中日鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法比較

朱南波

（昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司　云南　昆明　650051）

中日鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法比較

朱南波

（昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司云南昆明650051）

日本是一個(gè)多地震的國家，為了提升建筑的抗震性能，日本不斷優(yōu)化抗震設(shè)計(jì)方法，并取得了顯著成績?；诖?，日本在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方面有很多值得我國學(xué)習(xí)和改進(jìn)的地方。本文主要分析中日鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，并結(jié)合實(shí)例探討其設(shè)計(jì)方法的不同點(diǎn)。

中日抗震設(shè)計(jì)；鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；安全水準(zhǔn)

1　中日鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

中日兩國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不同，國情不同，體現(xiàn)在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中的最終性能內(nèi)涵目標(biāo)也不同。中國規(guī)范性能目標(biāo)為“小震不壞，中震可修，大震不到”三個(gè)水準(zhǔn)，均以概率統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)；而日本規(guī)范性能目標(biāo)為“小震不壞，大震不倒”兩個(gè)水準(zhǔn)，以地震重現(xiàn)期給定，日本的小震相當(dāng)于中國規(guī)范的8～8.5度之間的水平。日本在近三十年來大地震中，嚴(yán)重破壞和倒塌的建筑所占比例較低。鑒于人們對結(jié)構(gòu)安全性、耐久性等方面越來越高的要求，對結(jié)構(gòu)安全度的研究也更進(jìn)一步。本文選擇混凝土框架結(jié)構(gòu)，比較分析中日在抗震設(shè)計(jì)中的差異性。從比較抗震設(shè)計(jì)的目標(biāo)和方法可知，我國對結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸選擇、配筋等設(shè)計(jì)是在多遇地震下進(jìn)行的，中震可通過構(gòu)造來滿足，在罕遇地震下校核結(jié)構(gòu)的變形；日本對鉸接部位構(gòu)件設(shè)計(jì)直接在中震下進(jìn)行，而對非鉸接部位構(gòu)件設(shè)計(jì)在大震下進(jìn)行，可見日本建筑結(jié)構(gòu)對地震作用取值大于我國的取值。

中日鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的不同體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）中日兩國抗震規(guī)范對結(jié)構(gòu)體系的規(guī)定不同

中國規(guī)范：針對不同的設(shè)防烈度、場地類別、建筑高度，不同的結(jié)構(gòu)體系所采用的抗震等級也不同，相對較為繁瑣。

日本規(guī)范：僅僅根據(jù)建筑高度劃分為四類建筑：超高層、大規(guī)模、中等規(guī)模和小規(guī)模建筑，不限制結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)工程師的“自由度”較大。

（2）在保證一般建筑物（設(shè)防類別為丙類）大震不倒的方法和手段不同

中國規(guī)范：概念設(shè)計(jì)+適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施，簡單，但不夠直觀，設(shè)計(jì)人員長期缺乏“量”的概念。

日本規(guī)范：二階段性能設(shè)計(jì)，第一階段小震彈性計(jì)算（相當(dāng)于中國8度～8.5度設(shè)防）初步確定構(gòu)件斷面和配筋；第二階段驗(yàn)算大震彈塑性，調(diào)整配筋，實(shí)現(xiàn)性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

（3）中國規(guī)范偏重考慮建筑物扭轉(zhuǎn)的影響，通過平面偏心率、扭轉(zhuǎn)周期比、扭轉(zhuǎn)位移比等控制，日本規(guī)范則以偏心率控制。

（4）中國建筑中的抗震墻既承擔(dān)豎向荷載，又承擔(dān)水平地震作用，而日本建筑的抗震墻大部分只承擔(dān)水平地震作用。

（5）中國規(guī)范以豎向構(gòu)件在建筑中的抗震作用來區(qū)別設(shè)計(jì)。日本規(guī)范以構(gòu)件在地震作用下的狀態(tài)分類設(shè)計(jì)。

（6）從計(jì)算方法來說，中國規(guī)范為多遇地震下彈性設(shè)計(jì)，而罕遇地震下是依靠結(jié)構(gòu)構(gòu)件的構(gòu)造措施來保證的。日本規(guī)范為小震不屈服、大震彈塑性計(jì)算。

2　中日鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法和比較分析

2.1中國方面

2.1.1抗震烈度

根據(jù)我國的相關(guān)規(guī)定，對小震、中震、大震的抗震烈度具有不同的界定：①小震：眾值烈度，第一水準(zhǔn)烈度，50年超越概率63.2％，約50年一遇。②中震：基本烈度，第二水準(zhǔn)烈度，50年超越概率10％，約475年一遇。③大震：第三水準(zhǔn)烈度，50年超越概率2～3％，約1642～2475年一遇。設(shè)防烈度與地震加速度的對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1　設(shè)防烈度與地震加速度的對應(yīng)關(guān)系

2.1.2抗震設(shè)計(jì)的思路

我國主要遵循以下原則：①小震（比基本烈度低1.5度左右）時(shí)的安全性，按彈性理論，通過構(gòu)件的承載力驗(yàn)算；保證其安全性中震（基本烈度）時(shí)的安全性，通過概念設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)造措施；保證其安全性大震（罕遇地震，比基本烈度高1度左右）時(shí)的安全性，通過概念設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)造措施，有必要時(shí)需進(jìn)行彈塑性分析（驗(yàn)算此時(shí)的層間變位）驗(yàn)證其安全性。②根據(jù)地區(qū)設(shè)防烈度和建筑物設(shè)防類別確定建筑物設(shè)防烈度。同時(shí)根據(jù)不同的抗震等級，采取相應(yīng)的抗震措施。

2.2日本方面

2.2.1抗震烈度

日本的抗震設(shè)計(jì)理念是小震不壞，大震不到，小震和大震相當(dāng)于中國設(shè)防烈度8度和8.5度之間。震度與地震加速度、烈度與震度的關(guān)系見表2～3。

表2　震度與地震加速度的關(guān)系

表3　烈度與震度的關(guān)系

2.2.2抗震設(shè)計(jì)方法

對60m以下的建筑物來說，可采用容許應(yīng)力法或保有耐力計(jì)算法（1981年）、極限耐力計(jì)算法，即性能設(shè)計(jì)法（2000年）、能量平衡法（2005年）；對60m以上的建筑物，則可采用彈塑性時(shí)程解析法，例如：水準(zhǔn)1地震（地震速度25cm/s）下層間位移角≤1/200。

日本的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范采用兩階段設(shè)計(jì)體系，一次設(shè)計(jì)及二次設(shè)計(jì)，根據(jù)建筑物規(guī)模的不同由設(shè)計(jì)師做出判斷，分別通過3個(gè)設(shè)計(jì)途徑來實(shí)現(xiàn)。途徑1是基于容許應(yīng)力度設(shè)計(jì)的強(qiáng)度型設(shè)計(jì)，屬一次設(shè)計(jì)；途徑2是考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和延性的計(jì)算，屬二次設(shè)計(jì)；途徑3是在途徑二的基礎(chǔ)上增加了抵御罕遇地震時(shí)結(jié)構(gòu)所具有滿足塑性變形能力的計(jì)算，即保持建筑物水平承載力的計(jì)算，屬二次設(shè)計(jì)。

2.3中日鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震結(jié)構(gòu)受力分析

（1）自振周期比較。從圖1可知，罕遇地震作用下，短周期范圍內(nèi)（40m以下的規(guī)整建筑物），日本的大震時(shí)地震影響系數(shù)值在中國的8度和8度強(qiáng)區(qū)的罕遇地震影響系數(shù)值之間。周期較長時(shí)，日本的大震時(shí)地震影響系數(shù)值大于中國8度強(qiáng)區(qū)的罕遇地震影響系數(shù)值。當(dāng)Tg≤0.65s（相當(dāng)于中多層建筑），8度以下（含8度）抗震設(shè)防時(shí)中國規(guī)范對應(yīng)的地震力均小于日本規(guī)范。當(dāng)Tg≤0.65s，8度以上（不含8度）抗震設(shè)防時(shí)中國規(guī)范對應(yīng)的地震力均大于日本規(guī)范。當(dāng)Tg≥1.5s時(shí)兩國規(guī)范比較接近。相當(dāng)于超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)中日兩國的地震作用接近。

圖1　自振周期TS（s）

（2）樓層水平剪力分布比較。從圖2可知，在多遇地震作用下，按代表重量計(jì)算，日本規(guī)范的樓層水平剪力與中國8度強(qiáng)區(qū)的樓層水平剪力相近。按總重量計(jì)算，則與中國8度區(qū)的樓層水平剪力相近。層數(shù)越高，按日本規(guī)范得到的頂層樓層水平剪力將超過中國8度強(qiáng)區(qū)的樓層水平剪力。

圖2　樓層水平剪力分布比較

（3）地震水平力分布比較。從圖3可知，按日本規(guī)范的地震水平力與中國規(guī)范的結(jié)果差異較大。在8度強(qiáng)地區(qū)，在頂層附近這種差異可高達(dá)20％左右。用推倒分析進(jìn)行罕遇地震下的變形驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮這種差異的影響。

3　結(jié)合實(shí)例對中日混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法做具體分析

3.1概況

圖3　地震水平力分布比較

某項(xiàng)目是綜合辦公樓，層數(shù)為14，分為地上和地下兩部分，其中地上12層，地下1層，塔樓1層。底層4.0m，2～12層3.70m，樓、電梯間塔樓頂層高5.0m，室內(nèi)外高差0.3m，總高45.0m，總面積19690m2，采用框架結(jié)構(gòu)。

3.2計(jì)算分析

為了精確比較，在抗震設(shè)計(jì)時(shí)，其構(gòu)件的尺寸和材料的選取均差異不大，雖然樓地面做法不同但盡量保證荷載相近，抗震設(shè)防烈度根據(jù)輸入地震波最大加速度取為8度的最大加速度（0.3g），在基本條件相同的前提下對比，分別按中國和日本現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)的各項(xiàng)結(jié)果，總結(jié)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)上的差異，分析規(guī)范設(shè)計(jì)目標(biāo)、方法、過程等方面的不同所產(chǎn)生的影響。

3.3結(jié)果對比

（1）地震反應(yīng)

從地震反應(yīng)結(jié)果（表4）看出，我國和日本的1～3層層剪力值相近，三層以上日本的層剪力取值大。因?yàn)榻ㄖ叨瘸^40m，我國軟件在計(jì)算地震作用采用了振型分解法，日本仍采用底部剪力法，但其計(jì)算方法與我國底部剪力法有所不同。

表4　地震反應(yīng)比較（單位：kN）

（2）層間位移角

從層間位移角的計(jì)算結(jié)果，可見日本計(jì)算層間位移角大，但并不意味著我國對層間位移角的要求比日本嚴(yán)格，因?yàn)槲覈奈灰剖窃谛≌鸺幢仍O(shè)防烈度約低1.5度的地震下的彈性位移，而日本的位移角要求是直接在第一水準(zhǔn)烈度，即相當(dāng)于中震下的彈性位移。

表5　層間位移角的計(jì)算結(jié)果

（3）配筋

中日在配筋方面主要存在以下差距：在塑性鉸部位（一層柱腳和梁端）日本配筋結(jié)果與我們相近甚至低于我國的配筋結(jié)果，在非塑性鉸部位（除底層外其他層的柱），我國的配筋是日本配筋結(jié)果的2/3甚至一半。這樣結(jié)果的原因主要是因?yàn)槿毡驹谠O(shè)計(jì)中有保證梁端和一層柱腳出鉸的屈服機(jī)構(gòu)保證設(shè)計(jì)，內(nèi)力重分配結(jié)果不同且塑性鉸部位（即一層柱腳和梁端）是在第一階段設(shè)計(jì)，而非塑性鉸部位是在第二階段設(shè)計(jì)，所以較我國設(shè)計(jì)相比柱的配筋多而梁的配筋少。

4　結(jié)束語

綜上分析，由于我國和日本在地區(qū)差異、國情等方面的差異，在混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法方面也存在很多差異，但是其基本目標(biāo)是一致的。日本在抗震設(shè)計(jì)方法方面有很多我國值得借鑒的地方，例如：日本抗震設(shè)計(jì)法中關(guān)于中低層建筑在大震作用下的簡化計(jì)算方法，值得推廣應(yīng)用；日本對于豎向或者平面剛度分布不均勻的建筑，采用“罰函數(shù)”的方法，允許業(yè)主建設(shè)，但是增大地震力，從而間接增大投資。而國內(nèi)規(guī)則性超限的項(xiàng)目，主要通過超限審查，采取相應(yīng)措施即可，沒有量的概念，值得借鑒。通過比較，也可以發(fā)現(xiàn)我國在此方面存在的不足。

[1]林建煌.從中日抗震設(shè)計(jì)方法的不同，淺談鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計(jì)[J].福建建筑，2011（6）：52～54.

[2]戴金華，韓小雷，林生逸.基于性能的鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法[J].土木工程學(xué)報(bào)，2011（5）：56.

[3]湯保新，葉列平，陸新征，等.中日鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗震性能對比[J].揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013（4）：64～69.

[4]《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）.

TU352.1+1

A

1673-0038（2015）29-0037-03

2015-6-29

朱南波（1962-），女，漢族，江蘇蘇州人，高級工程師，大學(xué)本科，主要從事土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的工作。