国外建筑抗震规范地震作用对比分析

 中国规范不同等级的框架采用相同的设计地震力水平，仅抗震措施不同，且大多数结构只进行弹性设计，位移限制要求很严格。而美国、欧洲、日本通过对不同等级的框架弹性谱进行不同程度的折减，进行弹塑性设计，位移限值较大。因此，在基于计算抗震设计严格性方面，中国虽然仅次于日本，但是建筑质量还取决于结构的构造措施、施工质量、材料性能、监管质量等，而在这些方面，我国与美国、欧洲、日本这些发达国家还有较大差距。
第 1 章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

  进入 21 世纪以来，国际上发生了多次强烈地震，近 10 年全世界因地震灾害死亡人数已达 90 万，而 20 世纪整整 100 年间，因地震灾害的死亡人数为120 万[1]，地震的高度活跃和破坏力引起了全世界的广泛关注。日本近期由地震引起的海啸、核辐射危机，更提升了人们关注度。全球地震分布主要集中在两大地震带上：环太平洋地震带，其发生的地震次数占全球地震次数的 80%；欧亚地震带，其发生的地震次数占全球地震次数的 15%。美国的部分地区和日本处于环太平洋地震带上，其中日本处于环太平洋火山地震带的西缘，地震频发，有“火山地震国”的称号；美国西海岸位于环太平洋火山地震带的东侧，这里有世界著名的活跃断层——圣安德烈斯断层，美国强地震大多发生在这里。我国位于这两大地震带之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，震害十分严重。欧洲部分国家位于欧亚地震带上，震害与日本、美国、中国相比较轻，但其抗震规范经历了 30 年的发展，在土木工程领域有重要影响[2]。地震是包括战争在内的群灾之首，造成的死亡人数大大超过全球因自然灾害死亡人数总和的 1/2。我国的地震灾害也特别严重，造成的死亡人数超过了因自然灾害死亡人数总和的 1/2。中国工程院院士谢礼立、王亚勇[3]认为，地震灾害从本质上讲是土木工程灾害，是由于不合格的土木工程——不当的选址、不当的知识、不当的设计、不当的施工、采用不当的材料、不及时的加固造成的。做好土木工程防护措施，是防止地震灾害的最有效手段。各国的土木工程措施的研究和应用，都主要是通过各国的抗震设计规范体现出来的。一个国家的抗震设计规范，体现了该国抗震的科研水平和实践经验。较好的抗震设计，能够在大地震来临时，有效的减轻建筑物的破坏，降低国民财产的损失，较好的保护人们的生命安全。通过中国、美国、欧洲、日本在历史上历次地震下的伤亡和震害，可以看出其抗震设计规范的有效性。表 1-1 给出了我国建国以来历次较大的地震震害，可以看出我国历次地震灾害都比较严重，震害相对较轻的 6.8 级伽师地震死亡人数也有 268 人，7.8 级的唐山地震死亡有 24 万多人之多，震害相当严重。表 1-2、1-3 给出了美国、日本历次地震震害，在相似的震级下，两国死亡人数和房屋破坏程度都远远小于我国。通过表1-4 欧洲国家地震震害情况，可以发现欧洲地震发生频率相对我国较小，但由于其抗震研究发展较早，科技水平也较为先进，因此在为数不多的地震中，伤亡损失也远远小于我国。

1.2 中、美、欧、日建筑抗震规范发展历程

（1）中国建筑抗震规范

  我国建筑抗震设计规范的编制和修订，与国内发生的重大地震、国民经济的发展水平以及我国抗震科技研究水平关系十分密切。我国的建筑抗震规范从建国以来的《地震区建筑规范（草案）》到现在的最新版本的《抗震设计规范》GB50011－2010 已经经过了六个版本的发展，即 TJ11－74、TJ11－78、

GBJ11-89、GB50011-2001、GB50011-2008、GB50011-2010。我国抗震科学技术工作者总结了唐山地震、汶川地震等较典型的震害经验和教训，在历次抗震规范修订中不断提出有效的土木工程抗震措施[8]。我国现行 2010 版的抗震规范，代表了我国建国 60 年来的地震研究成果和抗震设防经验，在我国的抗震设防工作中发挥着重大作用。本文采用最新发行的 2010 版的《抗震设计规范》与其他国家抗震规范进行比较。

（2）美国建筑抗震规范

  2000 年以前，美国没有全国统一的抗震设计规范，不同地区的建筑设计可以采用不同的规范。其中采用最广泛的一本规范为 UBC（Uniform BuildingCode），是由“国际建筑官员协会”（International Conference of Building Officials，即 ICBO）编制出版发行的，1997 年以后已停止发行新版本。1994 年，美国成立了“国际规范协会”（International Code Council，即 ICC），以编制一本适用于全美的规范。ICC 于 2000 年出版发行了 IBC（International BuildingCode），它融合了当时应用比较广泛的三本规范：主要用于美国西部地区的UBC，主要用于美国北部地区的 NBC（National Building Code），主要用于美国南部地区的 SBC（Standard Building Code）[9]。IBC 每三年出版一次，现行最新版本为 IBC2009 版。

第 2 章 中、美、欧、日地震作用基本规定

2.1 引言

  抗震设防思想，指导着一个国家具体抗震设计，是结构抗震计算的基础。抗震规范中地震作用的基本规定，指导着设计者的抗震设计工作和对建筑质量进行控制。现有研究主要针对中国与美国、欧洲、日本抗震设防目标和方法比较[15-19]，以及不同国家的场地分类方法 [20]对比。本章不仅系统的比较了中、美、欧、日抗震设防目标和方法、场地分类方法，还比较了四本规范地震危险性区划、不同设防水准地震动参数间关系、建筑重要性类别的划分方法，通过这些地震作用的基本规定对比全面、深入的分析四本抗震规范抗震设防思想和方法的差异。
2.2 地震危险性区划

  地震危险性分析（Seismic Hazard Analysis），即预计某场地将出现各种烈度地震的可能性，目的是估计地震灾害，即对工程设施在未来地震中遭到不同程度的损坏及生命财产的损失的可能性进行定量估计，并在此基础上进行合理的设防[21]。因此，抗震设防首要工作是掌握该地区地震背景，即进行地震

危险性分析。

2.2.1 各规范地震动区划介绍

  中国、美国、欧洲、日本位于不同的地震带，其地震活动性存在差异，发生地震的背景也不同。科学合理地震危险性分析，对地震活动性进行区划，是工程设计人员合理选用地震动强度、进行设计的重要基础。四本规范中，地震活动性区划采用了不同的指标和方法，下面对其进行逐一介绍。

（1）中国规范地震动区划

  我国从 1959 年第一本规范出版至今，一直以地震烈度作为抗震设防地震动区划的指标。地震区划图按烈度划分，抗震设计规范的地震作用和抗震措施，也是以烈度作为设计依据。区划图的烈度划分和设计地震作用估计均利用峰值加速度同相应的烈度对应。现行规范中，相应于 6、7、8、9 烈度区的峰值加速度数值分别为重力加速度的 5%、10%、20%、40%，其中 7、8 度之间插值结果为 15%、8、9 度之间插值结果为 30%，如表 2-1 所示。烈度，是地面及地面上的建筑物受地震影响的程度，是衡量在地震灾害后果的综合尺度，采用烈度进行地震动区划缺乏科学性[22]。因此我国现已采用“双轨制”的办法，对一般的结构设计，仍可采用现行的地震区划图，以基本烈度作为基础，也可以采用地震动基本加速度区划图。抗震构造措施，还是用地震烈度加以区分，以便与地震灾害经验有更直接的联系。

第 3 章 中、美、欧、日地震作用对比

3.1 引言

3.2 结构基本周期的简化计算公式 

3.3 设计谱比较

3.4 结构性能折减系数 

第 4 章 基于底部剪力法的 RC 框架地震作用比较

4.1 引言 

4.2 结构模型 

4.3 RC 框架模型地震力的计算

4.4 RC 框架模型楼层位移 .

结 论

  本文对比了我国最新抗震设计规范与美国、欧洲、日本抗震设计规范地震作用的相关规定。通过对四本规范地震危险性划分、抗震设防水准和目标、抗震设计方法、重要性类别和场地分类规定、弹性反应谱和基底剪力系数、设计严格性评价指标等进行比较，主要得出以下结论：

（1）我国的地震危险性区划现在采用的“双轨制”，即一般情况采用抗震设防烈度做为一个地区抗震设防依据，在一定条件下，可采用抗震设防区划提供的地震动参数。美国规范用 50 年超越概率 2%的地震动 0.2s 和 1.0s 处的加速度反应谱值进行地震动区划，将该地震动水平进行 2/3 的折减用于抗震设计。

欧洲国家用地面有效峰值加速度进行区划，对于不同重要性的结构，使用重要性系数对地震重现期进行调整。而日本全国地震危险性差异用地震分区系数体现，全国地震力相差不大。

（2）我国采用的是“三水准”的抗震设防目标和“两阶段”的抗震设计方法，欧洲、日本采用“两水准”的抗震设防目标和“两阶段”的抗震设计方法，美国是单一水准的抗震设防目标。其中，日本两个阶段的设计最为细致。

（3）中国、美国、欧洲、日本对钢筋混凝土结构基本周期估算结果相近，其重力取值也相差不大，四国规范 475 年重现期地震下的弹性反应谱值从大到小的顺序为：日本、美国、欧洲、中国。由弹性反应谱折减得出的设计谱确定的钢筋混凝土框架基底剪力系数则日本规范最大，中国规范框架大体相当于美国规范中等框架、欧洲规范中等延性框架。

（4）中国规范不同等级的框架采用相同的设计地震力水平，仅抗震措施不同，且大多数结构只进行弹性设计，位移限制要求很严格。而美国、欧洲、日本通过对不同等级的框架弹性谱进行不同程度的折减，进行弹塑性设计，位移限值较大。因此，在基于计算抗震设计严格性方面，中国虽然仅次于日本，但是建筑质量还取决于结构的构造措施、施工质量、材料性能、监管质量等，而在这些方面，我国与美国、欧洲、日本这些发达国家还有较大差距。本文仅对中国、美国、欧洲、日本抗震设计规范地震作用规定进行了比较，进一步工作可以借鉴美国规范对我国地震危险性区划方法适当改进，研究不同结构类型的折减系数，而不是所有的结构用相同的折减系数，达到更合理的抗震设计。在抗震设计严格性方面，可以从各规范规则性要求、施工管理等方面进行比较，分析抗震措施的差异，从而改进我国规范构造性措施的要求。