中日建筑抗震設計標準的比較
——設計思路、方法及反應譜

孫鳳利，許金鳳

（珠海市建筑設計院 ，廣東 珠海 519000）

中日建筑抗震設計標準的比較
——設計思路、方法及反應譜

孫鳳利，許金鳳

（珠海市建筑設計院 ，廣東 珠海 519000）

采用對比方法介紹了中日建筑抗震規(guī)范設計標準在抗震設計思路、設防目標、設計方法及地震反應譜等方面的異同，由此闡述中日建筑抗震規(guī)范的各自特點以及對建筑物設計的影響，從而為工程抗震設計提供參考。

抗震設計；剪力系數；反應譜

引言

從古至今，人類就一直和地震這一自然災害進行著斗爭，并不斷地探索抵御地震的方法，由此為地震的研究積累了寶貴的經驗?，F代的抗震設計理論是從20世紀初開始建立起來的，在經濟迅速發(fā)展的今天，地震的破壞力越來越大，造成大量的財產損失和人員傷亡，為此各國相續(xù)頒布了建筑物抗震設計規(guī)范。中國和日本都是地震多發(fā)的國家，為減少由地震帶來的災害而進行抗震設計。對于抗震設計日本是以 《建筑標準法》為基礎，編制了《建筑抗震設計規(guī)范》，日本早在關東地震的第二年 （1924年）就編寫了自己的抗震規(guī)范。而我國在 《防震減災法》的基礎上編制了 《建筑抗震設計規(guī)范》，以此作為抗震設計依據同時作為施工指導。

1 抗震設防水準及設防目標

中國規(guī)范GB50011－2001規(guī)定三水準，即多遇地震、基本烈度地震、罕遇地震；而日本的建筑標準法規(guī)規(guī)定了兩水準，即第一水準的中等強度地震和第二水準的強烈地震。我國雖然規(guī)定三水準原則，但是從地震強度來看，兩國都把強烈地震劃分一個水準，而我國又在中等強地震基礎上進行了細分。這是從經濟條件來考慮的，在中等強度地震作用下，日本規(guī)范要求建筑物幾乎不發(fā)生破壞，而我國在多遇地震作用下做了此規(guī)定，即小震不壞，而在中等強度地震允許建筑物發(fā)生局部破壞，但不影響整體承載力，這也就是中震可修的設計思想。

中國 《建筑抗震設計規(guī)范》所規(guī)定的三水準下的設防目標是 “小震不壞，中震可修，大震不倒”。日本規(guī)定在第1水準中等強度地震作用下，要求結構幾乎不遭受破壞；第2水準強烈地震作用下，結構不倒塌或不產生導致人員傷亡的破壞。在中等強度地震作用下日本要求較嚴格，而在大地震作用下抗震效果基本相同，都要保證建筑在大地震作用下不倒塌，從而保證居住者的生命安全。

日本第一水準的地震重現期為475年，相當于中國的基本設防烈度 （中震）；第2水準的地震重現期為2500年，相當或者高于中國的罕遇地震 （大震）。中日兩國規(guī)范均按地震危害 （烈度）分區(qū)，分別給出烈度或區(qū)域系數值。

2 設計思路[1]

（1）中國抗震設計思路如圖 1所示[2～3]。

圖1 中國抗震設計思路Fig.1 The idea of seismic design in China

（2）日本抗震設計思路如圖 2所示[1]。

進行2次設計是指在允許應力設計以后所進行的形狀限制、變形限制、保證抗力延性、在大地震時保持一定的水平強度等一系列的抗震性能的研究。對于如圖 2中不進行2次設計主要包括：各類構造設施以及其各種抗震安全性能都滿足構造要求情況；憑借以往的抗震經驗和經過充分調查研究確定其具有良好的抗震性能的構件。符合以下條件的可不進行2次設計：

① 加固混凝土結構，不包括地下室，層數小于3層

②RC結構或者SRC結構符合下列條件：

高度小于20 m

地上部分的各層剪力墻和構造柱以及剪力墻以外的RC墻的水平截面面積要滿足下式[1]要求：

式中，AW每層剪力沿計算方向的截面面積 （cm2）；

Ac每層柱及剪力墻以外的RC墻計算方向上的水平截面面積 （cm2）；

W計算層以上部分的建筑物重量 （kg）；

Ai由 （3）式求得；

Z區(qū)域性系數。

③ 對于鋼結構要滿足下列條件：

a.不包括地下室，層數小于3層。b.高度小于13 m主體高度小于9 m。c.框架柱間距小于6 m。d.樓板面積小于500 m2。e.標準剪力系數C0大于0.3時按構造計算。f.承擔水平力鋼筋軸向屈服時該鋼筋的端部及連接處不發(fā)生破壞。

從設計思路來看，兩國都以60 m為設計分界線，在大于60 m時中國要進行層間剪力、層間變形、截面強度驗算等設計，而日本要由建設大臣給出設計方法。在建筑物高度小于60 m時，中國只進行層間剪力、層間變形、截面強度驗算；而日本還有以31 m為分界線，小于30 m時要根據建筑物的形狀限制、抗力、延性進行分類設計。

圖 2日本抗震設計思路Fig.2 The idea of seismic design in Japan

3 抗震設計方法

日本，對于中小型地震采用容許應力、彈性變形，對于大地震確保其水平抗力或者極限抗力和利用地震反應分析結果來驗算。

允許應力值設計。日本對于頻率較高的中等強度地震，要以建筑物不屈服為設計目標，由允許應力值設計來確保建筑物的安全。使用的地震強度是0.2 g，作為短周期建筑物的反應剪力系數標準值。

允許應力值設計所用的層間剪力系數Ci由下式[1]計算：

Z為地震區(qū)域系數；

Rt表示建筑物固有周期T和建設場地對地震強度綜合影響的振動特性系數。

Ai為層剪力系數沿建筑物高度方向分布值，由下式[1]給出：

式中αi為最上層到第i層重量與地上建筑物總重量的比值：

T為建筑物第一固有周期；

C0標準剪力系數，允許應力設計取0.2。

利用 （2）式確定的地震強度求出各個構件的應力，然后算出構件截面應力值，這些應力值必須在允許應力值范圍內。

極限抗力計算。主要流程如下：①確認材料的適用性。主要確定是否為新材料來采取相應的設計方法。② 進行截面假定。③ 以破壞極限、安全界限為基礎計算加速度反應譜。④計算建筑物荷載－變形關系以及在此變形下計算出建筑物的阻尼。⑤ 進行極限破壞驗算。⑥進行安全界限驗算。通過此過程來保證建筑物在大地震時的安全性能。

中國規(guī)范規(guī)定結構抗震設計采用二階段設計方法即第一階段設計的截面抗震驗算和第二階段的抗震變形驗算。

第一階段截面抗震驗算，由下式[4]計算：

式中，R為結構構件承載力設計值；γRE為承載力抗震調整系數；S為內力組合設計值。

第二階段抗震變形驗算：

（1）多遇地震作用下框架、層間彈性位移應符合下式[4]條件：

式中，Δue為多遇地震作用標準值產生的樓層內最大的彈性層間位移；［θe］為彈性層間位移角限值。

（2）罕遇地震作用下結構的彈塑性位移驗算

①簡化方法

主要只用于不超過12層且剛度無突變的框架結構、填充墻框架結構及單層鋼筋混凝土柱、廠房，由下式[4]計算：

式中，Δup為彈塑性層間位移；Δue為罕遇地震作用下按彈性分析的層間彈性位移；ηp為彈塑性位移增大系數。

②非線性動力時程分析法

這種方法使用在超出簡化方法的適用范圍的其他結構。

中國根據有關條件給出了剪力系數的最小值，如表1所示

從以上介紹的設計方法來看：

首先，日本剪力系數在允許應力值設計時取0.2，檢驗水平抗力時剪力系數要大于0.1，這與中國的層剪力驗算時所取的剪力系數最小取值相比要大得多。由剪力系數求解公式可以看到，日本的剪力系數主要受地震區(qū)域系數、建筑物固有周期 、建設場地、建筑物重量等因素影響；中國主要根據地震烈度不同及其結構的固有周期給出了剪力系數的最小值。兩國都考慮了地震結構的固有周期對剪力系數的影響。

其次，建筑物抗震計算方法上中國采用了兩階段設計方法；日本采用允許應力法和極限抗力設計方法。對于中等強度地震，兩國都是以保證截面強度作為保證結構安全性能指標。在罕遇地震，都采用截面極限變形能力作為抗震指標，但中國給出有條件的簡化計算公式及其其他結構的時程分析法；日本是根據其相應條件算出反應譜，由此計算其極限破壞及安全界限。

表1 樓層最小地震剪力系數值Table 1 Minimum coefficient of floor seismic shear force

圖3 5%阻尼兩國加速度設計反應譜比較Fig.3 Comparison of response spectra with 5%damping design in China and Japan

4 地震反應譜

為了比較兩國加速度反應譜，選定了固定的建筑場地。場地類型中國為Ⅱ類，日本為2類。比較兩個國家的阻尼比的加速度反應譜，如圖3所示。從圖中可以看出，我國規(guī)范特征周期取值較小，我國規(guī)范的抗震設計反應譜曲線的平臺寬度比日本小。

當周期大于3 s時，我國的反應譜值下降緩慢，比日本的反應譜值大。對于周期大于3 s的結構，我國長周期段的譜值較大，由此我國計算所得的水平地震作用下的結構反應較大，對抗震設計偏于保守。

5 結論

日本對于中小型地震采用容許應力、彈性變形；對于大地震確保其水平強度或者極限強度和利用地震反應分析結果來驗算，以保證建筑物的安全性。我國采用兩階段設計法，截面抗震驗算和抗震變形驗算來評價建筑物的安全性。從地震加速度反應譜來看，在長周期段即周期大于3 s時，我國反應譜值大于日本反應譜值，設計偏于保守。我國有待于在長周期段進行研究探討，研究更加適合我國地震作用時設計反應譜曲線。

［1］柴田明德.最新抗震構造分析 ［M］.東京：森北出版社,1997.

［2］馬華，李振寶，大野義照.中日建築耐震設計基準の比較 その1ル－ト地震力 ［M］.東京：日本建筑學會,2002.

［3］李振寶，馬華，大野義照.中日建築耐震設計基準の比較 その2計算方法と鉄筋コンクリート地震力［M］.東京：日本建筑學會,2002.

［4］GB 50011-2001,建筑抗震設計規(guī)范 ［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

Abstract：By comparison of the idea,method and earthquake response spectra of seismic design of buildings in Chinese and Japan,the paper demonstrated the characteristics of seismic design standards of buildings in china and Japan and the impact of building design,respectively. The results provide references for seismic design.

Keywords：Seismic design;Shear coefficient;Response spectra

Comparison of Seismic Design Standard of Buildings in China and Japan——Design ideas,Methods and Response Spectra

SUN Fengli,XU Jinfeng
(Zhuhai Construction Design institute,Zhuhai 51900,China)

P315.62

A

1001-8662（2010）04-0076-06

2010-07-22

孫鳳利，男， 1979年生，碩士研究生，主要從事工程抗震研究. E-mail:570179043@qq.com.