建筑抗震设计中地震作用取值——主要国家抗震规范比较

建筑抗震设计中地震作用取值——主要国家抗震规范比较

摘要：对中国、日本、美国、欧洲等国建筑抗震设计规范中的地震作用取值进行对比。地震作用取值不但与各国的地震背景、区划方法、衰减规律等技术问题有关，还与设防水准、设防目标有关，而后者更大程度上取决于经济和行政的决策。

关键词：抗震设计规范；弹性和弹塑性反应谱；地震作用；基底剪力地震作用的取值是抗震设计的基础，目前世界各国的抗震设计规范中关于地震作用的描述一般均采用设计反应谱的形式，但座标参数的表达和取值不同，它的确定与抗震设防水准、设防目标有关。

一、抗震设防水准

在中国与欧洲抗震规范中，中国《建筑抗震设计规范》GB50011-2001明确规定三水准设防为按规范进行建筑抗震设计的设防目标，即“ 多遇地震、基本烈度设防地震、罕遇地震。采用按烈度为6、7、8、9度分区并给出相应的设计基本加速度。三水准的地震作用水平按三个不同的超越概率（或重现期）来区分，多遇地震为50年超越概率63.2%，重现期50年；设防烈度地震（基本地震）为50年超越概率10%，重现期475年;罕遇地震为50年超越概率2%-3%，重现期平均约2000年。欧洲Eurocode 8采用单一的设防水准（475年重现期）规定根据各地区不同的地震危险性将领土细分成地震区，按地震分区分别给出区域系数、基本地震系数或有效峰值加速度值。对各地震区选择的设计地面加速度应与重现期475年相一致。

二、抗震设防目标

中国《建筑抗震设计规范｝GB50011-2001规定的三水准下的设防目标，简称“ 小震不坏、中震可修、大震不倒”。即“当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理可继续使用；当遭受相当于本地区的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理可继续使用；当遭受高于本地区抗震设防烈度的预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。”欧洲规范一般地规定了限制破坏和不倒塌的要求，限制破坏就是“结构应设计和建造成在多遇地震下不造成损坏而能继续使用。”不倒塌要求就是“结构应设计和建造成抵御规范中定义的地震作用，无局部或整体倒塌,地震后能继续保持结构的整体性和一定的残余承载力。”但是欧洲规范没有明确与设防水准挂钩。美国的抗震设防目标包含中震可修和大震不倒，延性概念也更为明确。在抗震设计规范中，关于地震作用的取值是与设防标目标密切相关的，即使设防标准所取的超越概率（或重现期）相同，由于各国的地震背景和设防目标的不同，其地震作用的取值也会有较大差别。

三、抗震设计方法

在抗震设计中，中国规范采用的是基于概率理论的极限状态设计法，中国《建筑抗震设计规范》GB50011-2001对多遇地震作用（重现期50年）下的抗震设计采用弹性设计反应谱，对于基本烈度地震主要通过概念设计和构造措施来实现，对于罕遇地震（重现期2000年）下的抗震设计，中国规范要求对少数结构进行弹塑性变形验算，而欧洲规范Eurocode 8规范采用非线性设计反应谱进行计算，欧洲规范规定非线性状态下，结构体系抗地震作用的承载力通常允许其设计值小于相应的线弹性反应的值，考虑结构的弹塑性变形能力通过引入性能系数与修正指数、弹性反应谱进行折减。中美两国规范地震作用计算的静力方法和动力方法都以底部剪力法和振形分解反应谱法为主，对于楼层地震作用，中美两国都考虑了高振型的影响，但表现方式不同，中国规范是在建筑顶部加集中力。

四、设计地震作用取值的比较

比较是在相同超越概率（重现期）的基础上，将地震作用取值归结到基底剪力的计算，比较弹性和弹塑形基底剪力的大小，不涉及荷载组合、材料强度取值等。综合比较的结果表明，日本的规范的地震作用取值最大，其他国家取值较小并较接近，但在不同周期段仍存在差别。一般来说，中国规范的取值比美国规范的取值要低10%～20%。

中国与欧洲规范中地震作用均以设计反应谱形式表示，纵座标采用的参数不同。为了便于比较，在相同超越概率（重现期）的基础上，将地震作用取值归结到基底剪力的计算基础上，比较其大小，不涉及荷载组合、材料强度取值等。

把反应谱的纵座标均转换为基底剪力系数βv，采用等效基底剪力代表地震作用取值，即Vek =βvW 式中,W为结构总重力荷载。

以下设定某一条件为例，按中国与欧洲规范计算弹性基底剪力和弹塑性基底剪力，然后加以比较。结构类型为钢筋混凝土框架结构，周期Tg=0.8s(约8层） ,选用中等类型的建筑场地。中国选用Ⅱ类场地，设计地震分组采用第2组（Tg=0.3s）,地震分区中国选用9度区，对应的有效峰值加速度为0.4g（为了参照也给出7、8度的计算结果）。欧洲Eurocode 8选用B类场地，Tg= 0.6s,欧洲规范地震系数为0.1、0.2、0.3、0.4。选用最高地震危险区取系数的上限值0.4。

为了使比较更加合理，必须考虑不同规范在抗震验算方法上的差异。首先对罕遇地震下的弹性反应谱进行比较，其次采用对应于屈服基底剪力的弹塑性设计反应谱，将中国与欧洲规范反应谱都转换到此基础上进行比较。欧洲规范在抗力的计算中考虑了实配和超强的影响，进行比较时还必须乘上一个调整系数k,以便于把设计基底剪力调整为屈服基底剪力。对于中国规范，如果考虑实配系数为1.1和超强系数为1.1，则该调整系数k=1.1*1.1=1.21。

五、结论

抗震设计规范中关于地震作用的取值与各国的建筑抗震设防水准、抗震设防及结构设计可靠度水平有关，同时还与各国的技术发展水平、经济实力和行政决策紧密相关。中国的地震危险背景和地震区划所采取的技术路线与各国有类似之处，也有很大差别，决定了各自的设防水准的差异。各国规范可以互相取长补短，使各自的抗震规范体系更加完善，提高抗震设防水平，为各国的抗震事业做出更大的贡献。

【参考文献】

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