中美抗震规范对比讨论

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钢结构论坛 在我国抗震规范中， 底部剪力法计算公式中的地震影响 系数! ! 采用的是与设防烈度所对应的小震地震影响系数， 并且有! 其中! 为小震地震系数； ! ! 的取值仅为设防 !" !， " 烈度所对应的地震系数的 !／ 计算 # 左右。在以前的规范中， 主要 公式中是包含系数 " 的， " 的值基本在 !／ " 附近变化， 是考虑结构进入弹塑性状态以后， 结构可以耗散地震能量， 当然还包括其他一些原因。但是， 这个系数不容易解释清 楚， 概念上容易引起混乱， 所以， 在引入二阶段设计概念以 后， 就抛弃了系数 " 及其相关解释， 而采用小震弹性设计的 概念。这样设计思路比较清晰， 概念也容易理解， 只不过小 震地震系数的取值依然和以前基本烈度经过系数 " 折减之 后的值差别不大。 ： ! " # % & ( ) $ $ ’ 我认为虚心的碌碌对 # 的理解不是很对。# 其实是一 个结构类型的系数， 反映了不同结构类型耗能能力的不同。 这是因为美国规范是针对相当于中国规范的中震来设计的， 并认为中震作用下结构将进入弹塑性阶段， 因此便产生了耗 能能力的问题。但我国规范对小震采用弹性设计， 不存在弹 塑性问题， 所以不可能采用能够体现耗能的系数。以前在 含义与美国规范中 # $ % ! ! & ’ (规范中就有结构影响系数 "， 的含义近似。 学无止境： 不论怎么表述， 各国抗震规范关于地震作用计算公式的 核心内容都来自结构动力学中对动力方程的求解。 对于中国抗震规范： ・ ） $# ! %% " ! %% !（ !／ # %% $" ! ) ! ! & & & " " 对于美国抗震规范： （ （ ・ &""’ ’ (／ # )） " ’ "’（ !／ #） !／ )） ( 粗略比较二式可知， 与 相当， ／ 相当于 ， "’ ! !# !／ # !／ )相 ； 对应于重要性系数’ ， 中国规范通过 当于" ( 相当于%% !， & 调整设防标准， 也就是调整!（ 设防烈度对应的地震系数） 来 实现。当然， 上面的比较只是形式上的比较， 二者的内涵有 很大差异， 一个是针对小震弹性设计， 一个是针对中震弹塑 性设计。在我国* 为了便于设计人员直接使用， ) ) !规范中， 主要还是说地震影响系 连地震系数! 这个概念都很少说了， 数!。从结构动力学的角度出发， 中国抗震规范的计算公式 在形式上更容易理解和接受， 而且概念也更加明确。 虚心的碌碌： 我理解， 美国规范和中国抗震规范的地震力计算方法的 差异， 应该是在于抗震规范编制的技术指导思想不一致。美 国+ , - 规范的抗震设计方法是建立在单一水准的设防目标 上的， 这个设防目标相当于在地震基本烈度的水平上保证人 身安全。在基本烈度地震作用下， 结构已经进入弹塑性阶 段， 而底部剪力法计算是按照弹性和静力计算的结果进行 的， 所以计算的内力比实际大很多， 不能反映结构进入弹塑 性阶段后对地震能量耗散的有利影响， 所以除以系数 # 以 反映结构本身的耗能能力。 我国规范的地震作用采用低于设防烈度的多遇地震， 此 时结构的性能仍然处于弹性状态， 所以也就不存在与美国规 范相似的对地震作用按照结构系数的折减。在中国规范中， 为了完善第二水准的抗震设防， 增加了保证各类构件延性的 规定， 同时还增加了结构在“ 大震” 下的变形能力限制。 近! 单一的以生命安全为抗震设防目 )年的大震表明， 标的设计思想是不全面的。在美国和日本， “ 性态设计” 的研 究、 开发和实施已经提到日程上来， 而我国规范的三水准设 防目标， 与性态设计十分类似。可以说， 我国现阶段的抗震 设计是向性态设计的过渡。所以， 我国的三水准设防抗震设 计要求优于单一水准的设防要求。 ： * ) # , + . 应该明确一点， 中国的抗震规范很大程度上是参考国外 规范的， 很多地方甚至是“ 翻译” 国外规范， 所以中国规范的 条文大部分都能在国外规范里面找到影子。比如规范中的 基本设计思想— — —能力设计（ ） ， 最早出现在新 . / / . 1 2 5 6 1 8 0 34 7 西兰的规范里； 而大震不倒这样的要求， 9 : ; < = 的第一章里 就提到了， “ ， > ? @7 @ ? A 8 4B ? 2 1 ? 8 6 C / @ 5 @ 2 D / 8 2 D 54 5 6 1 8 C 5 E 5 C 6 7 7 2 D 5 1 8 2 5 8 2 ? F 2 D 5 6 5= @ ? E 1 6 1 ? 8 6 1 6 2 D / 2 2 D 5 @ 5G 5/ C ? H C 1 I 5 C 1 D ? ? 4? F ” 。中国规范的简化是为了方便工程师使 6 2 @ A . 2 A @ / C . ? C C / 6 5 0 用， 而简化也必然会带来一些问题。 首先， 存在一个逻辑上的问题— — —“ 设防烈度不设计？ ” 。 规范里给出了基本设计地震， 却按照多遇地震来设计， 这样 就会使很多人感到困惑， 就像这个帖子的提出一样。按照多 遇地震来设计， 保证多遇地震下结构为弹性， 那基本烈度作 用下结构是什么样子？地震荷载是多少？结构变形有多大？ 这些都是规范无法解决的问题。给了基本的设计要求（ 基本 设计地震） ， 并作了相应设计， 可最后结构在基本要求下的反 应却得不到， 这是一个逻辑上的矛盾。 其次， 规范对 # 作了简化， 从基本 设 计 地 震 到 多 遇 地 震， 以J度设防为例， 基本地震加速度取) ， 那么相应的地 K * 7 震影响系数! ） ， 多遇地震的地震影 "（ ) K *／ ) K ( M " ) K ( ( 7 7 B / L 响系数为 ) ， 基本地震的加速度影响系数与多遇地震影 K ! N 7 响系数的比值为* 也就是说所有结构的设计荷载采用 K J倍， 小震弹性设计时都折减了约 # 倍。我们都知道折减系数 # 是和延性密切相关的， 不同的结构形式， 比如说钢结构和混 凝土结构， 框架结构和剪力墙结构等， 延性是不同的， 折减系 数也应该是不同的。现在相当于都同等对待， 显然是不科学 的。目前， 国外的规范已经开始研究同一结构形式的不同延 性系数， 例如， 截面、 配筋都相同， 而高度不同的两根柱子， 其 水平位移延性就相差很大， 而我国的规范却还在对所有的结 构形式都相当于采用了同一折减系数， 这显然是不科学的。 不可否认， 适当的简化推动了规范的发展， 也使得工程 人员受益非浅。但是应当看到， 逐步的细化、 科学化也必将 是规范发展的趋势。现在， 中国也已经开始了这方面的探 钢结构 * + + ,年第*期第* +卷总第.期
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证这些构件的破坏不会削弱结构传递重力荷载的能力。除
话题： 中美抗震规范对比讨论
（ 整理： 申爱国；审核：李鸿晶、 武岳） 话题! " # $ % $ & ’ ! 问题的提出 虚心的碌碌： 在《 建筑抗震设计规范》 （ ） 中， 采用底部 ( )* ’ ’ + + , ’ ’ + 剪力法进行地震作用计算的公式为 !’ 为 ， 其中， #* ! ( "! ) ) + 相应于结构基本自振周期的地震影响系数， 它和设防烈度、 场地类别、 设计地震分组、 结构自振周期以及结构阻尼比有 关系， 最终由地震影响曲线确定。在美国规范中， 地震作用 的公式为： ・ ・ （ ・ ， 式中各个系数的含义为： $#%, & ’／ ( )） — — —与地震烈度和场地类别有关的系数； %, — —重要性系数， 该参数在中国规范抗震设防标准 & — 中也有体现； — —等同中国规范中的等效重力荷载 #* ； ’ — + — —结构基本自振周期； ) — — —反映结构本身对地震能量吸收能力的参数。 ( — 本人迷惑 ( 这个参数和中国建筑结构抗震设计规范中 的哪些因素对应？中国规范中是否考虑了这个参数？ " 相关讨论 ： # $ % % & ’ 地震作用的计算是从静力法发展而来的。在静力法向 反应谱法过渡的过程中， 人们发现短周期结构的加速度谱值 比静力法中的地震系数大+倍以上， 而实际上按静力法的设 计已经足以保证短周期结构经受住相应的地震作用。为解 决这一问题， 以美国 . ， ） ) / 规范（ . 0 ! 1 2 3 4) 5 ! 6 " ! 0 2 " 8 ’ ’ ’ 7/ 为代表的抗震规范， 通过地震作用降低系数 ( 将反应谱法 得到的加速度反应值*- 降低到与静力法计算结果相当的水 平， 也称作设计地震加速度 * （ ， 其中地震作 * (） . ." * - ／ 用降低系数 ( 对延性较好的结构取值较高，对延性较差的 结构取值较小。 （ 原文为英文， 以下为翻译稿） ( ) * + & %： 规范（ 9 : ; < = 9 > ? ! 2 0 > 6: > 3 ? @ 5 > B 8; > C > 3 " D< 8 " 5 E ? ! 2 0= 3 2 F A ） 提供了基于系数 ( 的设计程序。在该设计方法 3 > 4， + G G $ 7 中， 某些构件在结构系统中起着类似保险丝的作用， 它们以 非弹性变形的行为来消耗部分地震能量。由于这些构件在 强震中会产生严重的破坏， 所以要合理选择它们的位置以保 ） ， ， ; < * * = > # ? 4 < % / 6 < @ # ? AB C C D（ B , # = A B C 0 # A E F
了这些耗能构件之外， 所有其他的结构构件（ 包括连接部分） 都必须根据能量设计的概念进行设计， 使其在地震作用下的 变形保持在弹性范围内。现在考虑一个结构的反应曲线， 令 横坐标和纵坐标分别代表结构的层间位移和基底剪力比。 如果结构在强震中的反应被设计为弹性的话， 则需要的弹性 基底剪力 % 比较大。考虑经济性， 0 ’ 1 2 3 推荐的设计方 * / 法利用了结构本身的耗能能力， 该方法指定了一个设计地震 力水平 % （ 其中 ( 为反应修正系数） ， 显然% % (， 4 4"% * /／ 4比 设计地震力水平 % % * / 减小很多。 4 是结构的首次屈服水平， 它对应于结构反应开始明显偏离弹性范围时结构所受力的 水平。 若将结构实际的反应理想化， 可以看出系数 ( 由两部 分组成， 即 ( " (!+ "#。 延性折减系数 (! 代表地震力从 到 的折减， 是由结构中的耗能构件决定的； 结构强度 % %5 * / 之间的能量储备， 由以下几个因素决 系数 "# 代表 %5 和 % 4 定： 结构的冗余度、 层间极限位移、 材料的强度、 构件的尺寸、 非地震荷载的组合等。 虚心的碌碌： 综合4 / * %和6 7 8 # * - 的回贴， ( 是否可以这样理解： 在地震作用下， 结构某些部位的构件进入塑性变形阶段， 从 而发挥耗散地震能量的作用； 如果仍然采用弹性分析方法， 意味着过高地估算了结构所经受的地震作用， 所以除以 (。 因此， 按照E H I 2 8 4 的解释， ( 主要由两部分构成。第一部分 是柔性降低系数， 这是由结构系统的能量耗散构件所产生 的； 第二部分为系统强度系数， 该参数描述结构从屈服强度 到极限强度之间的强度安全储备， 影响强度系数的因素包括 结构安全储备、 层间位移允许值、 材料极限强度、 结构空间构 型的合理性以及非地震荷载的组合等。由于 ( 集众多因素 在一身， 因此， “ 大大简化了设计过程， 使 ( 系数抗震设计法” 得结构工程师对于结构抗震性能只需进行弹性设计， 就可以 保证设计出来的结构能够在强震作用下表现出良好的弹塑 性变形能力。 再看中国规范， 在考虑地震作用后， 结构构件的可靠度 应低于非抗震设计采用的可靠度， 也就是说地震作用下结构 构件容许适当的塑性变形或破坏， 所以是不是可以在中国规 范中引入构件抗震调整系数使之与国外规范的 ( 相对应 建筑结构抗 呢？或者说， 国外规范中的 ( 应该怎样在中国《 震规范》 中得到体现呢？ 学无止境：