關于日本抗震設計計算方法的介紹

2011年3月11日以日本宮城縣為震中發生了一場里氏9.0級的強烈特大地震。這場地震是1900年以來全球第四強震，也是日本自1923年官方測定地震震級以來，該國震級最高的一次地震。由于這次地震緣于板塊間垂直運動而非水平運動，因此觸發了海嘯，對日本一些海岸造成嚴重破壞，給整個太平洋沿岸帶來威脅。

可是，如此巨大的地震并沒有出現像2008年在我國汶川發生的里氏8.0級的地震那樣的大量的房倒樓塌的現象。這是為什么呢？筆者將在本文中詳細介紹日本建筑的抗震設計及抗震計算方法，供國內的同行們參考借鑒。

首先，先介紹一下日本抗震設計的變遷。

1920年（大正9年）12月1日城市街道建筑法（大正8年法律第37號）開始施行。根據第12條中的規定，主管大臣要把建筑物的結構，設施，所在地的衛生，保安，防空方面的情況作為設計的必要條件。根據城市街道建筑法規則（大正9年內務省令第37號）內的規定，容許應力設計法作為結構設計計算法被使用，該方法要求結構強度計算時要考慮由自重和荷載重量引起的垂直力。但是，這時還沒有關于地震力的相關規定。

1923年（大正12年）9月1日發生了關東大地震。

1924年（大正13年）城市街道建筑法施行規則被改正，要求使用容許應力法進行設計時，要求材料安全率系數取3倍，地震力取水平震度的0.1。

1950年（昭和25年）11月23日城市街道建筑法被廃止、取而代之的是建筑基準法（舊的抗震設計規定）具體的抗震基準被規定在建筑基準法施行令中（昭和25年政令第338號）。并且，使用容許應力法進行設計時，地震力提高到了水平震度的0.2。

1971年（昭和46年）6月17日建筑基準法被改正。由于1968年發生了北海道十勝地震，吸取那次地震的經驗教訓，在鋼筋混凝土結構中箍筋的配筋基準得到了強化。

1981年（昭和56年）6月1日建筑基準法施行令被改正（新的抗震設計規定），導入了一次設計、二次設計的概念。

2000年（平成12年）6月1日又一次進行了建筑基準法及建筑基準法施行令的改正。該次改正中導入了性能規定的概念，并且在原來的容許應力法的基礎上又增加了一種新的結構計算方法---極限承載力法。

接下來我就要詳細介紹一下這兩種抗震設計計算方法。

1、容許應力法

在一次設計階段時，必須確保結構上的主要受力構件在地震發生時的應力不能超過該構件的容許應力（參見建筑基準法施行令第82條第1項規定）

在二次設計階段時，由地震引起的變形的計算及根據材料強度進行的承載力的計算，必須要確保滿足建筑基準法的相關規定（參見建筑基準法施行令第82條第2～4項規定）

高31m以下的特定建筑物在一次設計（容許應力計算法）階段的應力（第82條第1項），多雪地區為G+P+0.35S+K；一般地區為G+P+K。層間變形角度（第82條第2項）為200分之1以內；剛性率（第82條第3項）為10分之6以上；偏心率（第82條第3項）為100分之15以內。二次設計（構件水平承載力計算法）階段的構件水平承載力（第82條第3項）的剛性率#12539;偏心率超出規定值以外的情況，按以下公式計算。高31m以下的特定建筑物在二次設計（構件水平承載力計算法）階段的構件水平承載力（第82條第3項）由材料強度決定的各層水平承載力要保證在Qun以上，其它各項均與高31m以下的特定建筑物相同。

特定建筑物以外的建筑物一次設計（容許應力計算法）階段的應力（第82條第1項），多雪地區為G+P+0.35S+K；一般地區為G+P+K。層間變形角度（第82條第2項）、剛性率（第82條第3項）、偏心率（第82條第3項）均可以不進行計算；二次設計（構件水平承載力計算法）階段的構件水平承載力（第82條第3項）也可以不進行計算。

G為由固定荷載引起的力、P為由堆積荷載引起的力、S為由積雪荷載引起的力、K為由地震荷載引起的力。

計算由各部分的地震荷載引起的力K產生的層間剪力Qi對各層的作用（參見建筑基準法施行令第88條規定）。

Qi＝∑Wi×Ci

∑Wi為每層上部的總重量（固定荷載+堆積荷載。在多雪地區還需要增加積雪荷載）

層間剪力系數Ci＝Z×Rt×Ai×Co

標準剪力系數Co

第三種場地土上的木結構建筑物在一次設計（容許應力計算法）階段Co取0.3；二次設計（構件水平承載力計算法）階段Co取1.0。上述以外的建筑物在一次設計（容許應力計算法）階段Co取0.2；二次設計（構件水平承載力計算法）階段Co取1.0。

高度方向分布系數Ai

Αi為該層上部總重量與建筑物地上部分總重量的比值

T為建筑物的一次固有周期

振動特性系數Rt

T

Tc≦T<2Tc

2Tc≦T

T為建筑物的一次固有周期、Tc為場地土類別系數：0.4（第1類場地土）、0.6（第2類場地土）、0.8（第3類場地土）

地震區域系數Z（參見昭和55年建設省告示第1793號第1條規定）依照建設省的告示的規定，靜岡縣的地震區域系數取1.0，按照靜岡縣建筑結構設計指針的規定取值的話，靜岡縣的地震區域系數為1.2。

在一次設計階段，由地震荷載引起的承重結構主要部位的変形不會造成特定建筑物的部分部位出現顯著的損傷的情況下，層間変形角度控制在120分之1以內是可以的。

各層的水平承載力Qun按照以下公式計算（參見建筑基準法施行令第82條第4項規定）。

Qun＝Ds×Fes×Qud

Ds為各層的結構特性系數（由于不同的結構形式具有不同的減衰性和韌性等特性，所以國土交通大臣根據建筑的結構形式規定了相應的結構特性系數）

Fes為各層的形狀特性系數（國土交通大臣對應不同的剛性率及偏心率，規定了相應的形狀特性系數）

Qud為地震荷載在各層上產生的水平力（在上述Qi的計算中Co值取1.0）

2、極限承載力法

在一次設計（損傷界限）階段，根據地震產生的加速度確定出來的作用在建築物地上各層上的地震荷載及在各層上產生的層間位移來進行計算，在確保該地震荷載沒有超過損傷界限承載力（在建筑物各層的結構承重構件的主要部分的斷面上產生的應力，當該應力達到短期效應組合下的容許應力時，對應此時的建筑物各層的水平力的結構承載力）的同時，還應該確保層間變形角度沒有超過200分之1（由地震荷載引起的承重結構主要部位的変形不會造成特定建筑物的部分部位出現顯著的損傷的情況下，層間変形角度控制在120分之1）（參見建筑基準法施行令第82條第6項第3款細則的規定）。

在二次設計（安全界限）階段，根據地震產生的加速度來確定作用在建筑物各層的地震荷載，由該荷載來進行計算，并確保該地震荷載沒有超過構件的水平承載力（參見建筑基準法施行令第82條第6項第5款細則的規定）。

一次設計（損傷界限）二次設計（安全界限）

損傷界限固有周期Td（s）損傷界限承載力Pdi（kN）安全界限固有周期Ts（s）構件水平承載力Psi（kN）

Td<0.16（0.64+6Td）×mi×Bdi×Z×GsTs<0.16（3.2+30Ts）mi×Bsi×

Fh×Z×Gs

0.16≦Td<0.641.6mi×Bdi×Z×Gs0.16

Ts<0.648mi×Bsi×Fh

×Z×Gs

0.64≦Td1.024mi×Bdi×

Z×Gs/Td0.64≦Ts5.12mi×Bsi×

Fh×Z×Gs/Ts

Mi為各層的質量與重力加速度的比值，Bdi和Bsi表示在各層上產生的加速度的分布的系數，Z為地震區域系數，Gs為表層場地土的増幅率，Fh為由安全界限固有周期的振動衰減引起的加速度的衰減率。

以上就是關于日本抗震設計計算方法的介紹。筆者希望通過本文能對中國的業內人士給予幫助。