張 萌 潘 華 李金臣

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美國建筑抗震設(shè)計的法規(guī)體系與設(shè)計地震動的確定

張 萌 潘 華 李金臣

（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

本文論述了美國建筑抗震設(shè)計法規(guī)體系發(fā)展演變過程及其代表性的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)文檔；分析了美國當(dāng)前建筑法規(guī)中設(shè)計地震動參數(shù)的重要技術(shù)見解，設(shè)計地震動的不同層次與作用，基于目標(biāo)風(fēng)險的最大考慮地震概念等技術(shù)的進(jìn)展，同時，也總結(jié)了美國抗震設(shè)計相關(guān)法規(guī)中設(shè)計地震動確定的基本規(guī)定。本文旨在從美國龐大復(fù)雜的建筑設(shè)計法規(guī)體系中，梳理出清晰的建筑抗震設(shè)計的法規(guī)體系脈絡(luò)與設(shè)計地震動的要求，為我國建筑抗震設(shè)計中設(shè)計地震動的相關(guān)研究提供參照。

建筑抗震設(shè)計設(shè)計地震動模式規(guī)范共識標(biāo)準(zhǔn)NEHRP ProvisionsASCE 7MCER

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及國家“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略的實施，越來越多的涉外建設(shè)工程項目得以開展，我國的工程抗震設(shè)計和地震危險性評價從業(yè)人員，也需要更加深入地了解國外建筑抗震設(shè)計法規(guī)，尤其是專業(yè)性較強的設(shè)計地震動確定的相關(guān)內(nèi)容。美國建筑抗震設(shè)計法規(guī)，在技術(shù)上有許多創(chuàng)新，在世界范圍內(nèi)具有引領(lǐng)性，已被廣泛認(rèn)可與引用。本文專門針對美國建筑抗震設(shè)計中設(shè)計地震動參數(shù)的確定進(jìn)行了研究與分析，希望為相關(guān)從業(yè)人員了解這方面的背景提供幫助，同時也為我國建筑抗震設(shè)防以及地震動區(qū)劃相關(guān)研究提供參照。

1　美國建筑法規(guī)體系

因美國實行聯(lián)邦體制，故并無全國統(tǒng)一的建筑設(shè)計規(guī)范，而由地方政府依據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境特點以及重點災(zāi)害類型（如地震、颶風(fēng)、冰凍、洪水等），選擇當(dāng)?shù)剡m用的建筑設(shè)計規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，并通過立法程序確定為地方法規(guī)，從而使其具有強制性，確保當(dāng)?shù)孛癖娚敭a(chǎn)和工程建筑的安全性。例如，美國西部地區(qū)建筑規(guī)范就以抗震設(shè)計為重點。美國政府鼓勵民間社會力量開展規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的制定，并通過技術(shù)路線的競爭，爭取得到社會的廣泛使用，特別是地方政府的采納，以確立自身規(guī)范的權(quán)威性。這一政策，極大地促進(jìn)了建筑規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，在美國出現(xiàn)了大量專業(yè)機構(gòu)或組織開展規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定，也使得各規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)對新技術(shù)的應(yīng)用有較大的積極性，但同樣也造成美國復(fù)雜的多元化規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)體系（衛(wèi)明，2001a，2001b）。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展、競爭與融合，當(dāng)前美國的建筑規(guī)范體系趨于穩(wěn)定，且在全國形成了相對統(tǒng)一的建筑設(shè)計法規(guī)體系。

當(dāng)前，美國建筑設(shè)計法規(guī)體系大致由“模式規(guī)范”（Model Code）、“共識標(biāo)準(zhǔn)”（Consensus Standard）和“源文件”（Resource Document）構(gòu)成。

1.1模式規(guī)范（Model Code）

美國地方政府需要結(jié)合本地區(qū)經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展需要，選用適當(dāng)?shù)囊?guī)范納入地方法規(guī)，而專業(yè)協(xié)會或組織制定的規(guī)范，就像是一個個建筑規(guī)范的示范，由應(yīng)用部門或者地方政府進(jìn)行評估和選擇，因此，這類規(guī)范形象地稱為“模式規(guī)范”（Model Code），這是美國規(guī)范的特色。

1994年之前，美國有3個組織在制訂建筑模式規(guī)范，分別是國際建筑官員大會（International Conference of Building Officials，簡稱ICBO）制定的UBC（Uniform Building Code）規(guī)范，國際建筑官員與法規(guī)管理員聯(lián)合會（Building Officials Code Administrators International，簡稱BOCAI）制訂的NBC（National Building Code）規(guī)范，以及美國南方國際建筑法規(guī)委員會（Southern Building Code Congress International，簡稱SBCCI）制訂的SBC（Standard Building Code）規(guī)范。這3個模式規(guī)范是美國主要的建筑規(guī)范，但都存在地域局限性，使得全美缺乏一致性的建筑法規(guī)要求，對設(shè)計師和承包商而言，多樣而復(fù)雜的模式規(guī)范體系造成使用者了解、掌握與應(yīng)用規(guī)范的較大困擾。

1994年，上述3個模式規(guī)范編制機構(gòu)共同成立了美國國際法規(guī)理事會（International Code Council，簡稱ICC），由ICC開始推動建筑規(guī)范的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一，力求改變以往美國國內(nèi)不同地區(qū)采用不同模式規(guī)范的局面。ICC于1997年發(fā)布了新版規(guī)范的草案，經(jīng)討論修訂，最終于2000年正式發(fā)布“國際建筑規(guī)范”（International Building Code，簡稱IBC規(guī)范），與此同時，UBC、NBC、SBC規(guī)范分別在1997、1999、1999年推出最終版后不再繼續(xù)更新，IBC規(guī)范實現(xiàn)了對3個模式規(guī)范的統(tǒng)一。IBC每隔3年更新1版，最新版本為2015版。IBC規(guī)范現(xiàn)已在美國50個州得到應(yīng)用，大多數(shù)美國社區(qū)采納了基于IBC的建筑規(guī)范，這一局面使得建筑法規(guī)的一致性在全美得到根本性的改善（FEMA，2010）。

美國模式建筑規(guī)范尚未達(dá)成完全的統(tǒng)一，除了ICC制定的IBC規(guī)范外，還有一部由美國國家消防協(xié)會（National Fire Protection Association，簡稱NFPA）制定的規(guī)范。NFPA最初曾加入ICC，共同致力于規(guī)范統(tǒng)一，后因技術(shù)理念上的不一致而退出ICC，并自行制定建筑模式規(guī)范“建筑建造與安全規(guī)范”（BuiIding Construction and Safety Code），稱為NFPA 5000規(guī)范，希望與ICC的規(guī)范競爭。NFPA 5000在2003年正式出版，每隔3年更新1版，最新版本也為2015版。NFPA 5000已被接受為美國國家標(biāo)準(zhǔn)，其優(yōu)勢在于建筑物的火災(zāi)防護(hù)，但由于發(fā)行時間較短，所以影響力還有限。

1.2共識標(biāo)準(zhǔn)（Consensus Standard）與源文件（Resource Document）

隨著模式建筑規(guī)范的不斷發(fā)展，許多建筑相關(guān)行業(yè)（如混凝土、砌體材料、鋼材、木材）的專業(yè)協(xié)會，針對本行業(yè)特定建筑材料的使用和結(jié)構(gòu)體系構(gòu)建，在設(shè)計與施工方面提出大量專業(yè)性的技術(shù)要求和指南，在達(dá)成行業(yè)共識被廣泛接受以后，行業(yè)協(xié)會往往按照嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)程序，將這些技術(shù)要求和指南提升為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的形式頒布，成為“共識標(biāo)準(zhǔn)”（Consensus Standard）。例如，建筑與結(jié)構(gòu)最小設(shè)計載荷ASCE/SEI 7、混凝土建筑要求ACI 318、鋼結(jié)構(gòu)規(guī)程AISC 360等標(biāo)準(zhǔn)。這些行業(yè)共識標(biāo)準(zhǔn)在模式規(guī)范中已被大量引用，例如，IBC或NFPA 5000對標(biāo)準(zhǔn)ASCE/SEI 7的引用，同時，不同行業(yè)共識標(biāo)準(zhǔn)之間也彼此相互引用，例如，標(biāo)準(zhǔn)ASCE/SEI 7中對ACI 318、AISC 360等標(biāo)準(zhǔn)的引用（FEMA，2010）?！肮沧R”（Consensus），實際上是指標(biāo)準(zhǔn)形成程序要求的一個尋求所有參與者共識的決策過程，經(jīng)由該過程后形成的標(biāo)準(zhǔn)，能夠得到所有參與者贊成，但這只意味著要聽取所有參與者的意見，并不是每個參與者的意見都被采納（Goupil，2013）。

由于建筑規(guī)范在許多方面還不夠成熟，結(jié)構(gòu)設(shè)計和建造的理論、技術(shù)與方法在不斷的探索與發(fā)展，同時不斷積累的設(shè)計與建造經(jīng)驗也在持續(xù)為建筑規(guī)范的完善提供建議，因此，社會上一些較為權(quán)威的專業(yè)協(xié)會或研究機構(gòu)常常針對模式規(guī)范中的一些專題，開展深入的調(diào)查、研究與分析，在實踐中探索有關(guān)技術(shù)的改進(jìn)、新理論與技術(shù)的應(yīng)用、新材料與結(jié)構(gòu)的使用、新設(shè)計方法及其標(biāo)準(zhǔn)化等方面，形成實用性的研究成果或解決方案，并以研究報告或建議書的形式發(fā)表，服務(wù)于特定標(biāo)準(zhǔn)和模式規(guī)范的更新與發(fā)展。例如，美國加州結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會（Structural Engineers Association of California，簡稱SEAOC）發(fā)布著名的“藍(lán)皮書”（Blue Book），是早期UBC規(guī)范更新的重要技術(shù)支撐文件；美國應(yīng)急管理局（Federal Emergency Management Agency，簡稱FEMA）下屬建筑地震安全委員會（Building Seismic Safety Council，簡稱BSSC）發(fā)布的NEHRP Provisions，是ASCE/SEI 7標(biāo)準(zhǔn)更新的主要技術(shù)支撐。同時，為便于標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范更新時直接采用，這類報告或建議書常常以標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的格式給出并附有詳盡的說明。這類文件是標(biāo)準(zhǔn)或模式規(guī)范條文規(guī)定的重要來源，稱為“源文件”（Resource Document）。

2　美國建筑抗震設(shè)計法規(guī)體系

美國沒有統(tǒng)一的專門性的建筑抗震設(shè)計規(guī)范，建筑抗震設(shè)計的相關(guān)規(guī)定通常包含在建筑規(guī)范中結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)章節(jié)，并與相關(guān)行業(yè)共識標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)源文件一并構(gòu)成完整的建筑抗震設(shè)計法規(guī)體系，共同實現(xiàn)建筑抗震設(shè)計要求的標(biāo)準(zhǔn)化，同時也保持建筑抗震設(shè)計技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)進(jìn)步和發(fā)展。當(dāng)前美國基本形成了由源文件NEHRP Provisions、共識標(biāo)準(zhǔn)ASCE 7、模式規(guī)范IBC和NPFA 5000規(guī)范、地方法規(guī)共同構(gòu)成的建筑抗震設(shè)計法規(guī)鏈。

2.1早期的建筑抗震設(shè)計法規(guī)文件

美國的建筑抗震設(shè)計是在受地震影響最嚴(yán)重和頻繁的美國西部加州地區(qū)發(fā)展起來的。1927年，首次發(fā)布了包含建筑抗震設(shè)計內(nèi)容的UBC規(guī)范，但在該規(guī)范中抗震設(shè)計屬于附錄中的建議性條款，不具強制性，且早期的UBC抗震設(shè)計條款也較為簡單，例如，地震力直接取重力荷載的7.5%（軟土場地為10%）。

1957年，美國加州結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會（SEAOC）出于統(tǒng)一整個加州的地震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和要求的目的，責(zé)成其下屬的地震委員會研究加州抗震設(shè)計原則、方法與標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)2年的工作，于1959年發(fā)布了“推薦的側(cè)向力要求及其說明”（Recommended Lateral Force Requirements and Commentary），即著名的“藍(lán)皮書”（Blue Book）。藍(lán)皮書中的抗震設(shè)計條款很快被納入1961年版UBC規(guī)范，且1961版UBC規(guī)范也開始將抗震設(shè)計條款正式納入規(guī)范正文，使得建筑抗震設(shè)計在美國得以廣泛開展。此后，SEAOC持續(xù)跟蹤最新抗震研究進(jìn)展并更新藍(lán)皮書，同時也被后續(xù)各版本UBC規(guī)范采納，使得UBC的抗震設(shè)計條款愈加豐富，成為美國早期抗震設(shè)計法規(guī)的主要模式規(guī)范，藍(lán)皮書也成為UBC模式規(guī)范更新的重要基礎(chǔ)支撐文件（Diebold等，2008）。

1973年，SEAOC又創(chuàng)建了應(yīng)用技術(shù)委員會（Applied Technology Council，簡稱ATC）以開展抗震設(shè)計實踐和規(guī)范改進(jìn)與提升的研究，并于1978年發(fā)布了研究報告ATC 3-06（ATC，1978）。該報告中提出了許多開創(chuàng)性的抗震設(shè)計概念、程序、方法以及試驗性設(shè)計，為后來美國建筑抗震設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，對以后美國乃至世界抗震設(shè)計理論與實踐的發(fā)展都有重要影響。ATC 3-06報告的許多內(nèi)容為藍(lán)皮書吸收，從而也成為UBC規(guī)范修訂的技術(shù)支撐文檔。藍(lán)皮書和ATC3-06報告對UBC的發(fā)展有巨大的影響，通過UBC的模板作用也影響到早期的荷載標(biāo)準(zhǔn)ASCE 7的前身ANSI A58.1（Beavers，2002）。

美國早期的抗震設(shè)計法規(guī)基本上是以UBC規(guī)范為主，其他規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)如NBC規(guī)范、SBC規(guī)范、ASCE 7標(biāo)準(zhǔn)等均引用UBC規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，而藍(lán)皮書、ATC 3-06文件是UBC規(guī)范的重要支撐。

2.2當(dāng)前建筑抗震設(shè)計法規(guī)重要的規(guī)范與文件

2.2.1ASCE 7標(biāo)準(zhǔn)

ASCE 7標(biāo)準(zhǔn)的前身為美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（American National Standards Institute，ANSI）發(fā)布的國家標(biāo)準(zhǔn)ANSI A58.1。1945年，ANSI發(fā)布了第一個針對建筑與結(jié)構(gòu)荷載確定的共識標(biāo)準(zhǔn)ANSI A58.1-45，即“建筑和其他結(jié)構(gòu)的最小設(shè)計荷載”（Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures），該標(biāo)準(zhǔn)由美國土木工程師協(xié)會（American Society of Civil Engineers，簡稱ASCE）依照ANSI的程序和要求開發(fā)而成。1982年前ANSI A58.1各版本更新均采納UBC規(guī)范關(guān)于抗震設(shè)計地震荷載的規(guī)定，1982年ANSI A58.1-82參照ACT 3-06報告對抗震設(shè)計要求和抗震設(shè)計地震動圖進(jìn)行局部調(diào)整，1988年起該標(biāo)準(zhǔn)更改為ASCE 7標(biāo)準(zhǔn)系列，延續(xù)了1982年版本的抗震設(shè)計要求。1993年起，ASCE 7開始跟隨NEHRP Provisions更新，但在抗震設(shè)計方面，主要是參照ATC 3-06的雙參數(shù)抗震設(shè)計地震動圖進(jìn)行調(diào)整。由1998年ASCE 7-98起，隨著1997版NEHRP Provisions的出現(xiàn)和逐漸的成熟，ASCE 7開始依據(jù)最新版本的NEHRP Provisions進(jìn)行更新。2002年以后，ASCE 7標(biāo)準(zhǔn)改由ASCE所屬的結(jié)構(gòu)工程學(xué)會（Structural Engineering Institute，SEI）承擔(dān)開發(fā)，正式編號改為ASCE/SEI 7標(biāo)準(zhǔn)，但習(xí)慣上仍簡化表示為ASCE 7。

2.2.2NEHRP Provisions

1971年San Fernando6.5地震使許多采用最新抗震設(shè)計規(guī)定設(shè)計建造的房屋遭到嚴(yán)重破壞，使美國意識到地震問題的嚴(yán)重性，以及現(xiàn)有抗震設(shè)計理念和方法存在的缺陷，從而促成“國家地震災(zāi)害減輕計劃”（National Earthquake Hazard Reduction Program）于1978年設(shè)立，簡稱NEHRP。NEHRP以減輕地震災(zāi)害帶來的生命和財產(chǎn)損失為長期目標(biāo)，支持了許多基礎(chǔ)和實際應(yīng)用方面的研究項目，也獲得了大量重要成果，其中就包括美國應(yīng)急管理局（FEMA）下屬的建筑地震安全委員會（BSSC）在ATC 3-06報告基礎(chǔ)上開發(fā)的技術(shù)文件“NEHRP新建筑與其它結(jié)構(gòu)抗震條款建議”（NEHRP Recommended Seismic Provisions for New Buildings and Other Structures，簡稱NEHRP Provisions）。NEHRP Provisions的出現(xiàn)，極大地改變了美國建筑模式規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的格局，使得復(fù)雜的模式規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系逐步地走向統(tǒng)一。

NEHRP Provisions正式頒布于1985年，早期為3年更新1版，因其權(quán)威性、先進(jìn)性以及廣泛的適用性，很快該源文件就被后續(xù)更新的一系列模式規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)所采納。1993 NBC、1994 SBC規(guī)范采納1991版NEHRP Provisions，2000年發(fā)布UBC、NBC和SBC這3大模式規(guī)范統(tǒng)一后的IBC規(guī)范，采納了1997版NEHRP Provisions，此后IBC規(guī)范每間隔3年均基于最新的NEHRP Provisions進(jìn)行更新。1998年以后各版ASCE 7標(biāo)準(zhǔn)也均基于最新版NEHRP Provisions進(jìn)行更新。2003年第一版NFPA 5000規(guī)范發(fā)布，完整采納了ASCE 7-02標(biāo)準(zhǔn)，實際上源自2000版NEHRP Provisions。

NEHRP Provisions自2003版以后其更新周期為5年，同時，考慮到與標(biāo)準(zhǔn)更好地銜接，NEHRP Provisions 2009版開始直接采用ASCE 7-05標(biāo)準(zhǔn)的原始條文（包括編號和格式），并在此基礎(chǔ)上直接進(jìn)行增補、更新和調(diào)整，直接作為下一版ASCE 7-10標(biāo)準(zhǔn)的條款供審查（FEMA，2009），兩者的關(guān)系已經(jīng)你中有我，我中有你，密不可分。

2.2.3IBC規(guī)范和NFPA5000規(guī)范

建筑模式規(guī)范是一部完整的建筑規(guī)范，內(nèi)容包括建筑設(shè)計、建造的諸多方面，以2012年版IBC規(guī)范為例，規(guī)范內(nèi)容涉及管理與實施、建筑使用分類與特殊措施、結(jié)構(gòu)分類、火與煙霧防護(hù)、內(nèi)裝修、消防系統(tǒng)、疏散措施、無障礙設(shè)施、照明通風(fēng)等室內(nèi)環(huán)境、節(jié)能和生命安全設(shè)施，結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)試驗與檢測、土層與地基、各類建筑材料使用、電力系統(tǒng)、上下水系統(tǒng)、電梯、建造安全等等（ICC，2012）。建筑抗震設(shè)計的內(nèi)容主要包含在“結(jié)構(gòu)設(shè)計”一章的相關(guān)要求中。

模式規(guī)范中的結(jié)構(gòu)設(shè)計，技術(shù)規(guī)定最主要包括設(shè)計要求、荷載組合與荷載確定兩部分。設(shè)計要求主要規(guī)定建筑、結(jié)構(gòu)及其部件的設(shè)計和建造的控制性原則和要求，往往在設(shè)計計算分析的相關(guān)要求中規(guī)定對側(cè)向地震力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌破壞的分析要求。規(guī)范中的荷載確定部分，對重要荷載之一的地震荷載（Earthquake Loads）給出了專門的詳細(xì)規(guī)定。例如，IBC規(guī)范在16章結(jié)構(gòu)設(shè)計中，專門在1613節(jié)規(guī)定了地震荷載的確定與應(yīng)用（ICC，2012）；NFPA 5000規(guī)范在35章結(jié)構(gòu)設(shè)計中，專門在35.10節(jié)規(guī)定了地震荷載的確定與應(yīng)用（NFPA，2009）。

但無論是IBC規(guī)范還是NFPA 5000規(guī)范，其中對地震荷載的規(guī)定，均完全引自美國國家標(biāo)準(zhǔn)ASCE 7。

3　美國建筑抗震設(shè)計中設(shè)計地震動的確定

美國建筑設(shè)計模式規(guī)范中抗震設(shè)計采用的設(shè)計地震動取值的相關(guān)規(guī)定均引用ASCE 7標(biāo)準(zhǔn)。ASCE 7當(dāng)前的最新版本為2010年版ASCE 7-10，是在NEHRP Provisions 2009版基礎(chǔ)上編制完成的，2個文件中關(guān)于設(shè)計地震動參數(shù)取值的相關(guān)規(guī)定基本一致。

3.1NEHRP Provisions設(shè)計地震動的基本理念

通過多年的抗震實踐，地震工程學(xué)家們認(rèn)識到，建筑的地震安全性除了取決于明確的設(shè)計地震動以外，還取決于一系列其它關(guān)鍵因素的處理，如結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、分析和程序、抗震措施、材料以及建造質(zhì)量等，各方面的綜合影響使實際經(jīng)抗震設(shè)計后的結(jié)構(gòu)在遭遇超過設(shè)計水平的地震動作用時，也不會發(fā)生倒塌而導(dǎo)致生命的重大損失，這種性質(zhì)稱作“抗震裕度”，其提供了防御超過設(shè)計地震動的、發(fā)生概率更低的、更大的地震動的能力（FEMA，1998）。這一理念逐漸被發(fā)展中的NEHRP Provisions采納，使得美國的建筑抗震設(shè)計進(jìn)入了一個新階段。

以NEHRP Provisions 1997版為重要標(biāo)志，NEHRP Provisions在設(shè)計地震動確定方面出現(xiàn)了幾個重要變化：①設(shè)定建筑抗震性能的最高目標(biāo)，即最大考慮地震（Maximum Considered Earthquake，簡稱MCE），要求建筑遭受不超過MCE地震動時應(yīng)保持較低的倒塌概率，MCE地震動水平大致相當(dāng)于50年超越概率2%（約2500年一遇）；②明確了設(shè)計級地震動與MCE地震動的關(guān)系與建筑抗震裕度相關(guān)，建筑要達(dá)到抗御MCE地震動的能力，需綜合抗震設(shè)計和其固有的抗震裕度，設(shè)計級地震動的1.5倍就是MCE地震動；③采用MCE地震動5%阻尼加速度反應(yīng)譜0.2s和1s周期點譜值編制抗震設(shè)計地震動圖；④抗震設(shè)計地震動圖以地震危險性圖為基礎(chǔ)編制，在加州沿岸地區(qū)采用確定性方法依活動斷層特征地震確定MCE地震動，其他地區(qū)采用概率方法依50年超越概率2%地震動確定MCE地震動（FEMA，1998）。

NEHRP Provisions的上述理念，以及其推薦的結(jié)構(gòu)分析方法，實際將設(shè)計地震動分成了最大考慮地震地震動、設(shè)計級地震動、地震反應(yīng)地震動3個目標(biāo)層次，分別控制不同的抗震設(shè)計目標(biāo)：

最大考慮地震（MCE）地震動是NEHRP Provisions中出現(xiàn)的重要概念，它代表了結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)考慮能夠抗御的最高地震動水平。之所以是“考慮”，而不是“設(shè)計”，是因為該抗震目標(biāo)的達(dá)成，除了經(jīng)抗震設(shè)計獲得的抗御能力外，建筑結(jié)構(gòu)本身固有的抗震裕度也提供部分抗御這一地震動的能力。MCE地震動用于控制建筑結(jié)構(gòu)的強非線性變形。

設(shè)計級地震動（Design-Level Seismic Ground Motion）在NEHRP Provisions中用于控制結(jié)構(gòu)弱的非線性位移的允許限值，用以保證建筑不進(jìn)入強的非線性變形狀態(tài)。它是MCE地震動的2/3。

地震反應(yīng)地震動（Seismic Response Ground Motion）在NEHRP Provisions中用于控制結(jié)構(gòu)的彈性變形允許值。建筑結(jié)構(gòu)體系的延性、阻尼等性能，也可以吸收消耗掉一部分地震力，因此，真正用于抗震設(shè)計結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析計算的地震力，只取決于結(jié)構(gòu)消耗吸收后剩余的地震力，相應(yīng)的地震動是在設(shè)計級地震動基礎(chǔ)上經(jīng)耗能折減后得到的，是造成結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的地震動。

NEHRP Provisions的根本目的是防御常規(guī)建筑和結(jié)構(gòu)在地震動作用下產(chǎn)生破壞而導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡，滿足NEHRP Provisions抗震設(shè)計規(guī)定的建筑結(jié)構(gòu)，其最高抗震性能能夠達(dá)到抗御MCE地震動作用而不倒塌。NEHRP Provisions 2009版也具有同樣的抗震設(shè)防目標(biāo)，但其重新定義了抗震設(shè)計所考慮的最大地震作用，提出了基于目標(biāo)風(fēng)險的最大考慮地震（Risk-Targeted MCE，簡稱MCER）概念。MCE提出并在抗震設(shè)計中運用了十多年后，地震工程學(xué)家認(rèn)識到由于地震危險性曲線斜率的差別，以及難以避免的一些客觀因素（如材料質(zhì)量、建造水平等等）導(dǎo)致建筑倒塌率的不確定性，全美各地依MCE設(shè)計的建筑在遭遇到MCE級別的地震動作用時，不能保證建筑倒塌風(fēng)險是一致的。為此，提出以MCER取代MCE作為建筑抗震設(shè)計最大考慮地震作用。MCER是滿足50年倒塌概率1%風(fēng)險目標(biāo)的最大考慮地震，它的確定綜合了概率地震危險性曲線與地震作用下結(jié)構(gòu)倒塌率的不確定性分布（Luco等，2007）。采用MCE地震動進(jìn)行抗震設(shè)計，能夠保證全美范圍內(nèi)經(jīng)抗震設(shè)計后的建筑結(jié)構(gòu)具有抗御同等風(fēng)險的地震危險性的能力，但難以保證全美一致的抗倒塌能力，而采用MCER地震動進(jìn)行抗震設(shè)計，目標(biāo)是保證經(jīng)抗震設(shè)計的建筑能夠達(dá)到全美一致的倒塌防護(hù)水平（FEMA，2009），這是NEHRP Provisions 2009版相較以往版本變化較大之處。

3.2NEHRP Provisions 2009設(shè)計地震動取值的相關(guān)規(guī)定

（1）NEHRP Provisions 2009的抗震設(shè)計地震動圖

美國建筑設(shè)計模式規(guī)范、共識標(biāo)準(zhǔn)和源文件中的地震動圖，可稱為抗震設(shè)計地震動圖（也可稱為抗震設(shè)計圖），是在美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）編制的國家地震危險性圖（National Seismic Hazard Maps，簡稱NSHM）基礎(chǔ)上編制的（Leyendecker等，1995）?？拐鹪O(shè)計地震動圖往往包含多張圖，反映設(shè)計相關(guān)的地震動參數(shù)或關(guān)聯(lián)的系數(shù)。

上一版NEHRP Provisions 2003中，抗震設(shè)計地震動圖包含了MCE地震動圖和長周期段轉(zhuǎn)換周期TL圖2種圖件（FEMA，2004），而NEHRP Provisions 2009的抗震設(shè)計地震動圖相較以往版本變化較大，包括了以下5種圖件：

①概率一致地震動（Uniform-Hazard Ground Motion，UHGM）圖，UHGM圖為B類場地50年2%超越概率5%阻尼比地震動加速度反應(yīng)譜0.2s和1s周期譜值圖；

②風(fēng)險系數(shù)（Risk Coefficients，R）圖，R圖為地震動加速度反應(yīng)譜0.2s和1s周期處R分布圖；

③確定性地震動（Deterministic Ground Motion，DGM）圖，DGM圖為B類場地5%阻尼比確定性地震動加速度反應(yīng)譜0.2s和1s周期譜值均值圖；

④長周期段起始周期（Long-Period Transition，TL）圖，TL圖為加速度反應(yīng)譜長周期段起始周期TL分布圖；

⑤MCE幾何平均峰值加速度PGA圖（MCE geometric mean PGA，MCEG），B類場地MCEG分布圖。

這套圖中，風(fēng)險系數(shù)是NEHRP Provisions 2009中新定義的概念，R定義為概率方法計算得到的基于目標(biāo)風(fēng)險的地震動（Risk-Targeted Ground Motion，簡稱RTGM）與概率一致地 震動UHGM之比，即（FEMA，2009）。

（2）NEHRP Provisions 2009中規(guī)定的MCER地震動參數(shù)的確定

NEHRP Provisions 2009中MCER地震動參數(shù)，包括地震動加速度反應(yīng)譜短周期段譜值S、1s周期譜值1，這一表示與以往版本MCE地震動參數(shù)的表示是一致的，但內(nèi)涵有差別。

MCER地震動參數(shù)確定步驟如下（FEMA，2009）：

①讀取抗震設(shè)計地震動圖參數(shù)

分別依據(jù)UHGM圖確定B類場地50年2%超越概率5%阻尼比地震動加速度反應(yīng)譜0.2s和1s周期譜值，作為UHGM地震動加速度反應(yīng)譜短周期段譜值SUH和1s周期譜值1UH。分別依據(jù)R圖確定地震動加速度反應(yīng)譜0.2s和1s周期的R值，作為地震動加速度反應(yīng)譜短周期段譜風(fēng)險系數(shù)值RS和1s周期風(fēng)險系數(shù)值R1。分別依據(jù)DGM圖確定B類場地5%阻尼比確定性地震動加速度反應(yīng)譜0.2s和1s周期譜值，作為DGM地震動加速度反應(yīng)譜短周期段譜值SD和1s周期譜值1D。

②確定標(biāo)準(zhǔn)場地MCER地震動參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)場地是指NEHRP Provisions中抗震設(shè)計地震動圖采用的B類場。

概率方法目標(biāo)風(fēng)險地震動加速度反應(yīng)譜短周期段譜值為RS·SUH，確定性方法地震動加速度反應(yīng)譜短周期段譜值為SD，取兩者中的小值，作為標(biāo)準(zhǔn)MCER地震動加速度反應(yīng)譜短周期段譜值S。

概率方法目標(biāo)風(fēng)險地震動加速度反應(yīng)譜1s周期譜值為R1·1UH，確定性方法地震動加速度反應(yīng)譜1s周期譜值為1D，取兩者中的小值，作為標(biāo)準(zhǔn)MCER地震動加速度反應(yīng)譜1s周期譜值1。

③確定場地MCER地震動參數(shù)

依照場地類別確定場地調(diào)整系數(shù)（表1，表2），按式（1）和式（2），確定場地MECR地震動加速度反應(yīng)譜短周期段譜值MS和1s周期譜值M1：

表1　場地調(diào)整系數(shù)Fa（FEMA，2009）

表2　場地調(diào)整系數(shù)Fv（FEMA，2009）

（3）NEHRP Provisions 2009中規(guī)定的設(shè)計級地震動反應(yīng)譜的確定

在NEHRP Provisions 1997—2003各個版本中，基于抗震裕度的研究結(jié)論，將設(shè)計級地震動均規(guī)定為MCE地震動的2/3（FEMA，1998）。NEHRP Provisions 2009版中以MCER地震動取代了MCE地震動，設(shè)計級地震動取為MCER地震動的2/3。

①確定設(shè)計級地震動加速度反應(yīng)譜參數(shù)

場地設(shè)計級地震動加速度反應(yīng)譜短周期段譜值DS和1s周期譜值D1可根據(jù)式（3）和式（4）確定：

②確定設(shè)計級地震動加速度反應(yīng)譜a

NEHRP Provisions 2009版建議的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計譜為圖1所示的4段式加速度反應(yīng)譜曲線，各段表達(dá)式如下：

（4）地震反應(yīng)地震動的確定

抗震設(shè)計需要通過結(jié)構(gòu)分析計算來確定建筑抗地震力系統(tǒng)抗御給定的輸入地震動需要結(jié)構(gòu)達(dá)到的強度、剛度、能量耗散能力等物理指標(biāo)。NEHRP Provisions 2003中規(guī)定了允許采用的結(jié)構(gòu)分析方法包括等效側(cè)向力分析（Equivalent Lateral Force Analysis）、模態(tài)反應(yīng)譜分析（Modal Response Spectrum Analysis）和地震反應(yīng)時程分析（Seismic Response History Procedures），ASCE 7-05標(biāo)準(zhǔn)采納了同樣的規(guī)定（ASCE，2006），NEHRP Provisions 2009中沒有相關(guān)的內(nèi)容，表明在ASCE 7-10中延續(xù)ASCE 7-05版同樣的規(guī)定（ASCE，2010）。

這3種結(jié)構(gòu)分析方法在實施中都涉及計算輸入地震動的確定，這一地震動是結(jié)構(gòu)必須依賴其自身的強度、剛度和耗能能力來實際對抗的，ASCE 7和NEHRP Provisions中并未給出一個明確的稱謂，本文考慮該地震動是用于結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析的輸入地震動，因此，將其稱為“地震反應(yīng)地震動”（Seismic Response Ground Motion），簡化表示為C，其反應(yīng)譜標(biāo)定方法可表示如下（FEMA，2004；ASCE，2006，2010）：

式中，為反應(yīng)調(diào)整系數(shù)（ASCE 7-10中值為1—8），反映設(shè)計采用的抗震結(jié)構(gòu)體系固有的耗能特性，一般越柔性的結(jié)構(gòu)越大，其作用相當(dāng)于對設(shè)計級地震動a的折減；e為地震重要性因子（ASCE 7-10中e值為1—1.5），建筑越重要且地震破壞的危害越大，其地震重要性因子也越大，其作用相當(dāng)于對a的放大。理論上，C不一定比a小。

等效側(cè)向力分析（Equivalent Lateral Force Analysis）中，取C的地震動短周期段譜值（0.2s）來確定地震基底剪力，稱為地震反應(yīng)系數(shù)（Seismic Response Coef?cient）S（FEMA，2004；ASCE，2006，2010）。

（5）NEHRP Provisions 2009中場址相關(guān)的MCER地震動計算方法

NEHRP Provisions 2009中，還規(guī)定了針對特定場址進(jìn)行MCER地震動參數(shù)計算的方法，步驟為（FEMA，2009）：

①概率方法計算基于目標(biāo)風(fēng)險的地震動反應(yīng)譜

概率方法估計規(guī)定了2個方法：方法一是進(jìn)行場址概率地震危險性分析獲得50年2%超越概率5%阻尼比地震動反應(yīng)譜，再查閱抗震設(shè)計地震動圖中的R圖，獲得不同周期點R值，計算得到場址基于目標(biāo)風(fēng)險的地震動反應(yīng)譜；方法二是對概率地震危險性分析得到的場址相關(guān)的概率地震危險性曲線與一個滿足均值倒塌率10%、方差0.8的對數(shù)正態(tài)分布的倒塌率概率密度函數(shù)進(jìn)行積分，得到場址相關(guān)的地震動倒塌風(fēng)險性曲線，設(shè)定50年倒塌概率1%為目標(biāo)風(fēng)險，計算得到場址基于目標(biāo)風(fēng)險的地震動反應(yīng)譜（Luco等，2007）。

②確定性方法計算基于目標(biāo)風(fēng)險的地震動反應(yīng)譜

確定性方法由活動斷裂特征地震震級直接計算場址5%阻尼比地震動反應(yīng)譜，并以84%分位數(shù)地震動估計值（大致為均值的1.8倍）乘以方向系數(shù)（加速度反應(yīng)譜0.2s和1s周期方向系數(shù)分別為1.1和1.3），得到場址基于目標(biāo)風(fēng)險的地震動反應(yīng)譜。

③確定場址相關(guān)的MCER地震動反應(yīng)譜

在地震動加速度反應(yīng)譜的每個周期點上，取概率方法計算得到的基于目標(biāo)風(fēng)險的地震動反應(yīng)譜值與確定性方法計算得到的基于目標(biāo)風(fēng)險的地震動反應(yīng)譜值中的小值，得到場址相關(guān)的MCER地震動反應(yīng)譜。

3.3ASCE 7-10中設(shè)計地震動取值的相關(guān)規(guī)定

ASCE 7-10標(biāo)準(zhǔn)提供了符合美國建筑規(guī)范規(guī)定的建筑和其它結(jié)構(gòu)設(shè)計的最小荷載規(guī)定、強度設(shè)計和允許應(yīng)力設(shè)計的荷載與荷載組合。ASCE7-10標(biāo)準(zhǔn)共列31章、4個附錄，地震與風(fēng)荷載及相關(guān)設(shè)計規(guī)定是主要內(nèi)容（11章至23章、附錄11A和11B），給出了有關(guān)地震荷載與抗震設(shè)計的詳細(xì)規(guī)定，涉及抗震設(shè)計準(zhǔn)則、設(shè)計地震動參數(shù)確定、重要性因子和風(fēng)險級別、抗震設(shè)計分類、建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要求、材料相關(guān)的抗震設(shè)計與構(gòu)造措施要求、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與構(gòu)筑物抗震設(shè)計要求和結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)時程分析等內(nèi)容。標(biāo)準(zhǔn)中的第11章規(guī)定了依據(jù)抗震設(shè)計地震動圖確定場地設(shè)計地震動參數(shù)的方法，第21章規(guī)定了依據(jù)場址地震危險性和工程地質(zhì)條件確定場址相關(guān)設(shè)計地震動參數(shù)的方法，第22章給出了標(biāo)準(zhǔn)中采用的抗震設(shè)計地震動圖，這3章是ASCE 7-10標(biāo)準(zhǔn)中涉及設(shè)計地震動參數(shù)取值的主要條文（ASCE，2010）。

由于NEHRP Provisions 2009的編排完全是針對ASCE 7-10更新的，因此，ASCE 7-10版地震荷載與地震反應(yīng)分析相關(guān)規(guī)定相對ASCE 7-05版的變化之處，基本上采納了NEHRP Provisions 2009版的相關(guān)內(nèi)容，但是對抗震設(shè)計地震動圖做了調(diào)整，將NEHRP Provisions 2009版中的概率一致地震動圖（UHGM）和確定性地震動圖（DGM）合并，直接給出基于風(fēng)險目標(biāo)的最大考慮地震（MCER）地震動圖，因此，ASCE 7-10采用的抗震設(shè)計地震動圖包括了：

（1）基于風(fēng)險目標(biāo)的最大考慮地震（MCER）地震動圖，該圖為B類場地MCER地震動加速度反應(yīng)譜（5%阻尼比）0.2s周期譜值S和1s周期譜值1分布圖；

（2）風(fēng)險系數(shù)（Risk Coefficients，R）圖，該圖為地震動加速度反應(yīng)譜0.2s周期風(fēng)險系數(shù)RS和1s周期風(fēng)險系數(shù)R1分布圖；

（3）長周期段起始周期（Long-Period Transition，L）圖，該圖為地震動加速度反應(yīng)譜長周期段起始周期L分布圖；

（4）最大考慮地震峰值加速度PGA幾何值（MCE Geometric Mean PGA，MCEG）圖，該圖為B類場地MCEG分布圖。

由于ASCE 7-10可以直接讀取MCER地震動值，因此，ASCE 7-10標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗震設(shè)計地震動參數(shù)取值比NEHRP Provisions 2009更加簡略，直接讀取標(biāo)準(zhǔn)場地（B類場地）MCER地震動參數(shù)，然后完成場地設(shè)計地震動參數(shù)的確定（參見本文3.2節(jié)（2）、（3）、（4））。場址相關(guān)MCER地震動參數(shù)的確定與NEHRP Provisions 2009版規(guī)定一致（參見本文3.2節(jié)（5））。

4　總結(jié)

當(dāng)前美國建筑設(shè)計法規(guī)由地方法律、“模式規(guī)范”（Model Code）、“共識標(biāo)準(zhǔn)”（Consensus Standard）和“源文件”（Resource Document）構(gòu)成了穩(wěn)定又充滿活力的體系結(jié)構(gòu)，既保證建筑設(shè)計與方法的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化和全國范圍內(nèi)建筑的安全性，同時，也能夠保持標(biāo)準(zhǔn)的不斷進(jìn)化與發(fā)展，新技術(shù)與新方法的不斷涌現(xiàn)與應(yīng)用，在穩(wěn)定與發(fā)展之間保持了非常好的平衡。

具體到建筑抗震設(shè)計法規(guī)，美國也基本上形成了NEHRP Provisions→ASCE 7→IBC和NPFA 5000規(guī)范→地方法規(guī)的建筑抗震設(shè)計法規(guī)鏈。其中NEHRP Provisions具有重要的基礎(chǔ)地位，新的改進(jìn)首先體現(xiàn)在NEHRP Provisions中。ASCE 7標(biāo)準(zhǔn)是中間關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它通過國家標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)審查程序，檢驗和審查新的技術(shù)和方法改進(jìn)，并決定是否真正納入標(biāo)準(zhǔn)。模式規(guī)范是一個門戶，引導(dǎo)建筑抗震設(shè)計的專業(yè)人員正確地引用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和理解規(guī)范要求。地方法規(guī)立法，確保了抗震設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的落實與強制性實施。美國雖然沒有統(tǒng)一的建筑抗震設(shè)計規(guī)范，但建筑的抗震設(shè)計法規(guī)條款實際上已經(jīng)在NEHRP Provisions基礎(chǔ)上得到統(tǒng)一。

美國建筑抗震設(shè)計在設(shè)計地震動方面最新的進(jìn)展，是將建筑抗震設(shè)防的最高目標(biāo)由最大考慮地震MCE，調(diào)整為基于目標(biāo)風(fēng)險的最大考慮地震MCER，反映出抗震設(shè)計的目標(biāo)由保證全美范圍內(nèi)經(jīng)抗震設(shè)計后的建筑結(jié)構(gòu)具有抗御同等風(fēng)險地震危險性的能力，調(diào)整為具有一致的倒塌防護(hù)水平。

美國建筑抗震設(shè)計法規(guī)中的各級別設(shè)計地震動參數(shù)均由最高級別MCER地震動控制，從方法上能夠很好地保證終極倒塌防護(hù)設(shè)計目標(biāo)的實現(xiàn)。

FEMA最新發(fā)布的NEHRP Provisions 2015版，針對ASCE 7-10標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)章節(jié)條文進(jìn)行調(diào)整、修改和補充，將作為新的ASCE 7-16的源文件。相較NEHRP Provisions 2009版，NEHRP Provisions 2015版在確定設(shè)計地震動參數(shù)方面，基本是繼承和延續(xù)，僅在抗震設(shè)計地震動圖的內(nèi)容方面采納了ASCE 7-10做法，刪除了概率一致地震動圖（UHGM）和確定性地震動圖（DGM），而直接給出基于目標(biāo)風(fēng)險的最大考慮地震MCER地震動圖（FEMA，2015）。NEHRP Provisions 2009版帶來的設(shè)計地震動參數(shù)方面的變化，將在抗震設(shè)計上維持10年以上的時間，以期待出現(xiàn)新的、安全性和應(yīng)用性上更加理想的設(shè)計地震動概念，F(xiàn)EMA當(dāng)前正在積極開展針對下一版NEHRP Provisions 2020版更新的技術(shù)研究，預(yù)計在設(shè)計地震動參數(shù)方面會帶來新的發(fā)展與變化。

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Zhang Meng, Pan Hua and Li Jinchen

(Institute of Geophysics, China Earthquake Administration，Beijing 100081, China)

In this paper, we introduced the evaluation of building seismic design regulation, and some typical codes, standards and documents of the United States.We also discussed and analyzed the new insights into design ground motion parameters, different levels design ground motion connected with difference design performance, the concept of Risk-targeted Maximum Consider Earthquake, and all that technical developments in the US building codes and standards.Then, the provisions about seismic design ground motion are summarized.The purpose of this paper is clearly to reveal the relation of regulatory requirements on building seismic design in the United States from complex system including building codes, consensus standards and the usage of seismic design ground motion. The research work in this paper will be helpful for the seismic design ground motion in China.

Building seismic design; Seismic design ground motion; Model code; Consensus standard; NEHRP Provisions; ASCE 7; MCER

2017-02-21

張萌，男，生于1991年。碩士研究生在讀。主要從事地震危險性概率分析方面的研究。E-mail：zmgeophysics@ 163.com

潘華，男，生于1966年。研究員。主要從事地震活動性、地震危險性分析、地震區(qū)劃方面的研究。E-mail：panhua. mail@163.com

張萌，潘華，李金臣，2017．美國建筑抗震設(shè)計的法規(guī)體系與設(shè)計地震動的確定．震災(zāi)防御技術(shù)，12（2）：306—318． doi：10.11899/zzfy20170207