CECS 160:2004和GB 50011—2010抗震設(shè)計(jì)若干問(wèn)題對(duì)比分析

劉天英 李 琪 孫文海

(東北電力設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)春130021)

1 引言

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB 50011)［1］從2010年12月1日開(kāi)始實(shí)施，雖然業(yè)界一直在爭(zhēng)論該部規(guī)范在某此方面規(guī)定不夠具體，但因設(shè)計(jì)習(xí)慣和設(shè)計(jì)軟件等原因，一直在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)用。20世紀(jì)90年代初，由美國(guó)學(xué)者提出“基于性態(tài)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)PBSD(Performance-Based Seismic Design)”思想，得到各國(guó)廣泛重視，被地震工程界認(rèn)為是未來(lái)抗震設(shè)計(jì)發(fā)展的主要方向［2］。未來(lái)的抗震設(shè)計(jì)必將是基于性態(tài)的抗震設(shè)計(jì)［3］?；谛詰B(tài)的抗震設(shè)計(jì)目的在于確保建筑物能夠在各種不同強(qiáng)度的地震作用下，建筑物的地震效應(yīng)滿足業(yè)主和社會(huì)的各種安全、經(jīng)濟(jì)、文化與歷史需求［4］。雖然GB 50011或多或少滲入基于性態(tài)的抗震設(shè)計(jì)思想，但主要條款還是沿用舊版抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的基本理念和架構(gòu)。而在《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計(jì)通則(試用)》(CECS160:2004)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)CECS160)中［5］，基于性態(tài)的抗震設(shè)計(jì)思想得到很好的體現(xiàn)。為適應(yīng)將來(lái)抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展，有必要了解這兩部規(guī)范之間的主要差異。2%～3%，而CECS 160為5%。CECS 160根據(jù)中國(guó)地震危險(xiǎn)性特征的研究結(jié)果，認(rèn)為GB 50011對(duì)罕遇地震的超越概率取值偏低(2%～3%)，從而使大震抗震設(shè)防烈度的取值偏高［5］。

2 設(shè)防水準(zhǔn)

3 設(shè)防目標(biāo)

地震設(shè)防水準(zhǔn)，是指在抗震設(shè)防中如何根據(jù)客觀的設(shè)防環(huán)境和已設(shè)定的設(shè)防目標(biāo)，并考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)條件來(lái)確定采用多大的設(shè)防荷載參數(shù)。簡(jiǎn)單說(shuō)，就是選擇多大強(qiáng)度的地震作用作為抗震設(shè)防對(duì)象［2］。

GB 50011抗震設(shè)計(jì)采用“小震”、“中震”、“大震”三級(jí)設(shè)防水準(zhǔn)，也稱(chēng)多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震，一般按地震基本烈度區(qū)劃或地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃對(duì)當(dāng)?shù)氐囊?guī)定采用，50年超越概率分別為63%、10%和2%～3%，相應(yīng)重現(xiàn)期分別為50年、475年和1600～2400年。

CECS 160也采用多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震三級(jí)設(shè)防水準(zhǔn)，分別相當(dāng)于由建筑重要性類(lèi)別規(guī)定年限TMJ內(nèi)給定的超越概率為63%、10%和5%。建筑重要性類(lèi)別根據(jù)建筑物對(duì)社會(huì)、政治、經(jīng)濟(jì)和文化影響的重要性分為甲、乙、丙、丁四類(lèi)，具體見(jiàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)防分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50223—2008)。對(duì)于重要性類(lèi)別為丙類(lèi)的建筑，取TMJ=50年;乙類(lèi)建筑，取TMJ=100年;甲類(lèi)建筑，取TMJ=200年。地震烈度在TMJ內(nèi)超越概率r=1－［1－(1/T)］L，其中，T為地震烈度的重現(xiàn)期(年);L為T(mén)MJ(年)［6］。推導(dǎo)出乙類(lèi)建筑小震、中震、大震對(duì)應(yīng)的重現(xiàn)期分別為101年、950年、1950年;甲類(lèi)建筑對(duì)應(yīng)的重現(xiàn)期分別為202年、1900年、3900年。

可見(jiàn)關(guān)于設(shè)防水準(zhǔn)，兩部規(guī)范主要有兩點(diǎn)區(qū)別:

(1)GB 50011中，對(duì)于甲、乙、丙、丁類(lèi)建筑，相應(yīng)的TMJ均取50年;而CECS160根據(jù)建筑重要性類(lèi)別不同，TMJ取值不同。也就是說(shuō)，在同一場(chǎng)地，對(duì)于甲、乙兩類(lèi)建筑，兩部規(guī)范的設(shè)計(jì)地震加速度A取值不同，CECS 160高于GB 50011。根據(jù)CECS160中表4.2.2－1～3可知，對(duì)于甲類(lèi)建筑，CECS 160抗震設(shè)防地震設(shè)計(jì)地震加速度A為GB 50011的1.189～2.524倍;對(duì)于乙類(lèi)建筑，CECS160抗震設(shè)防地震設(shè)計(jì)地震加速度A為GB 50011的1.107～1.75倍。

(2)罕遇地震的超越概率不同，GB 50011為

針對(duì)三個(gè)設(shè)防水準(zhǔn)，GB 50011抗震設(shè)防目標(biāo)為“小震不壞”、“中震可修”和“大震不倒”。

CECS 160總結(jié)近20年來(lái)現(xiàn)代大城市震害經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為在建筑抗震設(shè)計(jì)中，不僅要控制破壞，還應(yīng)考慮地震時(shí)保持建筑功能正常。因?yàn)椴簧俳ㄖ庥龅恼鸷Σ⒉粐?yán)重，但由于其功能遭到破壞，致使生產(chǎn)中斷，導(dǎo)致不可接受的巨大經(jīng)濟(jì)損失。所以CECS160特別注重建筑物的功能，關(guān)于建筑物的使用功能分類(lèi)詳見(jiàn)規(guī)范3.1.3款。CECS160根據(jù)建筑物不同的使用功能類(lèi)別分別給出各級(jí)地震動(dòng)水平下的最低抗震性態(tài)要求，詳見(jiàn)表1。性態(tài)水平是對(duì)所設(shè)計(jì)的建筑在可能遭遇的特定設(shè)計(jì)地震作用下所規(guī)定的最低性態(tài)要求或容許的最大破壞。規(guī)范中給出各性態(tài)水平的具體解釋?zhuān)辉儋樖觥?/p>

GB 50011不區(qū)分建筑物的使用功能及建筑的重要性，籠統(tǒng)地將設(shè)防目標(biāo)定為小震不壞、中震可修和大震不倒。而CECS 160根據(jù)建筑物使用功能分類(lèi)、建筑物的重要性類(lèi)別分別給出了不同地震動(dòng)水平下的最低抗震性態(tài)的具體要求?；谛詰B(tài)抗震設(shè)計(jì)的多級(jí)目標(biāo)設(shè)計(jì)理念為用戶和結(jié)構(gòu)工程師提供更多選擇，體現(xiàn)用戶要求與結(jié)構(gòu)工程師的經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合問(wèn)題［7］。不難看出，重要性為丙類(lèi)、使用功能為Ⅱ類(lèi)的建筑的性態(tài)要求與GB 50011規(guī)定的小震不壞、中震可修和大震不倒相對(duì)應(yīng)，而其他幾類(lèi)建筑的設(shè)防目標(biāo)兩部規(guī)范不能對(duì)應(yīng)。

4 地震作用

GB 50011第5.2.1款采用底部剪力法，結(jié)構(gòu)的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值FEK=α1Geq，α1相應(yīng)于結(jié)構(gòu)基本自振周期的水平地震影響系數(shù);Geq為結(jié)構(gòu)等效總重力荷載。FEK的公式可改寫(xiě)為FEK=CKβGeq，其中，C為結(jié)構(gòu)影響系數(shù);K為地震系數(shù);β為動(dòng)力系數(shù)［8］。CECS 160第6.2.2款在給定方向結(jié)構(gòu)的總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值FEK=Cηhα1Gef1，式中，C為結(jié)構(gòu)影響系數(shù);α1為相應(yīng)于結(jié)構(gòu)基本自振周期的水平地震影響系數(shù);ηh為水平地震影響系數(shù)的增大系數(shù);Gef1為相應(yīng)于結(jié)構(gòu)基本振型的有效重力荷載。FEK的公式可改寫(xiě)為FEK=CηhKβGef1，式中，K為地震系數(shù);β為場(chǎng)地設(shè)計(jì)譜(即動(dòng)力系數(shù))。根據(jù)公式可以看出，地震作用涉及場(chǎng)地類(lèi)別、特征周期、設(shè)計(jì)反應(yīng)譜、結(jié)構(gòu)影響系數(shù)、等效重力荷載。

表1 各級(jí)地震動(dòng)水平下的最低抗震性態(tài)要求Table 1 The lowest aseismic performance requirements

4.1 場(chǎng)地類(lèi)別

建筑場(chǎng)地類(lèi)別，根據(jù)土層等效剪切波速和場(chǎng)地覆蓋土層厚度確定。兩部規(guī)范關(guān)于土層等效剪切波速計(jì)算和場(chǎng)地覆蓋土層厚度的條款是一致的。GB 50011建筑場(chǎng)地類(lèi)別劃分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ四類(lèi)，其中，Ⅰ類(lèi)細(xì)分為Ⅰ0和Ⅰ1兩個(gè)亞類(lèi)。同樣，CECS 160也劃分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ四類(lèi)，但兩部規(guī)范場(chǎng)地類(lèi)別劃分時(shí)土層等效剪切波速Vse和場(chǎng)地覆蓋土層厚度dov的界限取值略有不同。從圖1可以看出，兩部規(guī)范場(chǎng)地類(lèi)別劃分不完全相同，而是互有交叉。

圖1 兩部規(guī)范場(chǎng)地類(lèi)別的劃分Fig.1 Site classification in two codes

4.2 特征周期

特征周期在GB 50011中稱(chēng)設(shè)計(jì)特征周期，CECS 160稱(chēng)設(shè)計(jì)譜特征周期。其數(shù)值受地震震級(jí)、震中距、場(chǎng)地類(lèi)別等因素影響。特征周期決定設(shè)計(jì)反應(yīng)譜平臺(tái)段的長(zhǎng)度，對(duì)地震作用大小有重要影響。GB 50011中，特征周期根據(jù)場(chǎng)地類(lèi)別和設(shè)計(jì)地震分組確定，見(jiàn)表2。CECS 160附錄A中根據(jù)不同的土層等效剪切波速和不同的場(chǎng)地覆蓋土層厚度分別給出特征周期值，該值是連續(xù)的，而不是分檔的。兩部規(guī)范特征周期取值區(qū)別見(jiàn)表3。

表2 特征周期值Table 2 Characteristic period valuess

4.3 設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

根據(jù)GB 50011中5.1.5條款地震影響系數(shù)曲線(阻尼比0.05)可以推出地震動(dòng)力系數(shù)曲線，見(jiàn)圖2。大量分析表明，動(dòng)力系數(shù)β的峰值βmax與場(chǎng)地類(lèi)別關(guān)系不大，在我國(guó)統(tǒng)一取2.25。另外從地震影響系數(shù)曲線中也可推導(dǎo)出βmax，結(jié)構(gòu)自振周期T=0時(shí)，地震影響系數(shù)α=0.45αmax。此時(shí)結(jié)構(gòu)為無(wú)窮剛性，動(dòng)力系數(shù)β應(yīng)為1，則βmax=1/0.45≈2.25。動(dòng)力系數(shù)曲線分為四段:直線上升段，T≤0.1 s，β=1+(T/0.1)(η2βmax－1);水平段，0.1 s＜T≤Tg，β=βmax;曲線下降段，Tg＜T≤5Tg，β=(Tg/T)γη2βmax;直線下降段，5Tg＜T≤6S，β=［η20.2γ－η1(T－5Tg)］βmax。結(jié)構(gòu)的阻尼比不等于0.05時(shí)，曲線下降段的衰減指數(shù)γ=0.9+(0.05－ζ)/(0.3+6ζ);直線下降段的下降斜率調(diào)整系數(shù)η1=0.02+(0.05－ζ)/(4+32ζ)≥0;阻尼調(diào)整系數(shù)η2=1+(0.05－ζ)/(0.08+1.6ζ)≥0.55;ζ為阻尼比。

表3 兩部規(guī)范特征周期值區(qū)別Table 3 Characteristic period comparison in two codes s

CECS 160第4.2.3款給出了阻尼比為0.05的建筑結(jié)構(gòu)的水平分量場(chǎng)地設(shè)計(jì)譜(即動(dòng)力系數(shù)曲線)，見(jiàn)圖3，分為三段:短周期段，當(dāng)T≤TA，β=1+(T/TA)(βmax－1);水平段，當(dāng)TA＜T≤Tg，β=βmax;下降段，當(dāng)T＞Tg，β=(Tg/T)θ·βmax≥βmin。同時(shí)規(guī)定場(chǎng)地設(shè)計(jì)譜最大值βmax取2.25;其最小值βmin不宜小于最大值的15%;場(chǎng)地設(shè)計(jì)譜短周期界限值TA宜采用0.10 s，有特殊要求時(shí)可作調(diào)整;場(chǎng)地設(shè)計(jì)譜下降段的指數(shù)θ宜采用0.9，有特殊要求時(shí)可在0.8～1.0之間取值。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比不為0.05時(shí)，根據(jù)規(guī)范中附錄D進(jìn)行場(chǎng)地設(shè)計(jì)譜修正。

圖2 GB 50011動(dòng)力系數(shù)曲線Fig.2 Dynamic coefficient curve in the GB 50011

圖3 CECS160場(chǎng)地設(shè)計(jì)譜Fig.3 Design spectrum in the CECS160

由圖2、圖3可以看出，CECS160場(chǎng)地設(shè)計(jì)譜僅為三段，無(wú)直線下降段。GB 50011特征周期截止到6 s，如果結(jié)構(gòu)的基本自振周期超過(guò)6 s，需要專(zhuān)門(mén)研究;而CECS 160超過(guò)7 s，比GB 50011的適用性更加廣泛。

4.4 結(jié)構(gòu)影響系數(shù)

CECS 160結(jié)構(gòu)影響系數(shù)C實(shí)際上是強(qiáng)度折減系數(shù)的倒數(shù)。強(qiáng)度折減系數(shù)R定義為結(jié)構(gòu)保持完全彈性所需要的最低強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)保持給定延性所需要的最低屈服強(qiáng)度之比，它是由結(jié)構(gòu)非彈性耗能(或非彈性滯變特性)引起的地震力的折減。不同國(guó)家、不同研究者對(duì)于強(qiáng)度折減系數(shù)的稱(chēng)謂不同，如在美國(guó)UBC 1997和FEMA 273中稱(chēng)為結(jié)構(gòu)反應(yīng)修正系數(shù)，歐洲規(guī)范EC8稱(chēng)為性能系數(shù)，日本規(guī)范稱(chēng)為延性因子［9］。

GB 50011規(guī)定的時(shí)程分析所用地面動(dòng)峰值加速度PGA見(jiàn)表4，該規(guī)范規(guī)定在進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)采用的地震水準(zhǔn)為多遇地震(小震)。根據(jù)表4，多遇地震和設(shè)防地震對(duì)應(yīng)的地面運(yùn)動(dòng)峰值加速度比值都在0.35左右?？梢赃@樣理解，構(gòu)件截面強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)采用的地震水準(zhǔn)為設(shè)防地震(中震)，只是該部規(guī)范中不區(qū)分抗震結(jié)構(gòu)體系及建筑材料把結(jié)構(gòu)影響系數(shù)均取為0.35，即強(qiáng)度折減系數(shù)R=1/C=2.86。CECS 160考慮到不同抗震結(jié)構(gòu)體系延性及建筑材料采用不同的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)，與實(shí)際情況更加接近，具體的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)見(jiàn)表5。

表4 GB 50011時(shí)程分析所用地面動(dòng)峰值加速度PGATable 4 Peak ground acceleration in GB 50011 cm/s2

表5 不同抗震體系的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)Table 5 Structure influence coefficient for different aseismic systems

4.5 算例分析

［算例一］某鋼結(jié)構(gòu)框架，位于7度區(qū)，0.10 g，地震危險(xiǎn)性特征分區(qū)為Ⅰ區(qū)。場(chǎng)地類(lèi)別Ⅲ類(lèi)，特征周期0.55 s。自振周期T根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算為0.46 s。平面尺寸20 m×20 m，四層總高18.5 m，底層層高5 m，二、三、四層層高4.5 m。按CECS 160:2004規(guī)定使用功能為Ⅱ類(lèi)。等效重力荷載:四層2400 kN，三層3 600 kN，二層3 600 kN，一層4 600 kN。阻尼比:根據(jù)GB 50011第8.2.2款取為0.04;根據(jù)CECS 160第7.1.4款取為0.02。采用底部剪力法分別按GB 50011及CECS 160兩部規(guī)范進(jìn)行計(jì)算結(jié)構(gòu)總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值，詳見(jiàn)表6，計(jì)算過(guò)程略。

［算例二］某鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，阻尼比0.05，其余參數(shù)同［算例一］，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6中括號(hào)內(nèi)的數(shù)字。根據(jù)表中數(shù)值，總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值，按CECS 160計(jì)算的結(jié)果要高于按GB 50011計(jì)算的結(jié)果。

表6 結(jié)構(gòu)總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算Table 6 Total horizontal earthquake action

5 變形限值要求

GB 50011考慮多遇地震和罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的變形驗(yàn)算。遭遇多遇地震時(shí)，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，規(guī)范表5.1.1給出彈性層間位移角限值1/1000～1/250。CECS160考慮抗震設(shè)防地震和罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的變形驗(yàn)算，遭遇設(shè)防地震時(shí)，結(jié)構(gòu)已進(jìn)入非彈性階段，規(guī)范表6.6.3給出層間位移限值0.004～0.01。GB 50011彈性位移角限值小于CECS160層間位移角限值。遭遇罕遇地震時(shí)，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段，兩部規(guī)范關(guān)于彈塑性層間位移角限值的要求見(jiàn)表7。

CECS 160在確定彈塑性層間位移角限值時(shí)，參考GB 50011、Vision 2000及FEMA 273，對(duì)于Ⅲ類(lèi)建筑偏于安全地取中等至嚴(yán)重破壞之間接近中等破壞的層間位移限值。對(duì)于Ⅱ類(lèi)、Ⅳ類(lèi)建筑的層間位移限值，根據(jù)Ⅲ類(lèi)建筑的層間位移限值作適當(dāng)調(diào)整而得。從表7可以看出，CECS160中Ⅲ類(lèi)建筑的層間位移限值與GB 50011中規(guī)定基本相當(dāng)。

表7 彈塑性層間位移角限值Table 7 The elas to-plastic story drift angle limitation

6 結(jié)論

根據(jù)文中對(duì)比分析，得出如下結(jié)論:

(1)GB 50011設(shè)防目標(biāo)單一籠統(tǒng)，而CECS 160根據(jù)建筑物重要性類(lèi)別和建筑物功能設(shè)定不同的抗震設(shè)防目標(biāo)，目標(biāo)多級(jí)具體，用戶和結(jié)構(gòu)工程師可根據(jù)建筑物的功能、重要性以及經(jīng)濟(jì)情況選擇設(shè)防目標(biāo)。性態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)際是抗震個(gè)性化設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)人員和計(jì)算軟件要求較高，尚處于完善階段。

(2)GB 50011實(shí)際隱含著結(jié)構(gòu)影響系數(shù)統(tǒng)一取0.35，而CECS 160根據(jù)抗震結(jié)構(gòu)體系及建筑材料不同結(jié)構(gòu)影響系數(shù)取值不同。相比之下，CECS 160結(jié)構(gòu)影響系數(shù)取值更加合理。

(3)GB 50011特征周期值為分檔值;CECS 160特征周期值是連續(xù)的。GB 50011特征周期最大至6 s，對(duì)于自振周期超過(guò)6 s的長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)，需專(zhuān)門(mén)研究;CECS 160特征周期則超過(guò)7 s，比GB 50011的適用性更加廣泛。

(4)按照CECS 160規(guī)范計(jì)算的結(jié)構(gòu)總水平地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值高于按照GB 50011計(jì)算的結(jié)果，甲類(lèi)建筑甚至高出一倍以上。也就是說(shuō)，CECS 160地震作用取值要高于GB 50011。

(5)罕遇地震時(shí)，CECS 160根據(jù)建筑使用功能不同給出不同的彈塑性位移角限值。GB 50011未進(jìn)行區(qū)分。CECS 160中Ⅲ類(lèi)建筑彈塑性層間位移限值與GB 50011規(guī)定基本相當(dāng)。

［1］ 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 500011—2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB 50011—2010 Code for seismic design of building［S］.Beijing:China Architecture and Building Press，2010.(in Chinese)

［2］ 劉喜平.基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論探討［J］.吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，28(2):13-16.Liu Xiping.Discussion on the performance based seismic design of structure［J］.Journal of Jilin Institute of Architecture and Civil Engineering，2011，28(2):13-16.(in Chinese)

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［9］ 翟長(zhǎng)海，謝禮立.結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度折減系數(shù)研究進(jìn)展［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，39(8):1179-1184.Zhai Changhai，Xie Lili.Progress on strength reduction factors in structural seismic deisgn［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2007，39(8):1179-1184.(in Chinese)