中美歐建筑抗震設計規(guī)范對比

屈峣，韓雨和

（北京建筑大學 土木與交通工程學院，北京 100044）

1 引言

近年來，我國企業(yè)逐漸大規(guī)模承接境外的建筑工程項目。在境外項目的設計中，由于業(yè)主的要求，一般需要依據(jù)歐洲或美國的建筑規(guī)范進行設計與施工。而我國多數(shù)建設單位及設計人員長期使用中國建筑規(guī)范，缺乏對歐洲和美國建筑規(guī)范的了解。因此，有必要對中國、美國和歐洲建筑規(guī)范中的設計原則、方法和參數(shù)進行對比。

抗震設計是建筑結構設計的重要部分，對于中國GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》【1】（以下稱中國規(guī)范）、美國IBC 2018【2】、ASCE7-16【3】（以下稱美國規(guī)范）、歐洲EN1948-8《Eurocode 8： Design of Structures for Earthquake Resistance》【4】（以下簡稱“歐洲規(guī)范”）的異同，國內學者做了一些研究工作。朱春明和錢鵬【5】對比了中、美結構抗震設計規(guī)范的體系、一般規(guī)定、地震作用計算方法以及整體性指標要求，發(fā)現(xiàn)美國規(guī)范考慮了結構延性對地震作用輸入的影響，而中國規(guī)范在考慮地震作用的荷載組合、剛度限值、外框剪力比限值和剪重比限值等方面相對保守。從抗震設計基本要求和建筑抗震概念設計基本原則2 個方面，劉潔平等【6】將歐洲規(guī)范和中國規(guī)范進行了比較和評述，進而在場地類別、地震作用和結構抗震驗算等幾個方面對中、歐規(guī)范進行了簡單的比較。

以上分析可知，國內外學者和工程師對取值與計算方法已經開展了很多研究工作，但現(xiàn)階段關于中、美、歐抗震規(guī)范對比分析尚不系統(tǒng)。本文從總設計原則、設計參數(shù)取值與設計計算原理等方面，對中、美、歐建筑抗震設計規(guī)范進行了對比與分析，希望能夠為相關工程的設計提供參考。

2 總設計原則對比

2.1 抗震設防類別分類

中國規(guī)范依據(jù)建筑重要性，將抗震設防類別劃分為甲、乙、丙、丁共計4 類。在對結構進行抗震設計時，規(guī)范包含抗震措施和設防烈度2 種調整方法。與中國規(guī)范抗震設防分類類似，歐洲規(guī)范將建筑重要性等級分為4 個類別，建筑等級分類也較為相似。美國規(guī)范根據(jù)建筑災后后果，將建筑危險類別分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4 類 。

中國規(guī)范抗震設防類別、歐洲規(guī)范建筑重要性等級與美國規(guī)范危險類別對比與調整方法如表1 所示。從表中看出，美國規(guī)范關于建筑物危險類別和歐洲規(guī)范的建筑重要性等級是2 個相反的概念。

表1 中、美、歐抗震規(guī)范設防類別

2.2 場地類別劃分

中國規(guī)范以土層的等效剪切波速和場地覆蓋層厚度為準，將建筑場地劃分為Ⅰ0、Ⅰ1、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4 種場地類別，其中Ⅰ類場地包含2 個亞類。

歐洲規(guī)范共有 7 種場地類別，其中，有 2 種（S1，S2）分別是高塑性黏土和可液化土、敏感黏土。歐洲規(guī)范中A～E 類場地類別與中國規(guī)范的Ⅰ0～Ⅳ類場類別比較相似【7】。

美國規(guī)范在進行場地類別劃分時，將其分為 A、B、C、D、E 5 種場地類別。其首先依據(jù)表層以下30m 的剪切波速為指標，判定土為硬巖、巖石、軟巖、硬土和軟土5 種類型，而后考慮標準貫入錘擊數(shù)和不排水剪切強度等指標，以判定場地類別【8】。

3 種規(guī)范的場地類別劃分對比如表2 所示。

表2 場地類別分類對比

2.3 抗震設防水準及設防目標

中國規(guī)范以GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》為依據(jù)，按50a 超越概率為10%的“基本烈度”（即常遇地震烈度或中震，地震重現(xiàn)期475a）作為抗震設防烈度，進行全國地震動區(qū)劃分，采用“三水準兩階段”的設計方法。“三水準”即“小震不壞、中震可修、大震不倒”的基本抗震設防目標；“兩階段”指50a 超越概率為63%“多遇地震烈度”，即小震下的彈性承載力、變形計算和50a 超越概率為2%“罕遇地震烈度”（大震，地震重現(xiàn)2 400a）下的彈塑性變形驗算。建筑物在遭到多遇地震烈度時，基本處于彈性階段，一般不會損壞；在罕遇地震作用下，建筑物將產生嚴重破壞，但不至于倒塌。

歐洲規(guī)范的設防目標分為“限制破壞要求”和“不倒塌要求”。其中，“限制破壞要求”指結構應設計和建造成在多遇地震下不造成損壞而能繼續(xù)使用（10a 超越概率10%，重現(xiàn)期95a）。與我國“小震不壞”相比，“限制破壞要求”設防目標基本相同，但更為嚴格。歐洲規(guī)范中“不倒塌要求”為結構應設計和建造成能抵御重現(xiàn)期475a（相當于我國的中震）的地震作用，50a 的超越概率為10%，無整體或局部倒塌，地震后能繼續(xù)保持結構的整體性和一定的殘余承載力。歐洲規(guī)范的“不倒塌要求”與我國“中震可修要求”的抗震設防水準一致，且我國規(guī)范的設防目標更為嚴格。

美國規(guī)范以50a 超越概率為2%（地震重現(xiàn)期2475a）的“最大考慮地震”進行全美地震動區(qū)劃；以“最大考慮地震”的2/3 作為“設計地震”。在全美地區(qū)，設計地震的50a 超越概率為5%～10%（中東部、西部不同）。美國的抗震設計采用“兩水準一階段”的設計方法，“一階段”即在“設計地震”作用下的彈塑性承載力和變形驗算，允許結構在“設計地震”下進入彈塑性階段，通過使用構件剛度折減系數(shù)和地震反應修改系數(shù)R對彈塑性地震作用進行折減，并保證結構具有較好的延性。

中、美、歐抗震規(guī)范的抗震設防水準及設防目標如表3 所示。

表3 中、美、歐抗震設防水準及設防目標

2.4 層間位移限制要求

在層間位移的規(guī)定中，我國規(guī)范規(guī)定了“小震”彈性和“大震”彈塑性的層間位移限值，而歐洲規(guī)范和美國規(guī)范則分別給出“限制破壞要求”彈塑性層間位移限值和“設計地震”彈塑性層間位移要求。

中、美、歐抗震規(guī)范的層間位移限制要求對比如表4所示。

表4 中、美、歐抗震規(guī)范的層間位移限制要求對比

3 設計參數(shù)取值與設計原理

結構基本周期的簡化計算公式、抗震驗算要求、反應譜折減系數(shù)、加速度設計反應譜、地震動參數(shù)等為抗震設計規(guī)范中的核心部分，對其進行對比分析可直觀看出中、美、歐抗震設計規(guī)范中的異同。

3.1 結構基本周期的簡化計算公式

在計算結構的基本自振周期T1時，因中國抗震規(guī)范沒有給出相關估算公式，故采用GB 50009—2012《建筑結構荷載規(guī)范》【9】的計算方法，并將其與歐洲抗震規(guī)范和美國抗震規(guī)范中的估算公式匯總于表5 中。由表5 可知，結構的基本自振周期T1與建筑高度有關，建筑高度越高，T1值越長。

表5 中、美、歐抗震結構基本周期的簡化計算公式對比

3.2 抗震驗算要求

我國規(guī)范是基于彈性階段的“小震”下進行的承載力驗算，不允許結構承載力大于或等于限值（即結構局部進入塑性狀態(tài)）。規(guī)范中沒有對“中震”進行抗震驗算。第二階段設計是在“大震”作用下，驗算彈塑性變形是否符合規(guī)范要求，保證結構的抗倒塌性能。自動保證滿足“中震”下的設計要求。

歐洲規(guī)范只對“中震”進行抗力驗算，而對“小震”和“中震”進行位移驗算。

美國規(guī)范規(guī)定抗力驗算和位移驗算都只對“中震”進行。

中、美、歐的抗震驗算要求對比如表6 所示。

表6 抗震驗算要求對比

3.3 反應譜折減系數(shù)

中國抗震規(guī)范中設計反應譜是根據(jù)地震產生的概率進行折減的。故在地震基底剪力的規(guī)定中不再考慮延性的折減。

歐洲規(guī)范的抗震設計中依據(jù)構件剛度折減系數(shù)和地震性能修改系數(shù)q 對彈塑性地震作用進行折減，不考慮“冗余度”因素。

美國規(guī)范依據(jù)結構延性的地震反應修改系數(shù)R 對地震強度進行折減后，再進行構件設計，以確保結構具有較好的延性。

中、美、歐抗震規(guī)范的反應譜折減系數(shù)如表7 所示。

表7 中、美、歐抗震規(guī)范反應譜折減系數(shù)對比

3.4 不同地震分區(qū)中的譜加速度值

中、美、歐抗震規(guī)范中，地震活動性區(qū)劃采用了不同的指標和方法。美國規(guī)范基于標準場地B 類規(guī)定加速度反應譜參數(shù)，而我國規(guī)范中的標準場地為Ⅱ類，相當于美國規(guī)范中的C類場地。歐洲規(guī)范則以A 類場地下重現(xiàn)期475a 地面有效峰值加速度agR為指標進行地震動區(qū)劃。因此，將中、美、歐規(guī)范中的地震動參數(shù)進行轉換時，須先考慮場地類別。

中、美、歐抗震規(guī)范中地震分區(qū)中的譜加速度值對比如表8 所示。

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表8 中、美、歐抗震規(guī)范不同地震分區(qū)中的譜加速度值對比

3.5 地震動參數(shù)

中國抗震規(guī)范依據(jù)地震影響系數(shù)規(guī)定設計反應譜曲線。地震影響系數(shù)為地震時最大反應加速度與重力加速度的比值，即α=Sa（T）/g，其中，S（T）為加速度a 設計反應譜，g 為重力加速度。

歐洲規(guī)范的設計反應譜曲線是采用設計地震加速度的方式給出的。將其與我國抗震規(guī)范的設計反應譜進行對比，可以看出：

1）反應譜曲線起點不同。中國抗震規(guī)范中的起點為0.45αmax，而歐洲規(guī)范中的起點為S，S 僅由地震震級及場地類別決定。

2）反應譜曲線平臺高度不同。中國規(guī)范的平臺高度為η2αmax，而歐洲規(guī)范的平臺高度為 2.5Sη。

3）反應譜曲線拐點周期不同。中國規(guī)范的平臺起點周期為0.1s，其值不變，終點周期為反應譜特征周期Tg，曲線衰減段終點周期為5Tg；歐洲規(guī)范的平臺起點周期為TB，終點周期為 TC，曲線衰減段終點周期為 TD，TB、TC、TD均受地震震級及場地類別影響。

4）反應譜周期長度不同。中國規(guī)范的反應譜周期長度為0～6s，歐洲規(guī)范的反應譜周期長度為 0～4s【10】。

中、美、歐抗震規(guī)范的地震動參數(shù)如表9 所示。

表9 中、美、歐抗震規(guī)范地震動參數(shù)對比

4 結語

本文從抗震設防類別分類、場地類別劃分、設計參數(shù)取值與設計原理等方面，將中國GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》、歐洲EN1998-8《Eurocode 8： Design of Structures for Earthquake Resistance》以及美國 IBC 2018、ASCE7-16 進行了對比與分析，得到以下結論：

1）中、美、歐規(guī)范在設防類別方面均分為4 類，中歐的建筑描述分類基本相同，但與美國存在差異；歐美均只采用調整地震力方法，與我國抗震規(guī)范存在不同。

2）在層間位移限制要求方面，中、美、歐均提出彈塑性層間位移要求，但針對重點各不相同，且我國抗震規(guī)范對小震額外提出了彈性位移限制。

3）基本周期計算方面中歐美使用不同的公式，其中，中國規(guī)范的周期最短。

4）關于反應譜折減系數(shù)，中國規(guī)范直接給出折減系數(shù)，歐洲利用性能系數(shù)q 進行折減，美國規(guī)范則利用反應修正系數(shù)R，且在意義和考慮因素方面歐美較為相似。

5）在地震烈度同為7、8、9 度時，中國規(guī)范給出地震系數(shù)影響最大值，歐洲規(guī)范給出地震動有效峰值加速度，美國規(guī)范給出最大考慮地震標準場地短周期（0.2s）的譜加速度作為地震動參數(shù)的參考。