基于静力法的中土标准水平地震作用比较

基于静力法的中土标准水平地震作用比较
刘天英;卢昊;徐叶波
【摘要】为了解土耳其标准水平地震作用计算,对比中土标准水平地震作用计算的差异,对中国标准GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》及《土耳抗震标准》2007静力方法计算水平地震作用进行介绍.通过对水平地震作用的各个参数如地震重要性系数、设防烈度、场地类别、场地动力放大系数谱、强度折减系数等对比分析,并进一步探讨2部标准各参数的异同.通过具体算例比较中土标准水平地震作用的大小,算例计算结果表明,对于同一场地,现浇钢筋混凝土结构,土标水平地震作用要高于中标;钢中心支撑框架结构,则土标水平地震作用低于中标.得出对于同一场地同一建筑,2部标准水平地震作用的高低主要取决于地震重要性系数和强度折减系数的结论.
【期刊名称】《吉林电力》
【年(卷),期】2017(045)003
【总页数】5页(P5-8,16)
【关键词】中国;土耳其;标准;静力方法;水平地震作用
【作者】刘天英;卢昊;徐叶波
【作者单位】中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司,长春 130021;中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司,长春 130021;中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司,长春 130021
【正文语种】中文
【中图分类】TU312.1
中国工程公司在土耳其承担很多电厂项目，这些项目基本按照中国标准设计，确认工作由土耳其工程技术人员或聘请发达国家的咨询工程技术人员完成。

土耳其工程技术人员熟知土耳其标准（以下简称土标），不了解中国标准（以下简称中标），而中国工程设计人员熟知中标，不了解土标，这就阻碍了图纸的确认。

为便于交流并顺利执行项目，有必要进一步了解土标。

地震作用是结构设计最基本工况之一，地震组合常对建（构）筑物的安全起控制作用。

地震作用又进一步细分为水平和竖向地震作用，其中水平地震作用在结构设计中最常遇到，其计算也是中国和土耳其工程技术人员争论的焦点。

在中土标准中，水平地震作用计算均分为静力方法和动力方法，两种方法有各自适用条件，其中静力方法简单实用，应用广泛，所以有必要对中土标准基于静力方法的水平地震作用计算进行对比，找出差异并分析对结果的影响，使中国工程技术人员了解土耳其标准水平地震作用计算。

许多国家抗震规范中的设计地震作用可用统一的公式来表示，总设计水平基底剪力V＝ZIβ（T）W／R，式中：Z为地震区系数，为不同地震分区设计地震水准的峰
值地面加速度与重力加速度的比值；I为地震重要性系数；R为强度折减系数，与
结构的延性有关，结构延性越好，R值越大；β（T）为场地设计谱（即动力放大
系数），T为自振周期；W为有效地震重力荷载。

静力法在中标GB50011—2010《建筑抗震设计规范》中就是底部剪力法，在进行水平地震作用计算时采用多遇地震（小震）。

可以这样理解，水平地震作用计算采用设防地震（中震）水准为基准，考虑到结构延性，采用结构影响系数C对设防
地震的作用力折减至多遇地震水准。

结构总水平地震作用标准值FEK＝α1Geq，
式中：α1为相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数；Geq为结构等效总重力荷载。

令α1＝ZIβ（T）／R，中标底部剪力公式可写为FEK＝ZIβ（T）Geq／R。

土标《土耳其抗震标准》2007中静力方法的总基底地震剪力V＝A（T）W／Ra
（T），其中A（T）＝A0IS（T），则V＝A0IS（T）W／Ra（T），式中：A（T）为谱加速度系数；A0为有效地面加速度系数，也就是地震区系数；I为建筑重要
性系数；S（T）为谱系数，也就是场地动力放大系数谱；Ra（T）为地震荷载折减系数，与延性等级有关，延性等级越高，该值越大。

从两部标准水平地震作用计算公式看，静力方法水平地震作用公式基本一致，有比较基础。

水平地震作用涉及地震区系数、地震重要性系数、场地动力放大系数谱、强度折减系数、等效重力荷载，场地动力放大系数谱又涉及设计地震水准及场地类别等。

为便于水平地震剪力的比较，两部标准地震重力荷载取值相同，具体计算见GB50011—2010和土标2007。

2.1 设计地震水准
GB50011—2010中规定建筑物所在地区遭受的地震影响，应采用相应于抗震设防烈度的设计基本地震加速度表征。

抗震设防烈度为50年设计基准期超越概率10%，也就是重现期为475年的地震烈度。

抗震设防烈度与设计基本地震加速度取值、
地震区系数的对应关系见表1。

土标2007中设计地震水准采用50年设计基准期超越概率10%［1］，也就是重
现期为475年的地震动参数。

土标将土耳其共分为4个地震区，各区有效地面加
速度系数，也就是地震区系数见表2。

从两部标准中看，设计地震采用的重现期是一致的，均为475年。

也就是说两部
标准设计地震水准一致，可以直接对应。

土标的1区对应中标的9度（0.40g），2区、3区和4区分别对应中标的8度（0.30g）、8度（0.20g）和7度
（0.10g）。

2.2 地震重要性系数
中标GB50011—2010水平地震作用公式中没有重要性系数，抗震设防类别分为
特殊、重点、标准及适度设防4类。

其中特殊设防类按批准的地震安全性评价的
结果且高于本地区抗震设防烈度的要求确定地震作用，其余3类按本地区抗震设
防烈度确定地震作用。

可以理解为中标除特殊设防类之外，地震重要性系数均为1.0。

土标2007中考虑结构的功能、失效后果、灾后需求等因素，将结构的类别分为4类，分别采用不同的重要性系数（见表3）。

可以看出，中标除特殊设防类以外，重要性系数均取1.0，也就是不提高地震作用，而土标1至3类结构提高地震作用。

虽然中标不提高作用，但提高抗震措施。

中
标提高抗震措施，着眼于把财力、物力用在增加结构薄弱部位的抗震能力上，是经济而有效的方法，适合我国经济发展水平。

2.3 场地类别
场地分类的目的之一是确定不同场地上的设计反应谱，并在地震作用的计算中定量考虑场地条件对设计参数的影响，中土标准均将场地按某些定性指标和特征划分为若干类。

中标GB50011—2010按照土的性状划分土的类型，并给出相应的剪切
波速vs的范围，即岩石、坚硬土或软质岩石（vs＞800）、坚硬土或软质岩石（800≥vs＞500）、中硬土（500≥vs＞250）、中软土（250≥vs＞150）、软弱土（vs≤150）。

建筑场地类别，根据在土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度2个指标分为4类，其中Ⅰ类又分为Ⅰ0、Ⅰ12个亚类。

中标确定剪切波速的计算深
度取覆盖层厚度和20m两者的较小者。

为更好体现震级和震中距的影响，中标根据设计地震分组及场地类别确定场地的特征周期（见表4）。

土标根据土的标贯数、相对密度、无侧限抗压强度和剪切波速等指标将土分为4组：A、B、C、D。

根据土的组别和顶部土层的厚度，将局部场地分为4类：Z1、Z2、Z3、Z4。

土标反应谱特征周期见表5。

土标中A、B组土基本与中标的岩石、坚硬土或软质岩石基本相当；C组土与中标的中硬土和中软土基本相当；D组土与中标的软弱土相当。

场地通常由多层土组
成，也就是可能由不同类型或不同组的土组成。

中标采用等效剪切波速和覆盖土层厚度确定场地类别，非常明确。

土标根据土的组别和最顶层土层的厚度来确定，不是很明确，其中土的组别是指基础持力层的土的组别还是地面以下一定范围内土的组别，规范没有明确。

土标反应谱特征周期没有体现震级和震中距的影响，每个场地分类仅对应一个特征周期，中标的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ类场地基本与土标Z1、Z2、
Z3和Z4场地对应。

2.4 设计反应谱
根据中标GB50011—2010地震影响系数曲线（阻尼比0.05）可以推导出地震动
力放大系数β谱曲线，见图1。

动力系数曲线分为4段：直线上升段，自振周期
T≤0.1s，β＝1＋（T／0.1）（η2βmax－1），η2为阻尼调整系数；水平段，
0.1s＜T≤Tg，Tg为特征周期，β等于峰值βmax；曲线下降段，Tg＜T≤5Tg，β
＝（Tg／T）γη2βmax，γ为衰减指数；直线下降段，5Tg＜T≤6s，β＝［η20.2γ－η1（T－5Tg）］βmax，η1为下降斜率调整系数。

中标动力系数峰值βmax统一取2.25。

阻尼比ζ不等于0.05时，对动力放大系数谱曲线形状进行调整，曲线下降段衰减指数γ＝0.9＋（0.05－ζ）／（0.3＋6ζ）；直线下降段的下降斜率调
整系数η1＝0.02＋（0.05－ζ）／（4＋32ζ）≥0；阻尼调整系数η2＝1＋（0.05－ζ）／（0.08＋1.6ζ）≥0.55。

中标计算设计地震水平作用力时，混凝土结构阻
尼比取0.05；钢结构高度不大于50m时取0.04，高度大于50m且小于200m时，取0.03，高度不小于200m时，取0.02。

土标2007中地震加速度谱系数S（T）曲线（阻尼比5%）见图2，分为3段。

直线上升段：0≤T≤TA，S（T）＝1＋1.5T／TA，T为自振周期；水平段：TA＜
T≤TB，S（T）＝2.5；曲线下降段：TB＜T，S（T）＝2.5（TB／T）0.8。

土标未考虑结构阻尼比对地震加速度谱系数曲线的影响。

可以看出，土标将加速度谱响应系数曲线分为3段，最长周期没有做出限制；而
GB50011—2010标准分为4段，周期最长至6.0s。

随着地震区及场地类别的不同，两部标准均对反应谱曲线平台段的宽度以及曲线的形状做了调整。

5%阻尼比时，土标响应系数最大值βmax取2.5，而GB50011—2010取g）、8度
（0.20g）和7度（0.10g），相应的特征周期分别为0.30、0.40、0.60、0.90s。

结构类别：重点设防类，地震重要性系数1.0。

基于土标不同地震区不同场地类别16个算例的地震基底水平剪力与相应中标地震基底水平剪力的比值为1.17～1.23，计算过程略。

2.25 。

土标Z1、Z2、Z3和Z4场地的谱特征周期TB分别为0.30、0.40、0.60、0.90s，没有体现震级和震中距对反应谱的影响；而中标通过地震分组来体现震级
和震中距对特征周期Tg的影响。

中标考虑阻尼比不等于5%对反应谱曲线的调整，土标则没有考虑。

2.5 强度折减系数
强度折减系数R定义为结构保持完全弹性所需要的最低强度与结构保持给定延性
所需要的最低屈服强度之比，是由结构非弹性耗能引起的地震力折减。

R为结构影响系数C的倒数，也就是R＝1／C。

GB50011—2010采用结构影响系数C对地
震力进行折减，只是不区分抗震结构体系及建筑材料把结构影响系数C均取为
0.35，可以认为中标所有的建构筑物R值为2.86。

土标2007为考虑在地震中结构体系具体的非线性行为，按照谱加速度系数确定的弹性地震作用除以地震荷载折减系来考虑。

地震荷载折减系数Ra（T）根据结构
体系行为系数R和自振周期T来确定。

0≤T≤TA，Ra（T）＝1.5＋（R－1.5）T／TA；TA＜T，Ra（T）＝R。

土标结构体系行为系数R实际就是强度折减系数。

不同建筑材料以及不同结构型式，也就是不同延性结构采用不同R值（见表6），表6中仅列出典型结构，其余详见土标2007。

算例2：土耳其某发电厂一钢中心支撑框架结构（高延性水平），金属墙板封闭。

长和宽均为30 m，层高4.0m，共10层，总高度为40m。

基本自振周期T1为0.78s，总重力荷载为W。

中标结构阻尼比取0.04，其余条件同上。

基于土标不同地震区不同场地类别16个算例的地震基底水平剪力与相应中标地震基底水平剪力的比值为0.87～0.96，计算过程略。

从算例可以看出，对于现浇钢筋混凝土结构，土标水平地震作用要高于中标；对于钢中心支撑框架结构，则土标水平地震作用低于中标。

出现这种情况的主要原因是由于地震重要性系数和强度折减系数不同造成。

算例1：土耳其某发电厂一现浇钢筋混凝土框架结构（一般延性水平），长和宽均为20m，总高度为14m。

共4层，层高3.5m。

基本自振周期T1为0.50s，结构阻尼比取0.05，总重力荷载为W。

结构类别：1类，地震重要性系数1.5。

位于
土标地震区1、2、3和4区中，场地类别分别为Z1、Z2、Z3和Z4。

相应的中标参数：9度（0.40g）、8度（0.30
a.中标与土标设计地震作用计算均是以475年重现期，也就是50年超越概率为10%的地震动参数作为基准。

b.土标场地分类依据不如中标明确。

中标的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ类场地基本与土标Z1、Z2、Z3和Z4场地对应。

c.中标反应谱动力放大系数β的最大值βmax取2.25，土标βmax取2.5。

d.中标抗震设防类别分为特殊、重点、标准及适度设防4类，可以认为除特殊设防类之外，地震重要性系数均为1.0。

土标将结构类别分为4类，地震重要性系数分别取1.5、1.4、1.2和1.0。

e.中标不区分抗震结构体系及建筑材料把强度折减系数R均取2.86；而土标根据
不同的建筑材料以及不同的结构型式，也就是不同延性的结构采用不同的R值。

f.中标计算设计地震水平作用力时，混凝土结构阻尼比取0.05；钢结构高度不大于50m时取0.04，高度大于50m且小于200m时，取0.03，高度不小于200m时，
取0.02。

而土标未考虑阻尼比影响，均按5%阻尼比反应谱计算。

g.基于静力方法的中土标准水平地震作用的高低取决于地震重要性系数和强度折减系数。

【相关文献】
［1］欧添雁，饶幼初.浅谈土耳其规范钢结构抗震设计［J］.武汉大学学报（工学版），2010，43（SI）：132－134.。