抗震規范中地震作用的比較研究★

李國華 杜建明

(常州工學院，江蘇 常州 213022)

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抗震規范中地震作用的比較研究★

李國華 杜建明

(常州工學院，江蘇 常州 213022)

比較了我國新、舊抗震規范中鋼結構的地震影響系數，分析了新建筑抗震規范中鋼結構與鋼筋混凝土結構地震影響系數的差異性，說明了在抗震設計中重新引入結構影響系數，恢復折減中震彈性地震反應得到設計地震作用的必要性。

結構影響系數，地震影響系數，地震作用，抗震規范

0 引言

采用結構影響系數確定設計地震作用的方法仍是當前建筑結構抗震設計的主流方法，美國、歐洲、日本的抗震規范都是如此。結構影響系數的思路是這樣的：采用成熟的彈性反應譜計算結構的地震作用，但由于在強烈地震作用下結構會進入彈塑性狀態，塑性變形可以有效地吸收、耗散地震能，降低結構剛度，減小地震反應，結構所承受的地震作用會明顯小于彈性計算結果，故可引入結構影響系數R對結構彈性地震作用(設防地震水準)進行折減，得到結構的設計地震作用，據此對結構進行彈性設計，并期望如此設計的結構在設防地震下進入彈塑性(結構出現輕微破壞，可修)，用非直接方式考慮結構強震下的彈塑性。

結構影響系數R的定義見圖1，橫坐標為結構頂點水平位移，縱坐標為結構底部剪力。曲線OBCA為結構保持完全彈性時的地震反應，曲線OBD為結構在強地震下的真實反應曲線，折線OBCD為簡化的理想彈塑性曲線。B點對應結構出現第一個塑性鉸，C點為結構的顯著屈服點。圖1中Ve為結構保持完全彈性時在設防地震下的底部剪力；Vy為結構發生明顯屈服時的底部剪力；Vs為第一個塑性鉸出現時的底部剪力；Vd為設計底部剪力；Δe,Δy,Δs和Δd分別為對應的結構頂點水平位移；Δmax為真實結構的最大彈塑性水平位移。

結構影響系數R的定義為：

(1)

其中,Rμ為結構延性折減系數,Rμ=Ve/Vy；RΩ為結構超強系數,RΩ=Vy/Vd。我國抗震規范從64規范到78規范，在確定地震作用時，都是采用結構影響系數對設防地震(中震)下的地震作用進行折減。

1989年，GBJ11—89建筑抗震設計規范[1](以下簡稱89規范)采用“三水準兩階段”設計法，提出“小震彈性設計法”，不再使用結構影響系數將中震(設防地震)作用折減后作為地震作用設計值。在截面承載力驗算時的設計地震作用取小震下結構按彈性分析得到的內力值，通過引進相應的承載力抗震調整系數γRE[2]，使設計地震作用與78規范的設計地震作用大致相當，即：89規范取第一水準(小震)地震動參數計算得到的構件彈性地震作用效應與78規范按設防地震(基本烈度，中震)的地震動參數計算得到的地震作用再乘以結構影響系數的平均值(用R表示約為3.0)得到的設計地震作用相當。“小震彈性設計法”隱含了單一的(即不因延性不同而不同)結構影響系數，致使設計人員不清楚“小震彈性設計法”的來源是考慮結構耗能、超強等因素對設防地震下的彈性地震反應進行折減的結果，與國際上先進的抗震設計理念拉開了距離。但由于當時我國以鋼筋混凝土結構和磚結構為主，鋼結構采用較少，在這一背景下，89規范在具體的地震作用方面還是與78規范銜接得比較好的。

2001年，GB50011—2001建筑抗震設計規范[3]沿用了89規范的“三水準兩階段”設計方法。隨著我國改革開放不斷深化和社會經濟的快速發展，鋼結構在土木工程領域被大量采用。但由于規范中不再出現結構影響系數，設計者不能對鋼結構的延性耗能進行充分利用，鋼結構在設計中的地震作用無法有效折減，導致用鋼量偏大，在一定程度上制約了鋼結構的進一步推廣。

2010年頒布的GB 50011—2010建筑抗震設計規范[4]在地震作用上仍總體繼承“三水準兩階段”的設計理念和“小震彈性設計法”，未出現結構影響系數。

下面具體比較我國現行GB 50011—2010建筑抗震設計規范(以下簡稱《新抗規》)和GB 50011—2001建筑抗震設計規范(以下簡稱《舊抗規》)中鋼結構地震影響系數的差異，并比較《新抗規》中鋼結構和鋼筋混凝土結構地震影響系數的差異。

1 新、舊抗規中鋼結構地震影響系數比較

《新抗規》的地震作用較《舊抗規》有所調整，主要體現在阻尼比的取值和地震影響系數曲線相關參數的調整。

此處以設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，抗震設防烈度為8度的中心支撐鋼框架為例來比較《新抗規》與《舊抗規》中多遇地震作用下地震影響系數的差異。新、舊抗規中的特征周期值相同，為Tg=0.35 s。

多遇地震作用下鋼結構的阻尼比在新、舊抗規中的規定有所不同。《新抗規》以50 m和200 m為分界點，阻尼比在結構高度不大于50 m時取0.04；高度大于50 m且小于200 m時取0.03；高度不小于200 m時取0.02。《舊抗規》以12層為界，不超過12層時阻尼比取0.035，超過12層時取0.02。

為方便對比，此處視12層與50 m為相同高度，根據附錄B，8度抗震設防12層人字形、V形、Split-X形中心支撐鋼框架算例第1周期分別為1.852 s,1.994 s,1.899 s，取其平均值為1.915 s。另據本文未列出的補充算例，9度抗震設防48層V形中心支撐鋼框架第1周期為7.349 s，已超出規范T1∈[0,6] s范疇，而其高度為3.6×48=172.8 m，仍屬于200 m之內的范疇，故下列計算不涉及高度大于200 m的結構，即新、舊抗規都只取兩個阻尼比數值。

按上述規定，計算得到新、舊抗規鋼結構地震影響系數α如圖2所示，從圖2中可以看出：新、舊抗規中地震影響系數α曲線，在T1∈[0,0.1] s斜直線段大部分區域重合，在斜直線接近結束時，《新抗規》α值大約降低為《舊抗規》α值的95%；在T1∈[0.1,Tg] s直線段，《新抗規》α值保持為《舊抗規》α值的95%；T1∈[Tg,5Tg] s曲線下降段，《新抗規》α值約為《舊抗規》α值的95%，并有略微增加的趨勢；在T1∈[5Tg,6] s直線下降段中的[5Tg,1.915] s范圍，《新抗規》α值約為《舊抗規》α值的95%；由于T1=1.915 s處對應12層和50 m的分界點，此處前后阻尼比不同，因而此位置α值出現跳躍，《新抗規》α值占《舊抗規》α值的百分比從95.5%驟然下降到89%；在直線下降段的[1.915，6] s區域，此百分比從89%下降到82%，下降趨勢近于直線。

上述分析表明《新抗規》中的鋼結構地震影響系數α比《舊抗規》中的α值有不同程度下降，下降幅度在斜直線段為0%～5%，直線段、曲線下降段為5%左右，直線下降段為5%～18%不等。

2 《新抗規》中鋼結構與鋼筋混凝土結構地震影響系數比較

仍采用1節中算例，但鋼筋混凝土結構的阻尼比按規范規定取為0.05。《新抗規》中鋼結構與鋼筋混凝土結構的地震影響系數α的對比見圖3。從絕對值角度看(見圖3a))，鋼結構與鋼筋混凝土結構的α除直線段相差較為明顯外，其余階段相差不大。從相對比值來看(見圖3b))，在T1∈[0,0.1] s斜直線段開始點到斜直線結束點，鋼結構與鋼筋混凝土結構α值的比值從1增加到1.07；在T1∈[0.1,Tg] s直線段，鋼結構與鋼筋混凝土結構α的比值保持為1.07。在T1∈[Tg,5Tg] s曲線下降段，鋼結構、鋼筋混凝土結構的α值逐漸接近，比值從1.07逐漸下降到1.04。在T1∈[5Tg,6] s直線下降段的[5Tg,1.915] s狹窄范圍內，比值變化甚微；因T1=1.915 s對應12層和50 m的分界點，此處前、后鋼結構的阻尼比不同，故此處鋼結構的α值出現跳躍，導致鋼結構與鋼筋混凝土結構的α比值出現跳躍，從1.04增加到1.08；隨后在直線下降段的[1.915，6] s區域，比值又緩慢下降到1.013。

由上述分析可知，在同等條件下，鋼結構的地震影響系數大于混凝土結構的相應值，其比值在1.013～1.08這一范圍。

固然，在實際工程中，同一結構采用鋼結構通常會比鋼筋混凝土結構剛度有所減小，因而使鋼結構的第1周期比鋼筋混凝土結構的第1周期有所延長，從而減小了地震反應系數，與此處分析會有不同。但鋼結構不能因延性優秀而采用更小的地震作用(通過較小的結構影響系數折減地震反應)仍是不爭的事實。

3 結語

本文比較了我國現行GB 50011—2010建筑抗震設計規范和GB 50011—2001建筑抗震設計規范(以下簡稱《舊抗規》)中鋼結構地震影響系數的差異，并比較了GB 50011—2010建筑抗震設計規范中鋼結構和鋼筋混凝土結構地震影響系數的差異。說明了現行規范未充分利用鋼結構延性折減地震作用，從而使得鋼結構的延性耗能優勢未能充分得到利用，這使得鋼結構的用鋼量不能有效減小，因而存在著在鋼結構抗震設計中重新引入結構影響系數，恢復折減中震彈性地震反應得到設計地震作用的必要性。

[1] GB J11—89,建筑抗震設計規范[S].

[2] 童根樹.鋼結構設計方法[M].北京：中國建筑工業出版社,2007:65.

[3] GB 50011—2001,建筑抗震設計規范[S].

[4] GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

Comparison research of seismic actions of seismic codes★

Li Guohua Du Jianming

(ChangzhouInstituteofTechnology,Changzhou213022,China)

This paper compared the seismic influence coefficient of steel structure in our new and old seismic specification, analyzed the difference of steel structure and seismic influence coefficient of reinforced concrete structure in new building seismic specification, illustrated the necessary obtained design seismic action re-introduction of structural influence coefficient in seismic design, restoration reduction earthquake elastic seismic response.

structural influence coefficient, seismic influence coefficient, seismic action, seismic specification

1009-6825(2017)09-0029-03

2017-01-16★:常州市科技計劃項目“中心支撐鋼框架強震倒塌概率和倒塌機理研究”(CJ20159031)

李國華(1962- )，男，助理工程師

TU352

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