劉天英 李 琪 孫文海

(東北電力設(shè)計院，長春130021)

1 引言

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)(以下簡稱GB 50011)［1］從2010年12月1日開始實施，雖然業(yè)界一直在爭論該部規(guī)范在某此方面規(guī)定不夠具體，但因設(shè)計習(xí)慣和設(shè)計軟件等原因，一直在抗震設(shè)計中應(yīng)用。20世紀90年代初，由美國學(xué)者提出“基于性態(tài)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計PBSD(Performance-Based Seismic Design)”思想，得到各國廣泛重視，被地震工程界認為是未來抗震設(shè)計發(fā)展的主要方向［2］。未來的抗震設(shè)計必將是基于性態(tài)的抗震設(shè)計［3］?；谛詰B(tài)的抗震設(shè)計目的在于確保建筑物能夠在各種不同強度的地震作用下，建筑物的地震效應(yīng)滿足業(yè)主和社會的各種安全、經(jīng)濟、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)計思想，但主要條款還是沿用舊版抗震設(shè)計規(guī)范的基本理念和架構(gòu)。而在《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計通則(試用)》(CECS160:2004)(以下簡稱CECS160)中［5］，基于性態(tài)的抗震設(shè)計思想得到很好的體現(xiàn)。為適應(yīng)將來抗震設(shè)計的發(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)中國地震危險性特征的研究結(jié)果，認為GB 50011對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

3 設(shè)防目標

地震設(shè)防水準，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，并考慮社會、經(jīng)濟條件來確定采用多大的設(shè)防荷載參數(shù)。簡單說，就是選擇多大強度的地震作用作為抗震設(shè)防對象［2］。

GB 50011抗震設(shè)計采用“小震”、“中震”、“大震”三級設(shè)防水準，也稱多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震，一般按地震基本烈度區(qū)劃或地震動參數(shù)區(qū)劃對當(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設(shè)防水準，分別相當(dāng)于由建筑重要性類別規(guī)定年限TMJ內(nèi)給定的超越概率為63%、10%和5%。建筑重要性類別根據(jù)建筑物對社會、政治、經(jīng)濟和文化影響的重要性分為甲、乙、丙、丁四類，具體見國家標準《建筑抗震設(shè)防分類標準》(GB 50223—2008)。對于重要性類別為丙類的建筑，取TMJ=50年;乙類建筑，取TMJ=100年;甲類建筑，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TMJ(年)［6］。推導(dǎo)出乙類建筑小震、中震、大震對應(yīng)的重現(xiàn)期分別為101年、950年、1950年;甲類建筑對應(yīng)的重現(xiàn)期分別為202年、1900年、3900年。

可見關(guān)于設(shè)防水準，兩部規(guī)范主要有兩點區(qū)別:

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

針對三個設(shè)防水準，GB 50011抗震設(shè)防目標為“小震不壞”、“中震可修”和“大震不倒”。

CECS 160總結(jié)近20年來現(xiàn)代大城市震害經(jīng)驗，認為在建筑抗震設(shè)計中，不僅要控制破壞，還應(yīng)考慮地震時保持建筑功能正常。因為不少建筑遭遇的震害并不嚴重，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詳見規(guī)范3.1.3款。CECS160根據(jù)建筑物不同的使用功能類別分別給出各級地震動水平下的最低抗震性態(tài)要求，詳見表1。性態(tài)水平是對所設(shè)計的建筑在可能遭遇的特定設(shè)計地震作用下所規(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，不再贅述。

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、建筑物的重要性類別分別給出了不同地震動水平下的最低抗震性態(tài)的具體要求?；谛詰B(tài)抗震設(shè)計的多級目標設(shè)計理念為用戶和結(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)驗相結(jié)合問題［7］。不難看出，重要性為丙類、使用功能為Ⅱ類的建筑的性態(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應(yīng)，而其他幾類建筑的設(shè)防目標兩部規(guī)范不能對應(yīng)。

4 地震作用

GB 50011第5.2.1款采用底部剪力法，結(jié)構(gòu)的水平地震作用標準值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準值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的公式可改寫為FEK=CηhKβGef1，式中，K為地震系數(shù);β為場地設(shè)計譜(即動力系數(shù))。根據(jù)公式可以看出，地震作用涉及場地類別、特征周期、設(shè)計反應(yīng)譜、結(jié)構(gòu)影響系數(shù)、等效重力荷載。

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

4.1 場地類別

建筑場地類別，根據(jù)土層等效剪切波速和場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算和場地覆蓋土層厚度的條款是一致的。GB 50011建筑場地類別劃分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ四類，其中，Ⅰ類細分為Ⅰ0和Ⅰ1兩個亞類。同樣，CECS 160也劃分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ四類，但兩部規(guī)范場地類別劃分時土層等效剪切波速Vse和場地覆蓋土層厚度dov的界限取值略有不同。從圖1可以看出，兩部規(guī)范場地類別劃分不完全相同，而是互有交叉。

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

4.2 特征周期

特征周期在GB 50011中稱設(shè)計特征周期，CECS 160稱設(shè)計譜特征周期。其數(shù)值受地震震級、震中距、場地類別等因素影響。特征周期決定設(shè)計反應(yīng)譜平臺段的長度，對地震作用大小有重要影響。GB 50011中，特征周期根據(jù)場地類別和設(shè)計地震分組確定，見表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)別見表3。

表2 特征周期值Table 2 Characteristic period valuess

4.3 設(shè)計反應(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)可以推出地震動力系數(shù)曲線，見圖2。大量分析表明，動力系數(shù)β的峰值βmax與場地類別關(guān)系不大，在我國統(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，地震影響系數(shù)α=0.45αmax。此時結(jié)構(gòu)為無窮剛性，動力系數(shù)β應(yīng)為1，則βmax=1/0.45≈2.25。動力系數(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，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)的水平分量場地設(shè)計譜(即動力系數(shù)曲線)，見圖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。同時規(guī)定場地設(shè)計譜最大值βmax取2.25;其最小值βmin不宜小于最大值的15%;場地設(shè)計譜短周期界限值TA宜采用0.10 s，有特殊要求時可作調(diào)整;場地設(shè)計譜下降段的指數(shù)θ宜采用0.9，有特殊要求時可在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，根據(jù)規(guī)范中附錄D進行場地設(shè)計譜修正。

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

圖3 CECS160場地設(shè)計譜Fig.3 Design spectrum in the CECS160

由圖2、圖3可以看出，CECS160場地設(shè)計譜僅為三段，無直線下降段。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6 s，需要專門研究;而CECS 160超過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實際上是強度折減系數(shù)的倒數(shù)。強度折減系數(shù)R定義為結(jié)構(gòu)保持完全彈性所需要的最低強度與結(jié)構(gòu)保持給定延性所需要的最低屈服強度之比，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。不同國家、不同研究者對于強度折減系數(shù)的稱謂不同，如在美國UBC 1997和FEMA 273中稱為結(jié)構(gòu)反應(yīng)修正系數(shù)，歐洲規(guī)范EC8稱為性能系數(shù)，日本規(guī)范稱為延性因子［9］。

GB 50011規(guī)定的時程分析所用地面動峰值加速度PGA見表4，該規(guī)范規(guī)定在進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面強度驗算時采用的地震水準為多遇地震(小震)。根據(jù)表4，多遇地震和設(shè)防地震對應(yīng)的地面運動峰值加速度比值都在0.35左右?？梢赃@樣理解，構(gòu)件截面強度驗算時采用的地震水準為設(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)，與實際情況更加接近，具體的結(jié)構(gòu)影響系數(shù)見表5。

表4 GB 50011時程分析所用地面動峰值加速度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，地震危險性特征分區(qū)為Ⅰ區(qū)。場地類別Ⅲ類，特征周期0.55 s。自振周期T根據(jù)經(jīng)驗公式計算為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。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)范進行計算結(jié)構(gòu)總水平地震作用標準值，詳見表6，計算過程略。

［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］，計算結(jié)果見表6中括號內(nèi)的數(shù)字。根據(jù)表中數(shù)值，總水平地震作用標準值，按CECS 160計算的結(jié)果要高于按GB 50011計算的結(jié)果。

表6 結(jié)構(gòu)總水平地震作用標準值計算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)的變形驗算。遭遇多遇地震時，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)的變形驗算，遭遇設(shè)防地震時，結(jié)構(gòu)已進入非彈性階段，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，結(jié)構(gòu)進入彈塑性階段，兩部規(guī)范關(guān)于彈塑性層間位移角限值的要求見表7。

CECS 160在確定彈塑性層間位移角限值時，參考GB 50011、Vision 2000及FEMA 273，對于Ⅲ類建筑偏于安全地取中等至嚴重破壞之間接近中等破壞的層間位移限值。對于Ⅱ類、Ⅳ類建筑的層間位移限值，根據(jù)Ⅲ類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)文中對比分析，得出如下結(jié)論:

(1)GB 50011設(shè)防目標單一籠統(tǒng)，而CECS 160根據(jù)建筑物重要性類別和建筑物功能設(shè)定不同的抗震設(shè)防目標，目標多級具體，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)濟情況選擇設(shè)防目標。性態(tài)設(shè)計實際是抗震個性化設(shè)計，對設(shè)計人員和計算軟件要求較高，尚處于完善階段。

(2)GB 50011實際隱含著結(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，對于自振周期超過6 s的長周期結(jié)構(gòu)，需專門研究;CECS 160特征周期則超過7 s，比GB 50011的適用性更加廣泛。

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

(5)罕遇地震時，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未進行區(qū)分。CECS 160中Ⅲ類建筑彈塑性層間位移限值與GB 50011規(guī)定基本相當(dāng)。

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