淺談中國抗震規(guī)范與美國抗震規(guī)范的差別

文/姜坤 山東省膠東調(diào)水工程招遠(yuǎn)管理站 山東煙臺 265400

我國抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011-2001）在其指導(dǎo)設(shè)計人員對我國建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計時存在部分問題。多年來，我國不斷發(fā)生的地震造成了國家和人民財產(chǎn)損失和傷亡。被埋在倒塌的廢墟下生命為數(shù)眾多，一直刺痛著我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的心。為了讓建筑能夠保障人民生命安全，在災(zāi)難來臨時與死神搶奪救援時間，爭取救援機(jī)會，參考國外建筑抗震設(shè)計規(guī)范來補(bǔ)充和完善我國建筑抗震規(guī)范是有積極意義的。

1、抗震設(shè)防目標(biāo)

我國建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011-2001）從經(jīng)濟(jì)方面設(shè)定的“三個水準(zhǔn)”設(shè)計目標(biāo)，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”，美國規(guī)范（IBC2006）從生命安全方面明確提出所有建筑設(shè)計的最低目標(biāo)：在結(jié)構(gòu)受地震作用時保護(hù)生命安全。

美國規(guī)范的出發(fā)點(diǎn)更注重人的生命安全，更加人性化。而我國規(guī)范更傾向于最經(jīng)濟(jì)的原則。當(dāng)設(shè)計人員以生命安全為設(shè)計目標(biāo)時，所有關(guān)鍵決策的問題和各種限制條件就有優(yōu)先性，他們以生命安全為首要條件，而最經(jīng)濟(jì)的原則作為次之。中美規(guī)范的設(shè)計原則看似接近，但對設(shè)計人員而言，美國規(guī)范會更清楚結(jié)構(gòu)在地震時非彈性的表現(xiàn)，就會采取具體的延性構(gòu)造措施。而正是這些延性構(gòu)造措施在地震時保護(hù)人的生命，為救援和逃生提供了相對充足的時間。

2、抗震設(shè)防分類和設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

中國抗震規(guī)范規(guī)定建筑應(yīng)根據(jù)其使用功能的重要性分為甲類、乙類、丙類、丁類4個抗震設(shè)防類別。規(guī)范要求甲類建筑設(shè)計地震作用和抗震措施都應(yīng)高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求，乙類建筑地震作用應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求，但抗震措施應(yīng)相應(yīng)提高。從規(guī)定來看，醫(yī)院，消防以及緊急指揮中心應(yīng)歸于乙類建筑。大部分學(xué)校應(yīng)歸于丙類建筑。

美國規(guī)范規(guī)定所有的建筑物必須有一個居住類別，這個類別在風(fēng)、雪、洪水和地震等荷載規(guī)范中都有應(yīng)用。IBC2006的地震荷載規(guī)范規(guī)定每個建筑都按居住類別確定一個重要系數(shù)。Ⅳ類建筑的重要系數(shù)是1.5，Ⅲ類是1.25，I類和Ⅱ類是1.0。建筑結(jié)構(gòu)的地震水平荷載與重要系數(shù)成正比。

由此得出結(jié)論：對于不能算作重大建筑工程的醫(yī)院、學(xué)校、消防站等建筑，如果按中國規(guī)范計算，其抗震設(shè)計與臨近的民用商用建筑相同。而如果按照美國統(tǒng)一規(guī)范計算，這些建筑的抗震設(shè)計是臨近的民用商用建筑的1.25或1.5倍。

3、建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性

中國規(guī)范和美國規(guī)范都對規(guī)則與不規(guī)則結(jié)構(gòu)做了定量的劃分，并規(guī)定了不應(yīng)在抗震結(jié)構(gòu)中采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計方案。IBC2006規(guī)定結(jié)構(gòu)的每個垂直方向都必須算出一個贅余系數(shù)，這個系數(shù)的大小取決于結(jié)構(gòu)是否有多道抗震防線。對于擁有多道抗震防線，結(jié)構(gòu)布置均勻?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu)，冗余系數(shù)=1.0。而對于擁有抗震防線較少或不均勻布置的結(jié)構(gòu)，贅余系數(shù)=1.3。

由此得出結(jié)論：美國IBC規(guī)范中提出的贅余系數(shù)概念，被用來在荷載組合中乘以地震作用，這就進(jìn)一步提高了不規(guī)則結(jié)構(gòu)在地震作用下保證生命安全的能力。而加州特別規(guī)范中關(guān)于結(jié)構(gòu)規(guī)則性的一些強(qiáng)制規(guī)定也避免了房屋倒塌和人員傷亡。

4、建筑結(jié)構(gòu)傳力途徑

我國抗震規(guī)范規(guī)定結(jié)構(gòu)體系應(yīng)有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳力途徑。但是沒有詳細(xì)說明應(yīng)怎樣保證合理的傳力途徑。IBC2006中規(guī)定：樓蓋與樓板必須按照指定的樓蓋設(shè)計橫向力當(dāng)作抗剪和抗彎構(gòu)件來設(shè)計。抗剪即像剪力墻一樣計算和設(shè)置抗剪配筋，抗彎即像深梁一樣計算彎矩，設(shè)置上弦與下弦配筋來抵抗彎矩。地震橫向力由收藏單元從樓蓋傳遞給豎向抗震構(gòu)件。這些收藏單元和相關(guān)的鏈接必須按照乘以超載系數(shù)的設(shè)計力來計算，也就是說收藏單元在設(shè)計地震下保持彈性以保證橫向力的有效傳遞。在剪力墻與樓蓋的澆筑連接處，必須計算剪摩擦以保證剪力的傳遞。對于結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)而言，必須計算推翻效應(yīng)。對于結(jié)構(gòu)承重墻，必須計算其垂直于墻面方向的外向力，驗算墻與樓蓋的錨固以保證承重墻在地震時持續(xù)承重，避免樓蓋倒塌。

由此得出結(jié)論：在IBC2006中有具體的條例和計算公式來保證設(shè)計橫向力能被傳遞到建筑的基礎(chǔ)。隨著我國抗震經(jīng)驗的增加，建議下一版規(guī)范可對于保證傳力途徑的合理性給出具體的相關(guān)公式。

5、砌體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計與構(gòu)造措施

砌體結(jié)構(gòu)是中國學(xué)校常用的結(jié)構(gòu)體系，特別常見的是無筋砌體剪力墻與混凝土構(gòu)造柱圈梁的結(jié)合?？拐鹨?guī)范規(guī)定了砌體抗震墻、混凝土構(gòu)造柱和圈梁的設(shè)計與構(gòu)造措施。IBC2006的砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計基本引用砌體結(jié)構(gòu)規(guī)范ACI530。該規(guī)范的抗震章節(jié)規(guī)定了5種砌體抗震墻結(jié)構(gòu)體系及其應(yīng)用范圍。這5種體系是：（1）無筋砌體墻結(jié)構(gòu)，(2）有構(gòu)造措施的無筋砌體，(3）普通配筋砌體墻，(4）中型配筋砌體墻，(5）特殊配筋砌體墻。特殊配筋砌體墻要求墻內(nèi)有一定數(shù)量的均勻的水平和豎向配筋，豎向配筋的最大間距不超過48英寸(1.22m)，并且不超過三分之一的墻寬或墻高。另外墻頂和洞口處都應(yīng)有加強(qiáng)鋼筋。

比較中國和美國砌體抗震規(guī)范，最基本的一條是設(shè)計剪力。美國規(guī)范應(yīng)用延性設(shè)計原則，將中震下的設(shè)計荷載用延性系數(shù)R來折減到彈性階段。對于砌體結(jié)構(gòu)，延性系數(shù) 取在1.5～5之間。有構(gòu)造措施的無筋砌體延性系數(shù)僅為2。這也就是說設(shè)計剪力要比延性好的結(jié)構(gòu)體系要高得多。中國規(guī)范應(yīng)用小震作用作為彈性設(shè)計剪力，所有的結(jié)構(gòu)體系都相同。對于砌體結(jié)構(gòu)應(yīng)用小震作用并不能保證在中震或大震下的安全表現(xiàn)。

由此得出結(jié)論：混凝土構(gòu)造柱圈梁對無筋砌體墻提供的延性也許并不與其設(shè)計剪力相匹配。如果我國規(guī)范下一版能對這一點(diǎn)加以考慮，應(yīng)該能提高砌體結(jié)構(gòu)在中震和大震時的抗震表現(xiàn)。

總結(jié)：

綜上所述，中國抗震規(guī)范比較詳細(xì)的規(guī)定了建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的原則與各類結(jié)構(gòu)設(shè)計的條規(guī)。按照規(guī)范設(shè)計施工的建筑應(yīng)能保證小震不壞，大致能夠預(yù)期中震可修，但對于大震不倒的設(shè)計目標(biāo)在汶川地震中沒有全部得到實現(xiàn)。本文僅從中外的抗震規(guī)范對比來重點(diǎn)探討國外規(guī)范可以參考之處，眾所周知任何設(shè)計規(guī)范都是從實踐和教訓(xùn)中得到提高和完善。中國抗震規(guī)范也是基于地震震害的教訓(xùn)和經(jīng)驗的總結(jié)，還有待完善和提高。另外中國規(guī)范較早的版本考慮早期經(jīng)濟(jì)投入因素較重，其后的版本對經(jīng)濟(jì)考慮也較重。建議隨著經(jīng)濟(jì)水平的提升，修訂抗震規(guī)范考慮的側(cè)重點(diǎn)應(yīng)從經(jīng)濟(jì)因素轉(zhuǎn)向生命安全因素，盡量保證人民生命安全的需求。