括地下室，層數(shù)小于3層

②RC結(jié)構(gòu)或者SRC結(jié)構(gòu)符合下列條件：

高度小于20 m

地上部分的各層剪力墻和構(gòu)造柱以及剪力墻以外的RC墻的水平截面面積要滿足下式[1]要求：

式中，AW每層剪力沿計(jì)算方向的截面面積 （cm2）；

Ac每層柱及剪力墻以外的RC墻計(jì)算方向上的水平截面面積 （cm2）；

W計(jì)算層以上部分的建筑物重量 （kg）；

Ai由 （3）式求得；

Z區(qū)域性系數(shù)。

③ 對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)要滿足下列條件：

a.不包括地下室，層數(shù)小于3層。b.高度小于13 m主體高度小于9 m。c.框架柱間距小于6 m。d.樓板面積小于500 m2。e.標(biāo)準(zhǔn)剪力系數(shù)C0大于0.3時(shí)按構(gòu)造計(jì)算。f.承擔(dān)水平力鋼筋軸向屈服時(shí)該鋼筋的端部及連接處不發(fā)生破壞。

從設(shè)計(jì)思路來(lái)看，兩國(guó)都以60 m為設(shè)計(jì)分界線，在大于60 m時(shí)中國(guó)要進(jìn)行層間剪力、層間變形、截面強(qiáng)度驗(yàn)算等設(shè)計(jì)，而日本要由建設(shè)大臣給出設(shè)計(jì)方法。在建筑物高度小于60 m時(shí)，中國(guó)只進(jìn)行層間剪力、層間變形、截面強(qiáng)度驗(yàn)算；而日本還有以31 m為分界線，小于30 m時(shí)要根據(jù)建筑物的形狀限制、抗力、延性進(jìn)行分類設(shè)計(jì)。

圖 2日本抗震設(shè)計(jì)思路Fig.2 The idea of seismic design in Japan

3 抗震設(shè)計(jì)方法

日本，對(duì)于中小型地震采用容許應(yīng)力、彈性變形，對(duì)于大地震確保其水平抗力或者極限抗力和利用地震反應(yīng)分析結(jié)果來(lái)驗(yàn)算。

允許應(yīng)力值設(shè)計(jì)。日本對(duì)于頻率較高的中等強(qiáng)度地震，要以建筑物不屈服為設(shè)計(jì)目標(biāo)，由允許應(yīng)力值設(shè)計(jì)來(lái)確保建筑物的安全。使用的地震強(qiáng)度是0.2 g，作為短周期建筑物的反應(yīng)剪力系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值。

允許應(yīng)力值設(shè)計(jì)所用的層間剪力系數(shù)Ci由下式[1]計(jì)算：

Z為地震區(qū)域系數(shù)；

Rt表示建筑物固有周期T和建設(shè)場(chǎng)地對(duì)地震強(qiáng)度綜合影響的振動(dòng)特性系數(shù)。

Ai為層剪力系數(shù)沿建筑物高度方向分布值，由下式[1]給出：

式中αi為最上層到第i層重量與地上建筑物總重量的比值：

T為建筑物第一固有周期；

C0標(biāo)準(zhǔn)剪力系數(shù)，允許應(yīng)力設(shè)計(jì)取0.2。

利用 （2）式確定的地震強(qiáng)度求出各個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力，然后算出構(gòu)件截面應(yīng)力值，這些應(yīng)力值必須在允許應(yīng)力值范圍內(nèi)。

極限抗力計(jì)算。主要流程如下：①確認(rèn)材料的適用性。主要確定是否為新材料來(lái)采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。② 進(jìn)行截面假定。③ 以破壞極限、安全界限為基礎(chǔ)計(jì)算加速度反應(yīng)譜。④計(jì)算建筑物荷載－變形關(guān)系以及在此變形下計(jì)算出建筑物的阻尼。⑤ 進(jìn)行極限破壞驗(yàn)算。⑥進(jìn)行安全界限驗(yàn)算。通過(guò)此過(guò)程來(lái)保證建筑物在大地震時(shí)的安全性能。

中國(guó)規(guī)范規(guī)定結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)采用二階段設(shè)計(jì)方法即第一階段設(shè)計(jì)的截面抗震驗(yàn)算和第二階段的抗震變形驗(yàn)算。

第一階段截面抗震驗(yàn)算，由下式[4]計(jì)算：

式中，R為結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值；γRE為承載力抗震調(diào)整系數(shù)；S為內(nèi)力組合設(shè)計(jì)值。

第二階段抗震變形驗(yàn)算：

（1）多遇地震作用下框架、層間彈性位移應(yīng)符合下式[4]條件：

式中，Δue為多遇地震作用標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的樓層內(nèi)最大的彈性層間位移；［θe］為彈性層間位移角限值。

（2）罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的彈塑性位移驗(yàn)算

①簡(jiǎn)化方法

主要只用于不超過(guò)12層且剛度無(wú)突變的框架結(jié)構(gòu)、填充墻框架結(jié)構(gòu)及單層鋼筋混凝土柱、廠房，由下式[4]計(jì)算：

式中，Δup為彈塑性層間位移；Δue為罕遇地震作用下按彈性分析的層間彈性位移；ηp為彈塑性位移增大系數(shù)。

②非線性動(dòng)力時(shí)程分析法

這種方法使用在超出簡(jiǎn)化方法的適用范圍的其他結(jié)構(gòu)。

中國(guó)根據(jù)有關(guān)條件給出了剪力系數(shù)的最小值，如表1所示

從以上介紹的設(shè)計(jì)方法來(lái)看：

首先，日本剪力系數(shù)在允許應(yīng)力值設(shè)計(jì)時(shí)取0.2，檢驗(yàn)水平抗力時(shí)剪力系數(shù)要大于0.1，這與中國(guó)的層剪力驗(yàn)算時(shí)所取的剪力系數(shù)最小取值相比要大得多。由剪力系數(shù)求解公式可以看到，日本的剪力系數(shù)主要受地震區(qū)域系數(shù)、建筑物固有周期 、建設(shè)場(chǎng)地、建筑物重量等因素影響；中國(guó)主要根據(jù)地震烈度不同及其結(jié)構(gòu)的固有周期給出了剪力系數(shù)的最小值。兩國(guó)都考慮了地震結(jié)構(gòu)的固有周期對(duì)剪力系數(shù)的影響。

其次，建筑物抗震計(jì)算方法上中國(guó)采用了兩階段設(shè)計(jì)方法；日本采用允許應(yīng)力法和極限抗力設(shè)計(jì)方法。對(duì)于中等強(qiáng)度地震，兩國(guó)都是以保證截面強(qiáng)度作為保證結(jié)構(gòu)安全性能指標(biāo)。在罕遇地震，都采用截面極限變形能力作為抗震指標(biāo)，但中國(guó)給出有條件的簡(jiǎn)化計(jì)算公式及其其他結(jié)構(gòu)的時(shí)程分析法；日本是根據(jù)其相應(yīng)條件算出反應(yīng)譜，由此計(jì)算其極限破壞及安全界限。

表1 樓層最小地震剪力系數(shù)值Table 1 Minimum coefficient of floor seismic shear force

圖3 5%阻尼兩國(guó)加速度設(shè)計(jì)反應(yīng)譜比較Fig.3 Comparison of response spectra with 5%damping design in China and Japan

4 地震反應(yīng)譜

為了比較兩國(guó)加速度反應(yīng)譜，選定了固定的建筑場(chǎng)地。場(chǎng)地類型中國(guó)為Ⅱ類，日本為2類。比較兩個(gè)國(guó)家的阻尼比的加速度反應(yīng)譜，如圖3所示。從圖中可以看出，我國(guó)規(guī)范特征周期取值較小，我國(guó)規(guī)范的抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線的平臺(tái)寬度比日本小。

當(dāng)周期大于3 s時(shí)，我國(guó)的反應(yīng)譜值下降緩慢，比日本的反應(yīng)譜值大。對(duì)于周期大于3 s的結(jié)構(gòu)，我國(guó)長(zhǎng)周期段的譜值較大，由此我國(guó)計(jì)算所得的水平地震作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)較大，對(duì)抗震設(shè)計(jì)偏于保守。

5 結(jié)論

日本對(duì)于中小型地震采用容許應(yīng)力、彈性變形；對(duì)于大地震確保其水平強(qiáng)度或者極限強(qiáng)度和利用地震反應(yīng)分析結(jié)果來(lái)驗(yàn)算，以保證建筑物的安全性。我國(guó)采用兩階段設(shè)計(jì)法，截面抗震驗(yàn)算和抗震變形驗(yàn)算來(lái)評(píng)價(jià)建筑物的安全性。從地震加速度反應(yīng)譜來(lái)看，在長(zhǎng)周期段即周期大于3 s時(shí)，我國(guó)反應(yīng)譜值大于日本反應(yīng)譜值，設(shè)計(jì)偏于保守。我國(guó)有待于在長(zhǎng)周期段進(jìn)行研究探討，研究更加適合我國(guó)地震作用時(shí)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線。

［1］柴田明德.最新抗震構(gòu)造分析 ［M］.東京：森北出版社,1997.

［2］馬華，李振寶，大野義照.中日建築耐震設(shè)計(jì)基準(zhǔn)の比較 その1ル－ト地震力 ［M］.東京：日本建筑學(xué)會(huì),2002.

［3］李振寶，馬華，大野義照.中日建築耐震設(shè)計(jì)基準(zhǔn)の比較 その2計(jì)算方法と鉄筋コンクリート地震力［M］.東京：日本建筑學(xué)會(huì),2002.

［4］GB 50011-2001,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 ［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

Abstract：By comparison of the idea,method and earthquake response spectra of seismic design of buildings in Chinese and Japan,the paper demonstrated the characteristics of seismic design standards of buildings in china and Japan and the impact of building design,respectively. The results provide references for seismic design.

Keywords：Seismic design;Shear coefficient;Response spectra

Comparison of Seismic Design Standard of Buildings in China and Japan——Design ideas,Methods and Response Spectra

SUN Fengli,XU Jinfeng
(Zhuhai Construction Design institute,Zhuhai 51900,China)

P315.62

A

1001-8662（2010）04-0076-06

2010-07-22

孫鳳利，男， 1979年生，碩士研究生，主要從事工程抗震研究. E-mail:570179043@qq.com.