关于国内外结构抗震设计的探讨

冯思达

（广东省建筑设计研究院 广东广州　510010）

关于国内外结构抗震设计的探讨

冯思达

（广东省建筑设计研究院 广东广州510010）

抗震结构是抗震设计应考虑的最关键问题，对安全和经济起着至关重要的作用，是综合的系统作用。随着经济和科技的飞速发展，国内外的抗震设计水平也日渐成熟。本文主要探讨国内外在结构抗震设计上的联系和差异，深入分析目前结构抗震设计的现状，根据实际情况提出相应的设计要点和其中存在的几点问题。

抗震设计；规范；隔震技术

北京时间2014年2月12日17点19分，在新疆于田县（北纬36.1°，东经82.5°）发生7.3级地震。近几年来，世界各地都相继发生了多次重大地震，2010年2月27日，智利第二大城市康塞普西翁发生8.8级地震，2014年3月10日，美国加州附近海域7.0级地震，2013年4月16日，伊朗、巴基斯坦交界地区7.7级地震，2015年2月17日，日本本州东海岸附近海域发生7.1级地震。面对毫无征兆来袭的地震，各国是如何预防和抵抗的呢？国内外的抗震设防又有什么不同的地方呢？

1　美国的抗震设计规范

从以往的事例中不难发现，美国在较大地震下的震害都较轻，很大程度要归功于其抗震规范。美国是结构抗震设计规范上的先驱，是世界上最早将抗震条款写入结构设计规范的国家之一，其抗震规范在国际抗震领域具有代表性。而中国的抗震研究则起步较晚，需要在与各国规范比较的过程中逐步完善，与国际抗震接轨。

从美国IBC2012规范中可以发现，美国的抗震设防目标是使结构在地震作用下倒塌风险最小，为设计和建造抵抗地震的建筑物提供最低标准。不同于中国的多级抗震设防目标，美国考虑了两种等级的地震作用，即最大考虑地震和设计地震。最大考虑地震是通过考虑了不同地区地震危险性的差别而规定的，再对最大考虑地震进行2/3折减得到设计地震。而中国规范对所有地区均采用50年超越概率10%的地震作用作为设防地震，这样导致的结果就是罕遇地震下，不同地区的结构倒塌危险性存在明显差异。

在抗震设计方法上，美国规范采用了抗震验算和抗震措施双重保证的单一阶段抗震设计方法，采用弹性反应谱R-μ理论，去最大考虑地震的2/3的地震作用进行抗震验算，考虑不同结构类型的设计延性，将弹性分析的到的地震作用除于相应的地震影响系数R进行折减，得到设计荷载，用于结构承载力验算和变形验算。其中同一类型的结构还设定了不同的延性等级，从而影响设计地震力。设计人员将根据实际情况来采用不同的延性等级。美国规范中还将钢筋混凝土框架分为“一般框架”、“中等框架”、“特殊框架”三个等级。但规范并不是在设防烈度峰值反应加速度不同的地区都可以由设计者自行选择设计哪一个等级的结构，而是规定在高地震风险区（设防烈度峰值反应加速度大的地区）只能采用“特殊框架”，在中等地震风险区则用“中等框架”和“特殊框架”，在低地震风险区则可以选用三种中的任意一种。而中美两国在设计方法上的最大差异点就是中国抗震设计规范采用了统一折减后的“小震”弹性谱，通过“小震”这一地震作用验算等级进行完全弹性的验算，由内力调整与抗震措施来考虑结构的塑性耗能。由于在这一地震作用验算等级下进行的是弹性分析，结构尚未达到其屈服强度，所以从可靠度的角度来看结构的安全性成立。

在建筑重要性类别上，美国规范根据建筑的功能以及破坏时的危害性将建筑分为四个类别，分别是Ⅰ类：破坏时危及人们生命安全风险很小的建筑；Ⅱ类：除Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ类以外的其他一般建筑；Ⅲ类：破坏时危及人们生命安全风险较大或造成较大经济损失的建筑；Ⅳ类：地震时作为必要设施或抗震救灾需要的建筑。而对于不同的重要性类别，美国规范采用了不用的重要性系数，进行了抗震设计类型划分，用于确定适用的结构体系、高度、不规则性限制及地震荷载组合系数。为了减小地震造成的人员伤亡和经济损失，中国规范也同样就危险性将建筑的重要性分为四类，但在设防概念上则有所不同。

2　日本的抗震设计方法

日本是一个堪称地震最多的国家，也正是因为频繁的地震灾害，使得日本的抗震技术快速发展、完善，并形成了比较完整的技术体系。日本的抗震意识方面一直做得很好，在地震中总能将人员伤亡和经济损失降到最低，在大型地震中也极少出现大量房屋倒塌的情况，这与他们不断开发防震减灾新技术息息相关。

日本的隔震结构设计技术是其具有代表性的抗震方法之一。在此前举行的第十届中日建筑结构技术交流会中，中日双方根据各国的规范对同一栋结构进行设计，从而对比两国在隔震结构设计方法上的差异。在比较中我们发现，中国规范中规定，采用隔震设计后上部结构抗震设防烈度可以降低一度，而日方则没有降低一度的要求，而且日方的隔震结构抗震性能目标为在水准二作用下，上部结构保持弹性，相当于中国规范的大震弹性设计，中方是小震弹性的计算结果，地震的输入比日方小，对应的结构地震相应也会减小，可见对上部结构的抗震性能要求日方要比中方高。在结构选型方面，中方选用剪力墙结构体系，日方采用的是有端柱的单向剪力墙结构体系。可以看出日方较为注重建筑的使用功能，中方偏重于结构的合理布置。对于隔震层的布置，中方在满足隔震目标的前提下尽量降低造价，注重结构的经济型，日方采用的是“一柱一支座”的布置形式，尽量增大结构的自振周期。由于上部结构布置、隔震层布置及隔震结构抗震性能目标的不同，导致了日方的结构设计内力和地震位移相应大于中方的计算结果。

日本在对于隔震设计的规范上，有关于隔震器材认证的明确规定，但对于减震结构没有规定。在隔震结构设计中，可以视其复杂程度选用简易计算或时程分析法。关于隔震器材也是多种多样，主要有橡胶支座（天然、铅芯、高阻尼），滑板支座，滚动支座；油阻尼器，钢阻尼器，铅阻尼器，摩擦阻尼器。采用减震结构是如果遇到减少断面的情况，需要通过结构审查，务必做到结构严谨性。

除了隔震结构设计外，日本在许多细节方面也做足了功夫。如楼梯设计时，多采用刚楼梯，和主结构采用铰接，这样既加强了整体结构的抗震性能，又不影响地震时主结构的水平力传递模式。在混凝土选材时尝试采用高强混凝土如150级，或者使用预制混凝土结构（预制柱，梁，半预制板），以此来保证质量并缩短工期，配合隔震减震体系保证抗震性能。对于填充墙方面，日本多采用ALC干式，轻质隔间墙或轻钢龙骨石膏板墙，可以做到减少结构自重，并追随主体结构的较大层间变形。

3　小结

中国规范采用设防地震对应的地震动参数作为地震区划标准，导致各地在罕遇地震作用下的倒塌风险不一致，怎样借鉴美国规范地震区划方法保证一致的倒塌率还需要进一步的研究。此外，中国规范结构的延性与地震作用计算没有直接关系，这不符合结构性能设计原则，如何考虑结构的延性等级采用不同的地震作用折减系数还需进一步完善。另一方面，中国经济的快速发展将为减震控制技术的大量应用奠定坚实的基础，国产大直径隔震支座和阻尼器日趋稳定，可满足各种层次的需求，极大地促进消能减震技术的推广应用。然而在隔震与减震上的产品种类还较少，质量有待进一步提高，并且地震高烈度去多在经济相对不发达的地区，解决起来存在一定问题。而地震低烈度区建设减震控制结构，由于没有经济效益，推广应用受到制约。因此我们还需要深入开展理论研究，提出更方便、更合理的设计方法，为工程界所接受。

[1]朱文静.中美建筑规范抗震相关条文的比较研究[D].武汉：华中科技大学，2008.

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TU973.2

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1673-0038（2015）20-0019-02

2015-4-28