中、美、欧三国抗震规范对比(王亚勇)

中、美、欧三国抗震规范对比王亚勇中国建筑科学研究院工程抗震研究所中国建筑抗震设计规范（GB50011-2001）美国国际建筑规范（IBC2003）建筑结构欧洲统一规范（EurocodesprEN1998）谁的地震作用取值大？谁的安全度高？谁花钱多？谁合理？中国规范下一步怎么走？1、抗震设防目标2、地震危险性估计3、设计反应谱4、场地分类5、抗震验算6、结论一、抗震设防目标小震不坏、中震可修、大震不倒=基于性能的抗震设计？=基于位移的抗震设计？=Push-over分析？二、地震危险性估计中国GB50011-2001的三水准问题基于华北、西北和西南地区45个城镇的地震危险性分析小震I-1.55中震I大震I+1高孟潭等人1992年对全国7000多个场点的地震动危险性分析结果的统计分析，大震与中震的地震烈度差值普遍小于1度，而且具有明显的地区性。地区性台湾：小震（中震-1.55度）对应的50年超越概率几乎达到99%，远大于63.2%；新疆和西南地区：小震对应的50年超越概率为52.5~92.5%，在67.5%左右的比率最高；东北、华北和华南地区：小震对应的50年超越概为52.5~57.5%，小于63.2%。大震（中震+1度）对应的50年超越概率，绝大多数地区均在0.5~0.9%范围内，远小于2~3%。GB50011-2001规范并没有考虑全国各地地震危险性的差异按照概率标准来确定大、中、小震，从而在真正意义上使三级设防水准在全国范围内具有统一的概率保证。美国UBC（IBC）两水准设计设计地震（designearthquake）=极限地震（maximumconsideredearthquake）/1.5设计地震:50年超越概率10％（重现期475年）极限地震：50年超越概率2％（重现期2500年）以极限地震的三分之二（1.5的倒数）作为设计地震，从而使全国的防倒塌水平达到统一美国部分城市的重现期调整系数US（0.2秒谱加速度：2500年/475年）市名称比值（US）LosAngeles（洛杉矶）1.7SanFrancisco（旧金山）1.7NewYorkCity（纽约）3.3Charleston（查尔斯顿）5.0Memphis（孟菲斯）5.1结构抗震设计类别（seismicdesigncategory）A-E=f[地震使用分组，设计地震地面运动参数（0.2秒和1秒周期处的谱加速度）*抗震重要性系数（seismicimportantfactor）IE]针对不同抗震设计类别的结构，IBC-2003和ASCE7-02规定了不同的抗震措施：建筑场地、结构分析模型、分析方法、构造措施等。欧洲EurocodesprEN1998设计地震（475年重现期）：结构不应出现局部或整体倒塌。常遇地震（95年重现期）：结构不应破坏，保持建筑正常使用功能。常遇地震=设计地震*折减系数v（重要性I、II类建筑，v=0.4；重要性III、IV类建筑，v=0.5）从现在至2010年的5年时间为各国规范向欧洲统一规范转换的过渡期。在这期间，欧洲各国的国家规范可以和欧洲统一规范并行，但各国的国家规范必须按欧洲统一规范的要求，逐步修正。2010年以后，欧洲将只有欧洲统一规范，各国的规范只能以附录出现在统一规范内。从技术上来说，欧洲统一规范是目前为止世界上真正按性能设计思想编制的一套完整的规范体系。三、设计反应谱中国GB50011-200101234560.00.51.01.52.02.5=5%T(s)10.25s20.30s30.35s40.40s50.45s60.55s70.65s80.75s90.90s12345678901234560.00.51.01.52.02.53.0=20%=10%=5%=2%Tg=0.35secT(s)美国IBC2003的弹性设计反应谱（Ss=0.50g，S1=0.20g）0123456780.00.10.20.30.40.50.6S1=0.20gSS=0.50g=5%Sa(g)T(s)EDCBA欧洲prEN1998（1）（主导震级：M=5.5和M5.5）0123401234M=5.5=5%DECBAse/agT(s)01234012345=5%M5.5DECBAse/agT(s)欧洲prEN1998（2）不同阻尼比和不同场地位移谱012340123SiteClass:A=20%=10%=5%=2%M=5.5Dampingse/dgT(s)0.11100.000.030.060.090.120.15ag=1.0gESDeM=5.5=5%CDBAT(s)四、场地分类中国GB50011-2001•I-IV类场地•波速测深20米•基岩500米/秒美国IBC2003•A-F类场地•波速测深30米•基岩700~1500米/秒欧洲prEN1998•A-E,S1,S2类场地•波速测深30米•基岩800米/秒中美规范场地分类换算关系01833667621524dov(m)vs(m/s)EDCBAII31550dov(m)180036080050II315CDBvs,30(m/s)Adov(m)140025050050315vse(m/s)80IIIIIIIV中欧规范场地分类换算关系01833667621524dov(m)vs(m/s)EDCBAII31550dov(m)180036080050II315CDBvs,30(m/s)Adov(m)140025050050315vse(m/s)80IIIIIIIV五、抗震验算考虑结构延性的抗震设计中国GB50011-2001小震地震作用=中震地震作用/R（2.85）或中震地震作用*C（0.35）折减后用于截面强度和结构变形验算。抗震验算承载力抗震调整系数，按下表采用；R-结构构件承载力设计值（抗力）；S-结构内力（效应）。RERS/RE－材料结构构件受力状态γRE钢柱0.75支撑0.80梁0.70节点、连接及其它连接件1.0砌体两端均有构造柱、芯柱的抗震墙受剪0.9其它抗震墙受剪1.0混凝土梁受弯0.75轴压比小于0.15的柱偏压0.75轴压比不小于0.15的柱偏压0.80抗震墙偏压0.85各类构件受剪、偏拉0.85抗震承载力调整系数γRE美国IBC2003式中，Sad为弹塑性设计反应谱，Sa为弹性反应谱，R为结构反应修正系数，μ为结构延性系数，Ta、Tb、Tc‘、Tc为伪速度谱各拐点的周期值。－RSSaadccbaTTTTTTR'T121R-T-μ的关系曲线0.020.11101000.55GB50011规范R=2.8Rμ=4μ=8μ=2μ=1.5μ=1TsecIBC2003与GB50011设计反应谱对比IBC对于延性不同的结构，尽管具有相同的设计地震动加速度ADE＝2/3AMCE＝0.298g，其设计反应谱也是不相同的；GB50011不管结构延性如何，其设计反应谱均为小震弹性谱=中震弹性谱*35%，结构延性用抗震承载力调整系数γRE来表示。向何处去？大震下抗倒塌水准是否相同？RE欧洲prEN1998延性对地震作用的折减通过结构性能系数q来实现，结构性能系数q不但包含了结构延性的影响，还包含了结构阻尼等因素的影响。0.4TTT5.2TTT5.2TTT5.2T0325232)(D2CCCCBTaTqSaTTaqSaqSaT)q.(TTSaTSgDgDgggBBgd欧洲规范prEN1998混凝土结构的基本性能系数q0结构类型中等延性等级（DCM）高等延性等级（DCH）框架体系、双重体系、耦合墙体系3.0au/a14.5au/a1剪力墙体系3.04.0au/a1扭转不规则体系2.03.0倒摆体系1.52.0注：（1）对于竖向不规则的结构，表中的q0应折减20%；（2）根据结构布置情况，au/a1在1.0~1.3间取值GB50011和prEN1998钢筋混凝结构设计反应谱曲线对比02460.00.20.40.6II类场地8度(0.20g),一组GB50011prEN1998GB50011中震弹性反应谱=5%GB50011小震弹性反应谱=5%prEN1998:0.2ag的下限值prEN1998弹性反应谱=5%DCM设计反应谱q=3.90DCH设计反应谱q=5.85M=5.5SiteClass:Bag=0.1.667gSd(g)T(sec)欧洲规范prEN1998对于延性不同的结构，尽管具有相同设计地震动加速度Ag=0.1667g，其设计反应谱是随着结构性能系数而变化的，延性等级越高，结构性能系数越大，相应的设计反应谱曲线越低；中国规范GB50011，不管结构类型和延性如何，其设计反应谱均取为小震弹性谱。由上图可见，对于钢筋混凝土框架结构，中国规范的小震反应谱（亦即设计反应谱）与欧洲规范的中等延性等级的设计反应谱相当，明显大于高等延性等级的设计反应谱。六、算例和结论算例（5层钢筋混凝土框架结构）层高3.5m，板厚120mm，8度（0.20g），一组，II类场地，楼面均布活荷载2.5kN/m2，附加恒载1.8kN/m2，混凝土C30，钢筋fy＝360Mpa，fyv＝210Mpa。算例——设计结果5层钢筋混凝土框架结构抗震设计结果（单位：KN，mm）GB50011IBC-2003prEN1998-2003R=3R=5R=8q=3.9q=5.85基底剪力Vx645.68(100%)901.80(140%)541.10(83.8%)337.76(52.3%)649.12(100.5%)432.82(67.0%)Vy592.62(100%)829.68(140%)497.80(84.0%)310.72(52.4%)591.84(99.9%)394.62(66.6%)典型构件设计结果C5（2，B）As364644232250225022502250r1.46%1.77%0.9%0.9%0.9%0.9%B3（2-A~B）As9271071773615727572r0.67%0.78%0.56%0.45%0.53%0.42%算例结论•与IBC-2003相比：对于延性较小的结构，IBC-2001偏于保守；对于延性较大的结构，GB50011-2001偏于保守；对于延性适中的结构，两本规范是相当的。•与prEN1998-2003相比：对于高延性结构，GB50011-2001偏于保守；对于中等延性结构，两本规范的基底剪力相当，但由于荷载组合的差别，GB50011-2001的截面配筋偏于保守。规范对比结论1.设防水准：美、欧为二级，中国为三级（实际为一级）。2.设防目标：美、欧锁定的目标广、关注人居。3.地震作用：中长周期-美国高，欧洲、中国低；短周期-中国高，美、欧低。4.抗震措施：中国详尽严格。谢谢！