中美抗震规范地震作用计算方法对比分析

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中美抗震规范地震作用计算方法对比分析

第２６卷第３期２００９年９月

华中科技大学学报（城市科学版）

Ｊ．ｏｆＨＵＳＴ．（ＵｒｂａｎＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）

Ｖ０１．２６Ｎｏ．’３

Ｓｅｐ．２００９

中美抗震规范地震作用计算方法对比分析

朱文静１，

’饭雨林２，

夏文娟２，

闫帅平２

（１．中冶南方工程技术有限公司，湖北武汉４３０２２３；

２．华中科技大学ａ．土木工程与力学学院；ｂ．控制结构湖北省重点实验室，湖北武汉４３００７４）摘要：本文将我国《建筑抗震设计规范＞（ＧＢ５００１１－２００１）中地震作用计算公式进行转化，使之可与美国规范ＵＢＣ９７及ＩＢＣ２０００的地震作用计算公式对比，分析了我国规范与美国规范的地震作用静态计算方法，并按两国规范公式计算了钢筋混凝土框架结构的地震作用，分析了计算结果差异的原因及我国规范需改进之处。关键词：／ｇ震规范；地震作用；静态计算方法中图分类号：ＴＵ３１８

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７２－７０３７（２００９）０３－００７９－０７

目前，我国涉外工程设计越来越多。一些国家和地区要求采用欧美规范设计，这需要设计人员熟悉欧美规范并了解欧美规范与我国规范间的差异¨Ｊ。本文对比了中美两国抗震设计规范中地震作用静态计算方法，分析了两国规范计算钢筋混凝土框架结构地震作用的差异，提出我国规范需改进之处。

而不是限制结构和保证结构功能”。

美国ＩＢＣ２０００…的抗震目标是“为设计、构建抵抗地震的建筑物提供最低标准”。

根据各规范及相关文献［５］，［６］，将中美建

筑抗震规范的设防水准及目标列于表ｌ。

２两国规范地震作用静态计算方法

常用的地震作用计算方法有静态计算方法和动态计算方法，其中底部剪力法（ＵＢＣ９７中称静力法、ＩＢＣ２０００中称等效侧力法）是中美两国抗震设计规范采用的静态计算方法。

底部剪力法的基本思路是：结构底部的剪力等于其总水平地震作用，由反应谱法得到，而地震作用沿高度的分布则根据结构侧移假定［２】。

ＧＢ

１两国规范的抗震设防目标

我国《建筑抗震设计规范》（ＧＢ５００１ｌ－２００１）继承了ＧＢＪ１１－８９的“三水准设防目标，两阶段设计步骤？的抗震设计思想怔。

美国ＵＢＣ９７【３１没有明确给出分层设防目标，仅采用单一的设防水准：以５０年超越概率１０％的地震作用作为基准设防地震作用。ＵＢＣ９７提出“抗震设防目标是避免结构倒塌和人身伤亡，

表１

中美抗震设计规范的设防水准及目标

５００１ｌ－２００１中底部剪力法的计算公式

（１）

絮罡５２００１００１１

及目标

一

多遇地震设防地震罕遇地震

６３．２％１０％２％一３％

ｕ一罴

…“

东、中部

５％

２％

为：

ＦＥＫ＝ａｌＣ。

结构任一楼层的水平地震剪力应符合下式要求ｔ

ｎ

．

西部

Ｋ“＞Ａ∑Ｇ

式中符号意义及取值见ＧＢ

ｐ，

（２）

ｌＯ％

５００１１－２００１。

２％一５％

避免结构倒

小震不坏塌和人身伤为设计、构建抵抗

设防目标中震可修亡，而不是限地震的建筑物提

大震不倒制结构和保供最低标准

证结构功能

注：以上数值均为５０年超越概率。

ＵＢＣ９７中基底剪力Ｖ计算公式为：

ｙ＝茜形＝ｃ。形

即

Ｃ。＝Ｃ，Ｉ／ＲＴ

（３）

式中，Ｃ．为水平地震影响系数；，为重要性系数，

收稿日期：２００９－０４．１４

作者简介：朱文静（１９８３），男．湖北仙桃人，硕士，一级注册结构工程师，研究方向为结构工程，ｚｌ－ｍｗｅｎｊｉｎ９２０００＠１６３．ｃｏｒｎ。

通讯作者：位雨林（１９５６一）．男，安徽和县人．硕士。高级工程师．一级注册结构工程师，研究方向为结构工程、建设安全，

ｊｙｌｌ９５６＠ｓｉｎａ．ｅｏｌｎｏ

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华中科技大学学报（城市科学版）

２００９年

由ＵＢＣ９７表Ａ．１６一Ｂ确定。

基底剪力的计算值不得大于按下式计算所得

数值：

Ｖ：掣形

＝—≠形（）（４）

且ｙ的计算值不得小于按下式计算所得数值：

Ｖ＝０．１１Ｃ．／Ｗ

（５）

另外，在地震区４，基底剪力ｙ计算值不得小于按下式计算所得数值：

ｙ：Ｏ．８Ｚ。Ｎ，ＩＷ

（６）

式中，Ｃ．、Ｃ，为地震影响系数，其值分别见表２、表３；ⅣＩ为近震系数，其值见表４；ⅣＴ为远震系数，其值见表５；ｚ为震区系数；Ｗ为重力荷载；尺为结构体系系数，各种结构的取值见ＵＢＣ９７表１６Ｎ。根据ＵＢＣ９７表１６－Ｎ及ＩＢＣ２０００表１６１７．６．２和文

献［７］，中美两国抗震规范钢筋混凝土框架结构

的尺值及尺一肛关系见表６。

场地分类１ｉ鬲＿—石石』墼害警翌互五了可

表２地震影响系数ｃ－

Ｓ‘ｎＯｎＯｎＳ８ｎ０ｎ０ｍＳ‘ｍＯｎ

Ｏ

ｎ

Ｓｏｎ∞∞∞屹Ｏ

屹坫墙挖

ｎ

Ｍ加Ｍ勰

０

弘∞够拍

ｎ

让∞∞甜肛以Ｍ肛

Ｓ‘０．１９

０．３００．３４０．３６

０．３６札

Ｓ，

现场勘测和场地动力贯人实验确定

ｓ＾ｎｎｎＭｓＢｎ

ｎｎＭｓｃｎ

ｎ

ｓＤ阻眦阻阻

∞呕仍他

ｎ

屹巧；ｑ砣

ｎ

Ｍ加勉加

仉仉仉ｎ

Ｍ∞牾弘

ｍ

记∞弱甜Ｍ以

ｓＥ０．２６ｏ．５０ｏ．６４ｏ．８４

ｏ．９６Ⅳ．

ｓＦ

现场勘测和场地动力贯人实验确定

注：当震中距在表中所列数值之间时，按线性插入取值；抗震设计所采用的震源类型和位置由经认可的勘测数据确定（如：由美国地质勘测所（ＵＳＧＳ）和加州矿山和地质勘测部门（ＣＤＭＧ）颁布的发震断裂分布图）；震中距取工程地点和场地与发震断裂带在地表垂直投影距离的最小值，地表投影不包括地面１０ｋｍ（含）以下的断裂带部分，，ｖ．的最大值适用于所有震源类型。

表５远震系数Ⅳ．

注：同表４。

表６中美抗震规范采用的Ｒ一肛关系

注：Ｒ＝岛丘，其中，编为超强系数，Ｒ，为延性降低系数【”。

结构自振周期计算方法如下：方法ｌ

Ｔ＝Ｃ。（＾。）３一

（７）

式中，Ｃ。＝Ｏ．０８５３一钢框架；Ｃ。＝０．０７３ｌ一钢筋混

凝土框架、钢支撑框架；Ｃ。＝０．０４８８一其他结构；ｈ。为楼层凡到结构底部的高度（ｍ）。

方法２

Ｔ＝２，ｒｒ

（８）

式中，为任意基底剪力分配后的地震作用；６为相应的弹性变形位移。在震区４，按方法２计算的ｒ值不得超过按方法ｌ计算的ｒ值的１．３倍；在震区ｌ、２、３，按方法２计算的ｒ值不得超过按方法１计算的１．４倍［８】。

美国规范ＩＢＣ２０００中基底剪力计算为：

Ｖ＝Ｃ。Ｗ

（９）

ｎ淌以戏‘青＜奔ｕ∞

对于场地类型Ｅ、Ｆ且Ｓ。≥０．６９：

ｃ ≥崭

（１１）

式中，，Ｅ为重要性系数，由ＩＢＣ２０００第１６１６．２节确定；Ｒ、Ｗ、Ｔ意义同式（３）；Ｔ的计算公式同

ＵＢＣ９７，即方法ｌ。

ＧＢ５００１

ｌ－２００１的地震作用分项系数与美国

规范ＵＢＣ９７和ＩＢＣ２０００的规定不同。ＵＢＣ９７和ＩＢＣ２０００对地震作用分项系数的取值均为１．Ｏ；

ＧＢ

５００１１－２００１对地震作用分项系数取值为１．３，

但同时在抗力项上考虑了调整系数ｙ肛（对于钢筋混凝土结构，ｙ旺＝Ｏ．７５－０．８５），按美国规范表述方法，钢筋混凝土结构地震作用分项系数取值

第３期

朱文静等：中美抗震规范地震作用计算方法对比分析

‘８１

可等价为０．９７５—１．１０５。３两国地震作用静态计算公式的转换

为比较中美两国地震作用计算公式，现将ＧＢ５００１１—２００１计算公式转换为Ｖ＝Ｃ。形的形式。

由公式（１）可得：对于单质点体系：Ｆ秫＝

ａｌ

Ｇｅｑ；对于多质点体系：，ＥＫ＝ａ１Ｇ。ｑ＝Ｏ．８５ａ１形。可见，中美两国地震作用计算公式Ｆ。。、ｙ具

有相同的意义，即对于单质点体系：Ｆ。。＝ａ。ＩＶ＝ｃ。形＝ｙ；对于多质点体系：ＦＥＫ＝０．８５，－，１形＝ｃ。形

＝矿。

显然，中美两国计算公式的差异主要集中在水平地震影响系数Ｃ。和重力荷载形上，下面对这两个参数进行对比分析。３．１重力荷载Ｗ的取值

（１）根据ＧＢ５００１１－２００１及《建筑结构荷载规范》（Ｃ，Ｂ５０００９－２００１）一１的相关规定：计算地震作用时，重力荷载代表值应取结构和构配件自重标准值和各可变荷载组合值之和，各可变荷载的

取值见ＧＢ

５０００９．２００１。

（２）ＵＢＣ９７中规定：计算地震作用时，重力荷载形取结构和构配件白重标准值与表７所列荷载之和。

表７荷载取值及组合值系数

（３）ＩＢＣ２０００中关于有效重力荷载形的取值，除了雪荷载＞１．４４时，组合值系数取０．３外，其它内容与ＵＢＣ９７相同。

由中美两国规范荷载取值数据可见，ＧＢ５００１卜２００１的重力荷载取值水平比美国规范大，但美国规范规定的仅仅是最低要求。且两表中各规范中恒载的组合系数均为１．０，各规范在计算重力荷载时都采用实际荷载值，未做调整处理。

其它荷载组合系数的取值考虑了地震时重力荷载

可能出现的概率，因此可认为各规范的重力荷载形取值相差不大。两国规范计算地震作用的差别主要集中在水平地震影响系数ｃ．上。３．２水平地震影响系数Ｃ．计算

按中美两国抗震设计规范的底部剪力法公式

计算地震作用前，先对两国规范中一些概念建立

对应关系。

ＧＢ

５００１１－２００１规定：高度不超过４０ｎｒｌ、以剪

切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法等简化方法。

ＵＢＣ９７和ＩＢＣ２０００规定以下建筑均可采用底部剪力法：（１）震区１的所有建筑物和震区２的一般建筑物（相当于我国的丙类和丁类建筑）；（２）除位于Ｆ（Ｓ，）类场地上的自振周期大于０．７

ｓ

的结构外，所有不高于７３．１５２ｍ（２４０英尺）的规则结构；（３）不高于５层或１９．８１２ｍ（６５英尺）的不规则结构；（４）具有以下特点的结构：ａ．结构由两个部分组成，上部为规则柔性结构，下部为规则刚性结构，刚性结构楼层的平均刚度至少是柔性结构楼层平均刚度的１０倍；ｂ．整个结构的自振周期大于柔性结构自振周期的１．１倍。

Ｃ．Ｂ

５００１１－２００１采用地震烈度区划标准时，

明确引入了“设计基本地震加速度”，同时参考ＵＢＣ９７的地震区划图与ＩＢＣ２０００的Ｓｓ图形、Ｓ】图形，可得到地震烈度、震区ｚ与｜ｓ。、Ｓ，的对应关系见表８。

表８中美抗震规范震区划分的对应关系

设计基本地

ｊ勖Ⅱ艘／ｇ

０．０５Ｏ．０７５Ｏ．１０Ｏ．１５０．２０Ｏ．３００．４０

ＧＢ５００１１．

２加ｌ

６度

７度

８度９度

ＵＢｃ９７一

震区ｌ

一

震区２Ａ

震区２Ｂ

震区３

震区４

ＩＢＣ２０００

Ｓｓ＝Ｏ．２５Ｓｓ＝Ｏ．５０Ｓｓ－－０．７５Ｓｓ＝１．００Ｓｓ＝１．２５一

Ｓｌ－－０．１

ＳＩ＝０．２

Ｓｌ＝０．３

Ｓｌ＝Ｏ．４

Ｓｌ－－０．５

ＧＢ

５００１１－２００１规定钢筋混凝土框架结构在

９度区结构限高为２５ｍ，ＵＢＣ９７和ＩＢＣ２０００（ＩＢＣ２００３）均规定混凝土框架结构在震区３和震

区４的限高为４８．７６８ｍ（１６０英尺）。

Ｃ，Ｂ

５００１１－２００１规定结构自振周期可采用经

验公式：ｒ＝（０．０５—０．１０）ｎ，其中１１，为结构层数。ＵＢＣ９７和ＩＢＣ２０００的结构自振周期采用公式（７）。由中美两国抗震设计规范底部剪力法适用范围的规定、结构自振周期计算公式的规定及结构限高的规定，可得中美两国规范在各震级（震区）底部剪力法可适用的结构自振周期…，如表９所示。

表９各规范底部剪力法适用最大自振周期

ｓ

设麓嚣ｏ．０５

ｏ．０７５

ｏ．１００－１５ｏ．２０ｏ．３００．加

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华中科技大学学报（城市科学版）

２００９年

场地是决定建筑物承受地震作用的一个关键因素。ＧＢ５００１１－２００１将场地分为Ｉ一Ⅳ四类，ＵＢＣ９７将场地分为Ｓ．一ＳＦ六类（相应于ＩＢＣ２０００的Ａ—Ｆ六类，其中Ｓ，需专门测定）¨引，且中美两国主要按土层剪切波速度划分场地类别，因此，本文给出了中美两国规范场地类别的对应关系…，见表１０。

表１０中美抗震规范中场地类别的对应关系规范

场地类别对应关系（相应的土层剪切波速ｍ／ｓ）

的条件下尽可能减小设防投资，在保持技术上合理的前提下适当扩大了ＩＩ类场地的范围。另外，由于ＧＢ５００１１－２００１中Ｉ、ＩＩ类场地的ｔ值与国

外抗震规范相比偏小，因此有意识地将Ｉ类场地

的范围划得较小。

对比中美两国抗震设计规范底部剪力法计算结果时，取ＧＢ５００１１－２００１的ＩＩ类场地和美国规范Ｃ、Ｄ类场地作为典型场地。由于中美两国规范对重力荷载取值并无实质性的差别，因此，中美两国地震作用取值的差异将主要体现在Ｃ．值中，由以上各表建立的对应关系，现将按中美两国抗震设计规范底部剪力法计算的各震区及场地下的Ｃ．值及其比值关系绘制成图ｌ一图８。

ｃ嘴１１。ｌ（＞５００）Ⅱ（２５０＿姗）Ⅲ（１４０．２５０）ＩＶ（＜ｌ加）

ｍＵ渊ＢＣ９７蔷Ｓ＾茹（＞：１５瓣００）｛器：孙ｃ …ｓＥ（＜－剐

根据ＧＢ５００１１－２００１条文说明：在保障安全

图ｌ

ＧＢ５００１１－２００１

ＩＩ类场地在各烈度下的ｃ．值（８），７度（Ｏ．１５９）地震时各场地ｃ．值（ｂ）

００００Ｏ

Ｕ

Ｏ０ＯＯ

图２

ＵＢＣ９７

Ｓ。类场地在各震区的ｃ．值（ａ），震区２Ｂ各场地ｃ．值（ｂ）